Электротехнический интернет-журнал Electrik.info

 
 

Сайт электрика

Электрик Инфо » Интересные электротехнические новинки

Пьезогенераторы - новые источники электроэнергии. Фантазии или реальность?

Пьезогенераторы - новые альтернативные источники электроэнергииТонкая пьезоэлектрическая пленка на оконном стекле, поглощающая шум улицы и преобразующая его в энергию для зарядки телефона. Пешеходы на тротуарах, эскалаторах метро, которые заряжают через пьезо преобразователи аккумуляторы автономного освещения. Плотные потоки автомобилей на оживленных трассах, вырабатывающие мегаватты электроэнергии, которой хватает для целых городов и поселков.

Фантастика? К сожалению, пока да, и таковой может остаться. Есть большая вероятность, что скоро закончится ажиотаж вокруг сенсационных сообщений о чудесных перспективах генераторов энергии на пьезоэлементах. А мы будем опять мечтать о безопасной, возобновляемой и, что греха таить, дешевой электрической энергии, полученной с привлечением других явлений. Ведь список физических эффектов замечательно велик.

Явление пьезоэлектричества было открыто братьями Джексоном и Пьером Кюри в 1880 году и с тех пор получило широкое распространение в радиотехнике и измерительной технике. Заключается оно в том, что усилие, приложенное к образцу пьезоэлектрического материала, приводит к появлению на электродах разности потенциалов. Эффект обратим, т.е. наблюдается и обратное явление: прикладывая к электродам напряжение, образец деформируется.

В зависимости от направления преобразования энергии пьезоэлектрики делятся на генераторы (прямое преобразование) и двигатели (обратное). Термин “пьезогенераторы” характеризует не эффективность превращения, а только направление преобразования энергии.

Именно первым явлением, связанным с генерацией электричества при механическом воздействии, заинтересовались в последние годы инженера и изобретатели. Как из рога изобилия, посыпались сообщения о возможностях получения электрической энергии, утилизируя уличный шум, движение волн и ветра, нагрузки от перемещения людей и машин.

Сегодня известно несколько примеров практического использования подобной энергии. На станции метро «Марунучи» в Токио установлены пьезогенераторы в зале для приобретения билетов. Скопления пассажиров хватает для управления турникетами.

В Лондоне, в элитной дискотеке, пьезогенераторы питают несколько ламп, которые стимулируют танцующих и ...продажу прохладительных напитков. Стали обыденными пьезоэлектрические зажигалки. Сейчас любой курильщик носит в кармане собственную «электростанцию».

Пьезогенераторы на дискотеке

Сравнительно недавно взорвало мировую общественность сообщение об испытаниях систем получения энергии от движущегося автотранспорта. Израильские ученые из небольшой фирмы Innowattech подсчитали, что 1 километр автобана может генерировать электрическую мощность до 5 МВт. Они не только выполнили расчеты, но и вскрыли несколько десятков метров полотна автострады и смонтировали под ним свои пьезогенераторы. Казалось, что наконец наступил прорыв в области альтернативной энергетики. Но в этом возникают серьезные сомнения.

Автобан с пьезогенераторами

Рассмотрим подробней физику процессов, происходящих в пьезоэлектрике. Для знакомства с принципами генерации энергии пьезоэлектрическими материалами достаточно понимания нескольких базовых механизмов. При механическом воздействии на пьезоэлемент происходит смещение атомов в несимметричной кристаллической решетке материала. Это смещение приводит к возникновению электрического поля, которое индуцирует (наводит) заряды на электродах пьезоэлемента.

В отличие от обычного конденсатора, обкладки которого могут сохранять заряды достаточно долго, индуцированные заряды пьезоэлемента сохраняются только до тех пор, пока действует механическая нагрузка. Именно в это время можно получить от элемента энергию. После снятия нагрузки индуцированные заряды исчезают. По сути, пьезоэлемент является источником тока ничтожной величины, с очень высоким внутренним сопротивлением.

Поскольку специалисты компании Innowattech так и не сочли нужным поделиться с широкой общественностью результатами своего эксперимента, попробуем сами сделать грубые численные прикидки эффективности работы пьезоэлектриков в качестве источника энергии. В качестве объекта для расчетов возьмем обычную бытовую пьезозажигалку – единственное изделие, получившее сейчас широкое распространение.

Из обилия технических характеристик пьезоматериалов нам понадобятся всего несколько. Это значение пьезоэлектрического модуля, которое для распространенных (а иных пока промышленность не выпускает) пьезоэлектриков составляет от 200 до 500 пикокулон (10 в минус 12 степени) на ньютон, и характеризует эффективность генерации заряда под воздействием силы.

Эта характеристика не зависит от размеров пьезоэлемента, а полностью определяется свойствами материала. Поэтому пытаться делать более мощные преобразователи за счет увеличения геометрических размеров бессмысленно. Емкость обкладок пьезоэлемента зажигалок известна и составляет около 40 пикофарад.

Рычажная система передачи усилия на пьезоэлемент создает нагрузку приблизительно 1000 ньютонов. Зазор, в котором проскакивает искра - 5 мм. Диэлектрическую прочность воздуха принимаем 1 кВ/мм. При таких исходных данных зажигалка генерирует искры мощностью от 0,9 до 2,2 мегаватта!

Но не стоит пугаться. Длительность разряда составляет всего 0,08 наносекунды, отсюда такие огромные значения мощности. Подсчет же суммарной энергии, генерируемой зажигалкой, дает значение всего 600 микроджоулей. При этом КПД зажигалки, с учетом того, что механическое усилие через рычажную систему полностью передается пьезоэлектрику, составляет всего ... 0,12%.

Предлагаемые в разных проектах схемы извлечения энергии близки к режимам работы зажигалок. Отдельные пьезоэлементы генерируют высокое напряжение, которое пробивает разрядный промежуток, и ток поступает на выпрямитель, а затем в накопительное устройство, например, ионистор. Дальнейшее преобразование энергии стандартно и интереса не представляет.

От зажигалок перейдем к задаче получения энергии в промышленных масштабах. Пусть будут использованы наиболее эффективные элементы, генерирующие 10 милливатт на элемент. Собранные в кластеры (группы) по 100-200 элементов, они помещаются под полотно дороги. Тогда для получения заявленной величины мощности порядка 1 МВт на километр дороги потребуется всего... 100 миллионов отдельных элементов с индивидуальными схемами съема энергии. Остается еще задача ее суммирования, преобразования и передачи потребителю. При этом токи элементов, учитывая изменяющуюся нагрузку на дорожное полотно, будут лежать в диапазоне нано или даже пикоампер.

Знакомясь с подобными проектами получения энергии от пьезоэффекта, невольно напрашивается аналогия с гидроэлектростанцией, в которой турбины работают от влаги утренней росы, бережно собранной с окрестных полей.

А как же с экспериментом израильской компании? Отчет о результатах «вредительства» на полотне автострады так и не появился. А ведь впереди выполнение контракта на получении энергии с автострады Венеция – Триест, который заключила фирма Innowattech.

Пьезогенераторы - новые альтернативные источники электроэнергии

По этому поводу есть одна версия: это компания типа «стартап», т.е. с высоким риском инвестиционного капитала. Получив более чем скромные предварительные результаты исследователей, ее основатели решили оправдать затраченные деньги инвесторов и провернули великолепный маркетинговый ход – провели эффектное испытание с участием прессы. И весь мир заговорил о маленькой компании. И в этом шуме потерялся основной вопрос: где же мегаватты дешевой энергии?

Подводя итоги, можно сделать только один вывод: пьезоэлементы никогда не станут альтернативными источниками электроэнергии в промышленных масштабах. Круг их применений ограничится маломощными (микромощными) источниками питания и датчиками. А жаль, такая красивая была идея!


Сейчас самое время поделиться статьей и добавить ее в закладки!


Тематические разделы: Электрик Инфо » Интересные электротехнические новинки

Другие статьи:

  • 5 необычных способов получения электрической энергии
  • Атмосферное электричество, как новый источник альтернативной энергии
  • Пьезоэлектричество (Плонский А. Ф.)
  • Разработки, которые позволят отказаться от традиционной энергетики в пользу ...
  • Осмотическая электростанция: чистая энергия соленой воды
  • Химические источники тока: основные характеристики


  •  
      Комментарии:

    #1 написал: Игорь | [цитировать]

     
     

    "Пьезогенераторы никогда не станут альтернативными источниками электроэнергии в промышленных масштабах" - не согласен. Вполне возможно, когда нибудь и станут. Физика, техника и технологии постоянно развиваются и столь категорически что-то заведомо называть невозможным я бы поостерегся. Расскажи всем еще лет двадцать назад про современные мобильные телефоны, то большинство людей высказалось бы столь категорично, а в итоге что мы видим - "и не возможное становится возможным". А так, статья понравилась, только не нужно быть столь критически настроенным к излагаемой теме, тем более существуют же уже даже используемые образцы пьезогенераторов (те же японцы со своими турникетами). Не может же это быть все глобальной мистификацией. Что-то в этом есть и, возможно, используются вещи, о которых пока широкую публику не просвещают.  

      Комментарии:

    #2 написал: Николай | [цитировать]

     
     

    Поддерживаю Игоря. Есть также совсем (или почти) "шифрованная" идея применения эффекта в процессе изменения глубины погружения подводной лодки (использование эффекта при всплытии сопряжено с трудностями установки и наладки). Увеличение забортного давления вызывает в том числе уменьшение линейных поперечных размеров корпуса. То есть, характер работы возможных кластеров никак не аналогичен работе источников под полотном дороги. Представляется очевидным, что этапы работы источника на лодке будут отличаться - иметь большую продолжительность прежде всего. А это уже серьёзно подрывает аргументацию автора в части "диапазона токов". Однако, можно согласиться с приближением "1МВт-100млн шт.". Но и тогда для получения всего 10кВт потребуется 1млн шт. источников. А это уже легче реализуемо.
    При этом процесс замены вышедших из строя не представляет трудностей по сравнению с воплощением "пьезодороги". Видимо, и по этой причине мы пока не получили предметных отчётов от израильских подрядчиков. 

      Комментарии:

    #3 написал: Yupiter | [цитировать]

     
     

    Согласно закона о сохранении энергии нет смысла делать такие пьезогенераторы. Автомобиль, двигаясь по дороге с пьезоэлементами будет преодолевать дополнительное сопротивление. А так как КПД 0,12% то по сути все это коту под хвост. Лучше излишне потраченное топливо залить в бензогенератор и выработать эл. энергию.

      Комментарии:

    #4 написал: николай | [цитировать]

     
     

    Yupiter, не будет. Сейчас вибрация преобразуется в тепло, а с вибростанциями часть будет преобразовываться в электричество.

      Комментарии:

    #5 написал: ержан | [цитировать]

     
     

    Сама идея чего стоит. Время покажет как это работает.

      Комментарии:

    #6 написал: Илья | [цитировать]

     
     

    Учитывая что КПД пьезотрансформаторов 95%, и при этом в них происходит два преобразования - из электричества в механику и обратно, как то слабо верится в эти ваши 0.12%

      Комментарии:

    #7 написал: Максим | [цитировать]

     
     

    Пока мы продаем газ и нефть, вся пьезо, солнце, дуво энергия не выгодна для разработок.

      Комментарии:

    #8 написал: Саид | [цитировать]

     
     

    Занимаюсь исследованием методов получения энергии на пьезокристаллах. Скажу Вам, что будущее есть у этих камушек. Сами подумайте, если зажигалка дает от 0,9 до 1,2 Мвт, как может быть КПД быть 0,12%?????  Я заряжаю аккумуляторы пьезокристаллами, и очень прекрасно. Готов сотрудничать с людьми для которых интересна тема получении энергии. Есть и другие мысли по получении энергии.

      Комментарии:

    #9 написал: Станислав | [цитировать]

     
     

    Саид,
    напишите мне на почту stanfoto@yandex.ru очень интересно.

      Комментарии:

    #10 написал: Виктор | [цитировать]

     
     

    Саид,
    Напишите мне: kvi48@bk.ru

      Комментарии:

    #11 написал: Геннадий | [цитировать]

     
     

    Мной уже давно создано изобретение, которое работает на пьезоэлементах с КПД больше 300 процентов, была подана заявка в патентное бюро, в ФИПСе его зарегистрировали и на этом все закончилось, вот уже более трех лет не ответа ни привета, мой патентовод сказала, что патент на модель мне не видать, пока в России есть газ и нефть. Геннадий Kolanchuk@Gmail.com

    Саид,
    Было бы интересно вместе сработаться, есть наработки очень интересные по пьезоэлементам.

      Комментарии:

    #12 написал: крис | [цитировать]

     
     

    Саид,
    Саид, напишите плиз

    Добавление комментария
    Имя:*
    E-Mail:
    Комментарий:
    Введите код: *

    Электрика дома  | Электрообзоры  | Энергосбережение
    Секреты электрика | Источники света | Делимся опытом
    Домашняя автоматика | Электрика для начинающих
    Электромастерская | Электротехнические новинки

    Электрик Инфо - электротехника и электроника, домашняя автоматизация, статьи про устройство и ремонт домашней электропроводки, розетки и выключатели, провода и кабели, источники света, обзоры электротехнических новинок, интересные факты и многое другое для электриков и домашних мастеров.
    Copyright © 2008-2016 electrik.info
    Е-mail: electroby@mail.ru Сайт в Google+
    Вся информация на сайте Электрик Инфо предоставлена в ознакомительных и познавательных целях. За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет. Сайт может содержать материалы 12+
    Перепечатка материалов сайта запрещена.

    Полезное

    Светодиодные лампы и светильники IEK