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Los piezogeneradores son nuevas fuentes de electricidad. ¿Fantasía o realidad?
Una delgada película piezoeléctrica en el cristal de una ventana que absorbe el ruido de la calle y la convierte en energía para cargar el teléfono. Peatones en las aceras, escaleras mecánicas de metro que cargan baterías de iluminación autónomas a través de transductores piezoeléctricos. Flujos densos de automóviles en carreteras transitadas, que generan megavatios de electricidad, que es suficiente para ciudades y pueblos enteros.
Ciencia ficción? Desafortunadamente, sí hasta ahora, y esto puede permanecer. Existe una alta probabilidad de que la emoción en torno a mensajes sensacionales sobre perspectivas maravillosas pronto termine generadores de energía piezoeléctrica. Y nuevamente soñaremos con la energía eléctrica segura, renovable y, para ser honesta, barata recibida con la participación de otros fenómenos. Después de todo, la lista de efectos físicos es notablemente larga.
El fenómeno de la piezoelectricidad. fue descubierto por los hermanos Jackson y Pierre Curie en 1880 y desde entonces se ha generalizado en ingeniería de radio y tecnología de medición. Consiste en el hecho de que la fuerza aplicada a la muestra de un material piezoeléctrico conduce a la aparición de una diferencia de potencial en los electrodos. El efecto es reversible, es decir. También se observa el fenómeno opuesto: al aplicar voltaje a los electrodos, la muestra se deforma.
Dependiendo de la dirección de conversión de energía los piezoeléctricos se dividen en generadores (conversión directa) y motores (inversos). El término "generadores piezoeléctricos" no caracteriza la eficiencia de conversión, sino solo la dirección de la conversión de energía.
Exactamente El primer fenómeno asociado con la generación de electricidad bajo tensión mecánica.En los últimos años, los ingenieros e inventores se han interesado. Desde una cornucopia, hubo informes de la posibilidad de obtener energía eléctrica, utilizando el ruido de la calle, el movimiento de las olas y el viento, y las cargas del movimiento de personas y automóviles.
Hoy, se conocen varios ejemplos del uso práctico de dicha energía. En la estación de metro Marunuchi en Tokio, se instalan generadores piezoeléctricos en la sala de boletos. La acumulación de pasajeros es suficiente para controlar los torniquetes.
En Londres, en una discoteca de élite, los generadores piezoeléctricos alimentan varias lámparas que estimulan el baile y ... la venta de refrescos. Los encendedores piezoeléctricos se han convertido en algo común. Ahora cualquier fumador lleva su propia "central eléctrica" en el bolsillo.
Hace relativamente poco tiempo, la comunidad mundial difundió un mensaje sobre los sistemas de prueba para generar energía a partir de vehículos en movimiento. Científicos israelíes de una pequeña empresa Innowattech calculó que 1 kilómetro de la autopista puede generar energía eléctrica de hasta 5 MW. No solo realizaron los cálculos, sino que también descubrieron varias decenas de metros de la carretera y montaron sus generadores piezoeléctricos debajo de ella. Parecía que finalmente se había producido un gran avance en el campo de la energía alternativa. Pero esto plantea serias dudas.
Consideremos con más detalle la física de los procesos que ocurren en piezoeléctricos. Para familiarizarse con los principios de generación de energía mediante materiales piezoeléctricos, es suficiente la comprensión de varios mecanismos básicos. Durante la acción mecánica sobre el elemento piezoeléctrico, los átomos se desplazan en la red cristalina asimétrica del material. Este desplazamiento conduce a la aparición de un campo eléctrico, que induce (induce) cargas en los electrodos del elemento piezoeléctrico.
A diferencia de un condensador convencional, cuyas placas pueden ahorrar cargas durante mucho tiempo, las cargas inducidas del elemento piezoeléctrico se retienen solo mientras actúe la carga mecánica. Es en este momento que se puede obtener energía del elemento. Después de retirar la carga, las cargas inducidas desaparecen. Esencialmente El elemento piezoeléctrico es una fuente de corriente insignificante con una resistencia interna muy alta.
Como los especialistas de Innowattech no consideraron necesario compartir los resultados de su experimento con el público en general, trataremos de hacer estimaciones numéricas aproximadas de la efectividad del trabajo de los piezoeléctricos como fuente de energia. Como objeto para los cálculos, tomamos el habitual piezo-encendedor doméstico, el único producto que ahora se usa ampliamente.
De la abundancia de características técnicas de los materiales piezoeléctricos, solo necesitamos unos pocos. Este es el valor del módulo piezoeléctrico, que para piezoeléctricos comunes (y otros aún no producen otros) oscila entre 200 y 500 picocoulones (10 a menos 12 grados) por newton, y caracteriza la eficiencia de la generación de carga bajo la influencia de la fuerza.
Esta característica no depende del tamaño del elemento piezoeléctrico, pero está completamente determinada por las propiedades del material. Por lo tanto, tratar de hacer convertidores más potentes aumentando las dimensiones geométricas no tiene sentido. La capacidad de las placas piezoeléctricas más ligeras es conocida y es de aproximadamente 40 picofaradios.
El sistema de palanca para transmitir fuerza al elemento piezoeléctrico crea una carga de aproximadamente 1000 Newtons. El espacio en el que salta la chispa es de 5 mm. La rigidez dieléctrica del aire se toma 1 kV / mm. Con tales datos iniciales ¡un encendedor genera chispas que varían en potencia de 0.9 a 2.2 megavatios!
Pero no tengas miedo. La duración de la descarga es de solo 0.08 nanosegundos, por lo tanto, estos enormes valores de potencia. El cálculo de la energía total generada por el encendedor da un valor de solo 600 microjulios. En este caso, la eficiencia del encendedor, teniendo en cuenta el hecho de que la fuerza mecánica a través del sistema de palanca se transmite completamente al piezoeléctrico, es solo ... 0,12%.
Los esquemas de recuperación de energía propuestos en varios proyectos están cerca de los modos de operación de los encendedores. Los elementos piezoeléctricos individuales generan un alto voltaje que atraviesa el espacio de descarga y la corriente fluye hacia el rectificador y luego al dispositivo de almacenamiento, por ejemplo, un ionistor. La conversión de energía adicional es estándar y no interesa.
Pasemos de encendedores a la tarea de generar energía a escala industrial. Deje que se usen los elementos más eficientes que generan 10 milivatios por elemento. Recogidos en grupos (grupos) de 100-200 elementos, se colocan debajo de la plataforma. Luego, para obtener el valor de potencia declarado del orden de 1 MW por kilómetro de la carretera, solo se requerirán ... 100 millones de elementos individuales con esquemas individuales de eliminación de energía. Queda la tarea de resumirlo, transformarlo y transmitirlo al consumidor. Al mismo tiempo, las corrientes de los elementos, teniendo en cuenta la carga cambiante en la carretera, se ubicarán en el rango de nano o incluso picoamperios.
Al adquirir proyectos similares para obtener energía del efecto piezoeléctrico, uno puede rogar involuntariamente la analogía con una central hidroeléctrica, en la que las turbinas operan a partir de la humedad del rocío de la mañana, cuidadosamente recolectadas de los campos circundantes.
¿Pero qué pasa con el experimento de la compañía israelí? El informe sobre los resultados de "demolición" en la carretera no apareció. Pero antes de la implementación del contrato de energía de la autopista Venecia-Trieste, que Innowattech firmó.
Hay una versión sobre esto: esta es una empresa de tipo startup, es decir Capital de inversión de alto riesgo. Tras recibir resultados preliminares más que modestos de los investigadores, sus fundadores decidieron justificar el dinero gastado por los inversores y realizaron un excelente movimiento de marketing: realizaron una prueba efectiva con la participación de la prensa. Y todo el mundo comenzó a hablar de una pequeña empresa. Y en este ruido, se perdió la pregunta principal: ¿dónde están los megavatios de energía barata?
En resumen, solo se puede sacar una conclusión: los elementos piezoeléctricos nunca se convertirán fuentes alternativas de electricidad a escala industrial. El alcance de sus aplicaciones se limitará a fuentes y sensores de baja potencia (micropotencia). ¡Qué lástima, qué hermosa idea!
Ver también en electro-es.tomathouse.com
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