Piezogeneratory to nowe źródła energii elektrycznej. Fantazja czy rzeczywistość?

Cienka folia piezoelektryczna na szybie, która pochłania hałas z ulicy i przekształca go w energię do ładowania telefonu. Piesi na chodnikach, schody ruchome metra, które ładują autonomiczne akumulatory oświetleniowe za pomocą przetworników piezoelektrycznych. Gęste strumienie samochodów na ruchliwych drogach, generujące megawaty energii elektrycznej, która wystarcza dla całych miast.

Science fiction? Niestety na razie tak i to może pozostać. Istnieje duże prawdopodobieństwo, że szum wokół sensacyjnych wiadomości o cudownych perspektywach wkrótce się skończy piezoelektryczne generatory energii. I znów będziemy marzyć o bezpiecznej, odnawialnej i, szczerze mówiąc, taniej energii elektrycznej otrzymywanej z udziałem innych zjawisk. W końcu lista efektów fizycznych jest niezwykle długa.

Zjawisko piezoelektryczności został odkryty przez braci Jacksona i Pierre'a Curie w 1880 roku i od tego czasu stał się popularny w inżynierii radiowej i technologii pomiarowej. Polega on na tym, że siła przyłożona do próbki materiału piezoelektrycznego prowadzi do pojawienia się różnic potencjałów na elektrodach. Efekt jest odwracalny, tj. obserwuje się również zjawisko przeciwne: przykładając napięcie do elektrod, próbka ulega deformacji.

W zależności od kierunku konwersji energii piezoelektryczne dzielą się na generatory (bezpośrednia konwersja) i silniki (odwrotne). Termin „generatory piezoelektryczne” nie charakteryzuje wydajności konwersji, a jedynie kierunek konwersji energii.

Dokładnie pierwsze zjawisko związane z wytwarzaniem energii elektrycznej pod obciążeniem mechanicznym, w ostatnich latach inżynierowie i wynalazcy zainteresowali się. Jak z róg obfitości płynęły wiadomości o możliwościach uzyskania energii elektrycznej, wykorzystania hałasu ulicznego, ruchu fal i wiatru oraz ładunków z poruszających się ludzi i samochodów.

Obecnie znanych jest kilka przykładów praktycznego wykorzystania takiej energii. Na stacji metra Marunuchi w Tokio generatory piezoelektryczne są zainstalowane w kasie biletowej. Gromadzenie się pasażerów wystarcza do kontrolowania bramek obrotowych.

W Londynie, w elitarnej dyskotece, piezoelektryczne generatory zasilają kilka lamp, które stymulują taniec i ... sprzedaż napojów bezalkoholowych. Zapalniczki piezoelektryczne stały się powszechne. Teraz każdy palacz nosi w kieszeni własną „elektrownię”.

Stosunkowo niedawno społeczność światowa wysadziła w powietrze wiadomość o testowaniu systemów generowania energii z poruszających się pojazdów. Izraelscy naukowcy z małej firmy Innowattech obliczyłem to 1 kilometr autostrady może wytwarzać energię elektryczną do 5 MW. Nie tylko wykonali obliczenia, ale także odkryli kilkadziesiąt metrów autostrady i zamontowali pod nią generatory piezoelektryczne. Wydawało się, że w końcu nastąpił przełom w dziedzinie energii alternatywnej. Rodzi to jednak poważne wątpliwości.

Rozważmy bardziej szczegółowo fizykę procesów zachodzących w piezoelektryce. Aby zapoznać się z zasadami generowania energii przez materiały piezoelektryczne, wystarczy zrozumieć kilka podstawowych mechanizmów. Kiedy na element piezoelektryczny działa się mechanicznie, atomy są przemieszczane w asymetrycznej sieci krystalicznej materiału. To przemieszczenie prowadzi do pojawienia się pola elektrycznego, które indukuje (indukuje) ładunki na elektrodach elementu piezoelektrycznego.

W przeciwieństwie do konwencjonalnego kondensatora, którego płytki mogą oszczędzać ładunki przez długi czas, indukowane ładunki elementu piezoelektrycznego są zatrzymywane tylko tak długo, jak długo działa obciążenie mechaniczne. Właśnie w tym momencie energię można uzyskać z elementu. Po usunięciu ładunku indukowane ładunki znikają. Zasadniczo element piezoelektryczny jest nieistotnym źródłem prądu o bardzo wysokiej rezystancji wewnętrznej.

Ponieważ specjaliści Innowattech nie uważali za konieczne dzielenie się wynikami eksperymentu z ogółem społeczeństwa, postaramy się dokonać przybliżonych szacunków liczbowych dotyczących skuteczności pracy piezoelektryków jako źródło energii. Jako przedmiot do obliczeń bierzemy zwykłą domową zapalniczkę piezoelektryczną - jedyny produkt, który jest obecnie szeroko stosowany.

Z obfitości właściwości technicznych materiałów piezoelektrycznych potrzebujemy tylko kilku. Jest to wartość modułu piezoelektrycznego, który dla powszechnych (i innych jeszcze nie wypuszcza na rynek) piezoelektrycznych waha się od 200 do 500 pikokulonów (10 do minus 12 stopni) na niuton i charakteryzuje wydajność generowania ładunku pod wpływem siły.

Ta cecha nie zależy od wielkości elementu piezoelektrycznego, ale jest całkowicie determinowana przez właściwości materiału. Dlatego próba stworzenia mocniejszych konwerterów poprzez zwiększenie wymiarów geometrycznych jest bezcelowa. Pojemność lżejszych płyt piezoelektrycznych jest znana i wynosi około 40 pikofaradów.

System dźwigni do przenoszenia siły na element piezoelektryczny wytwarza obciążenie około 1000 niutonów. Przerwa, w której skacze iskra, wynosi 5 mm. Wytrzymałość dielektryczna powietrza wynosi 1 kV / mm. Przy takich początkowych danych zapalniczka generuje iskry o mocy od 0,9 do 2,2 megawata!

Ale nie bój się. Czas rozładowania wynosi zaledwie 0,08 nanosekundy, stąd tak duże wartości mocy. Obliczenie całkowitej energii wytworzonej przez zapalniczkę daje wartość tylko 600 mikrojuli. W tym przypadku skuteczność zapalniczki, biorąc pod uwagę fakt, że siła mechaniczna przez układ dźwigni jest całkowicie przenoszona na piezoelektryczny, wynosi tylko ... 0,12%.

Schematy odzyskiwania energii zaproponowane w różnych projektach są zbliżone do trybów pracy zapalniczek. Poszczególne elementy piezoelektryczne wytwarzają wysokie napięcie, które przebija szczelinę wyładowczą, a prąd przepływa do prostownika, a następnie do urządzenia magazynującego, na przykład jonistora. Dalsza konwersja energii jest standardem i nie jest interesująca.

Przejdźmy od zapalniczek do zadania generowania energii na skalę przemysłową. Niech zastosowane zostaną najbardziej wydajne elementy generujące 10 miliwatów na element. Zebrane w klastry (grupy) po 100-200 elementów są umieszczane pod korbą. Następnie, aby uzyskać deklarowaną wartość mocy rzędu 1 MW na kilometr drogi, potrzebne będzie tylko ... 100 milionów pojedynczych elementów z indywidualnymi schematami usuwania energii. Pozostaje zadanie podsumowania, przekształcenia i przekazania go konsumentowi. Jednocześnie prądy żywiołów, biorąc pod uwagę zmieniające się obciążenie jezdni, będą mieścić się w zakresie nano, a nawet pikoamperów.

Zdobywając podobne projekty w celu uzyskania energii z efektu piezoelektrycznego, można mimowolnie rozpocząć analogię z elektrownią hydroelektryczną, w której turbiny działają z wilgoci porannej rosy, starannie zebranej z okolicznych pól.

A co z eksperymentem izraelskiej firmy? Raport o wynikach „rozbiórki” na autostradzie nie pojawił się. Ale przed realizacją kontraktu na energię z autostrady Wenecja-Triest, podpisanego przez Innowattech.

Jest na to jedna wersja: jest to firma typu startup, tj. kapitał inwestycyjny wysokiego ryzyka. Po otrzymaniu ponad skromnych wstępnych wyników badaczy jego założyciele postanowili uzasadnić zainwestowane pieniądze i zainwestowali w doskonały ruch marketingowy - przeprowadzili skuteczny test z udziałem prasy. I cały świat zaczął mówić o małej firmie. I w tym hałasie zgubiono główne pytanie: gdzie są megawaty taniej energii?

Podsumowując, można wyciągnąć tylko jeden wniosek: elementy piezoelektryczne nigdy się nie staną alternatywne źródła energii elektrycznej na skalę przemysłową. Zakres ich zastosowań będzie ograniczony do źródeł energii i czujników małej mocy (mikropower). Szkoda, taki piękny pomysł!