Pjezogeneratoriai yra nauji elektros energijos šaltiniai. Fantazija ar realybė?

Plona pjezoelektrinė plėvelė ant lango stiklo, kuri sugeria gatvės triukšmą ir paverčia jį energija telefonui įkrauti. Pėstieji ant šaligatvių, metro eskalatoriai, kurie per pjezo keitiklius įkrauna autonomines apšvietimo baterijas. Tankūs automobilių srautai judriais keliais sukuria megavatų elektros energijos, kurios užtenka ištisiems miestams ir miestams.

Mokslinė fantastika? Deja, kol kas taip, ir taip gali likti. Didelė tikimybė, kad netrukus pasibaigs sensacingų pranešimų apie nuostabias perspektyvas šėlsmas pjezoelektriniai energijos generatoriai. Ir mes vėl svajojame apie saugią, atsinaujinančią ir, tiesą sakant, pigią elektros energiją, gaunamą dalyvaujant kitiems reiškiniams. Galų gale, fizinių padarinių sąrašas yra nepaprastai ilgas.

Pjezoelektriškumo fenomenas buvo atrastas brolių Jacksono ir Pierre'o Curie 1880 m. ir nuo to laiko tapo plačiai paplitęs radijo inžinerijos ir matavimo technologijose. Tai susideda iš to, kad jėga, taikoma pjezoelektrinės medžiagos bandiniui, lemia potencialių skirtumų atsiradimą ant elektrodų. Poveikis yra grįžtamasis, t. stebimas ir priešingas reiškinys: veikiant elektrodų įtampai, mėginys deformuojasi.

Priklauso nuo energijos virsmo krypties pjezoelektrikai skirstomi į generatorius (tiesioginės konversijos) ir variklius (atvirkštiniai). Sąvoka „pjezoelektriniai generatoriai“ apibūdina ne tik konversijos efektyvumą, bet tik energijos konvertavimo kryptį.

Tiksliai pirmasis reiškinys, susijęs su elektros energijos generavimu veikiant mechaniniam poveikiui, pastaraisiais metais susidomėjo inžinieriai ir išradėjai. Tarsi iš raudonmedžio ligos sklandė žinios apie galimybes gauti elektros energiją, panaudojant gatvės triukšmą, bangų ir vėjo judėjimą bei judančių žmonių ir automobilių krovinius.

Šiandien žinomi keli tokios energijos praktinio panaudojimo pavyzdžiai. Tokijo „Marunuchi“ metro stotyje bilietų kambaryje įrengti pjezoelektriniai generatoriai. Norint kontroliuoti turniketą, pakanka keleivių susikaupimo.

Londone elito diskotekoje pjezoelektriniai generatoriai maitina keletą lempučių, kurios skatina šokti ir ... gaiviųjų gėrimų pardavimą. Pjezoelektriniai žiebtuvėliai tapo įprasti. Dabar bet kuris rūkalius kišenėje nešiojasi savo „elektrinę“.

Gana neseniai pasaulio bendruomenė išpūtė žinią apie bandymo sistemas energijai gaminti iš judančių transporto priemonių. Izraelio mokslininkai iš mažos firmos „Innowattech“ apskaičiavo, kad 1 kilometras automobilio gali generuoti iki 5 MW galios elektrą. Jie ne tik atliko skaičiavimus, bet ir atidengė kelias dešimtis metrų greitkelio ir po juo sumontavo savo pjezoelektrinius generatorius. Atrodė, kad pagaliau įvyko lūžis alternatyviosios energijos srityje. Bet tai kelia rimtų abejonių.

Leiskite mums išsamiau apsvarstyti pjezoelektrinių procesų fiziką. Norint susipažinti su pjezoelektrinių medžiagų energijos gamybos principais, pakanka suprasti keletą pagrindinių mechanizmų. Kai pjezoelektrinis elementas veikia mechaniškai, atomai pasislenka į asimetrinę medžiagos kristalinę gardelę. Dėl šio poslinkio atsiranda elektrinis laukas, kuris indukuoja (indukuoja) krūvius ant pjezoelektrinio elemento elektrodų.

Skirtingai nuo įprasto kondensatoriaus, kurio plokštės ilgą laiką gali sutaupyti krūvį, indukuoti pjezoelektrinio elemento krūviai išlaikomi tik tol, kol veikia mechaninė apkrova. Būtent šiuo metu energija gali būti gaunama iš elemento. Pašalinus krovinį, sukeltos įkrovos išnyksta. Iš esmės pjezoelektrinis elementas yra nereikšmingas srovės šaltinis, turintis labai aukštą vidinę varžą.

Kadangi „Innowattech“ specialistai nemanė, kad būtina dalintis savo eksperimento rezultatais su plačiąja visuomene, pabandysime atlikti apytikslius skaitmeninius pjezoelektrikų darbo efektyvumo įvertinimus, nes energijos šaltinis. Kaip skaičiavimo objektą imame paprastą buitinį pjezo žiebtuvėlį - vienintelį produktą, kuris dabar plačiai naudojamas.

Iš pjezoelektrinių medžiagų gausos techninių charakteristikų mums reikia tik kelių. Tai yra pjezoelektrinio modulio, kuris įprastiems (o kiti dar negamina) pjezoelektrikams svyruoja nuo 200 iki 500 pikokulonų (nuo 10 iki minus 12 laipsnių) už niutą, vertė ir apibūdina krūvio generavimo efektyvumą veikiant jėgai.

Ši savybė nepriklauso nuo pjezoelektrinio elemento dydžio, bet yra visiškai nulemta medžiagos savybių. Todėl bandyti padaryti galingesnius keitiklius didinant geometrinius matmenis yra beprasmiška. Žinomos lengvesnių pjezoelektrinių plokščių talpa ir yra apie 40 pikofaradų.

Svirties sistema jėgai perduoti į pjezoelektrinį elementą sukuria maždaug 1000 niutonų apkrovą. Tarpas, kuriame kibirkštis kibirkščia, yra 5 mm. Oro dielektrinis stipris imamas 1 kV / mm. Turint tokius pradinius duomenis žiebtuvėlis sukuria kibirkštis, kurių galia svyruoja nuo 0,9 iki 2,2 megavatų!

Tačiau nereikia bijoti. Iškrovos trukmė yra tik 0,08 nanosekundės, taigi tokios didžiulės galios vertės. Apskaičiavus visą žiebtuvėlio sugeneruotą energiją gaunama tik 600 mikrodžiuulių vertė. Šiuo atveju žiebtuvėlio efektyvumas, atsižvelgiant į tai, kad mechaninė jėga per svirties sistemą yra visiškai perduodama į pjezoelektrinę, yra tik ... 0,12%.

Įvairiuose projektuose siūlomos energijos naudojimo schemos yra artimos žiebtuvėlių veikimo režimui. Atskiri pjezoelektriniai elementai sukuria aukštą įtampą, kuri nutrūksta per iškrovos tarpą, o srovė teka į lygintuvą, o po to į kaupimo įrenginį, pavyzdžiui, jonistorių. Tolesnis energijos konvertavimas yra standartinis ir nedomina.

Pereikime nuo žiebtuvėlių prie uždavinio gaminti energiją pramoniniu mastu. Leiskite naudoti efektyviausius elementus, generuojančius 10 milvatų vatų vienam elementui. Surinktos į grupes (grupes) po 100-200 elementų, jos dedamos po kelkraščiu. Tuomet norint gauti deklaruotą galios vertę, lygią 1 MW vienam kelio kilometrui, reikės tik ... 100 milijonų atskirų elementų su individualiomis energijos šalinimo schemomis. Lieka užduotis juos apibendrinti, pakeisti ir perduoti vartotojui. Tuo pačiu metu elementų srovės, atsižvelgiant į kintančią kelio dangos apkrovą, bus nano ar net pikoamperių diapazone.

Įsigiję panašius projektus, kad gautumėte energijos iš pjezoelektrinio efekto, galite netyčia reikalauti analogijos su hidroelektrine, kurioje turbinos veikia nuo ryto rasos drėgmės, atsargiai surinktos iš aplinkinių laukų.

Bet kaip su Izraelio kompanijos eksperimentu? Ataskaita apie „nuolaužų“ greitkelyje rezultatus nepasirodė. Tačiau prieš įgyvendinant greitkelio Venecija-Triestas sutartį, kurią pasirašė bendrovė „Innowattech“.

Yra viena versija apie tai: tai yra startup tipo įmonė, t. aukštos rizikos investicinis kapitalas. Gavę daugiau nei kuklius preliminarius tyrėjų rezultatus, jos įkūrėjai nusprendė pagrįsti investuotus pinigus ir investavę į puikų rinkodaros žingsnį - jie atliko veiksmingą testą, dalyvaujant spaudai. Ir visas pasaulis pradėjo kalbėti apie mažą kompaniją. Dėl šio triukšmo buvo prarastas pagrindinis klausimas: kur pigios energijos megavatai?

Apibendrinant galima padaryti tik vieną išvadą: pjezoelektriniai elementai niekada netaps alternatyvūs elektros energijos šaltiniai pramoniniu mastu. Jų taikymo sritis bus apribota mažos galios (mikro galios) energijos šaltiniais ir jutikliais. Ko gaila, tokia graži idėja!