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I piezogeneratori sono nuove fonti di elettricità. Fantasia o realtà?
Un sottile film piezoelettrico su un vetro della finestra che assorbe il rumore della strada e lo converte in energia per caricare il telefono. Pedoni sui marciapiedi, scale mobili della metropolitana che caricano batterie di illuminazione autonome attraverso trasduttori piezoelettrici. Dense correnti di automobili su strade trafficate, che generano megawatt di elettricità, che è sufficiente per intere città.
Fantascienza? Sfortunatamente, per ora, sì, e questo potrebbe rimanere. C'è un'alta probabilità che l'hype attorno ai messaggi sensazionali su meravigliose prospettive finirà presto generatori di energia piezoelettrica. E sogneremo di nuovo un'energia elettrica sicura, rinnovabile e, per essere onesta, economica, ricevuta con il coinvolgimento di altri fenomeni. Dopotutto, l'elenco degli effetti fisici è notevolmente lungo.
Il fenomeno della piezoelettricità fu scoperto dai fratelli Jackson e Pierre Curie nel 1880 e da allora si è diffuso nell'ingegneria radio e nella tecnologia di misurazione. Consiste nel fatto che la forza applicata al campione del materiale piezoelettrico porta alla comparsa di potenziali differenze sugli elettrodi. L'effetto è reversibile, ad es. si osserva anche il fenomeno opposto: applicando tensione agli elettrodi, il campione viene deformato.
A seconda della direzione della conversione di energia i piezoelettrici sono divisi in generatori (conversione diretta) e motori (inversa). Il termine "generatori piezoelettrici" non caratterizza l'efficienza di conversione, ma solo la direzione della conversione di energia.
cioè il primo fenomeno associato alla generazione di elettricità sotto stress meccanico, negli ultimi anni, ingegneri e inventori si sono interessati. Come da una cornucopia, i messaggi venivano trasmessi in streaming sulle possibilità di ottenere energia elettrica, utilizzando il rumore della strada, il movimento delle onde e del vento e i carichi di persone e macchine in movimento.
Oggi sono noti diversi esempi dell'uso pratico di tale energia. Alla stazione della metropolitana Marunuchi di Tokyo, i generatori piezoelettrici sono installati nella biglietteria. L'accumulo di passeggeri è sufficiente per controllare i tornelli.
A Londra, in una discoteca d'élite, i generatori piezoelettrici alimentano diverse lampade che stimolano la danza e ... la vendita di bevande analcoliche. Gli accendini piezoelettrici sono diventati all'ordine del giorno. Ora ogni fumatore porta in tasca la propria "centrale elettrica".
Di recente, la comunità mondiale ha lanciato un messaggio sui sistemi di prova per la generazione di energia dai veicoli in movimento. Scienziati israeliani di una piccola azienda Innowattech calcolato quello 1 chilometro dell'autostrada può generare energia elettrica fino a 5 MW. Non solo eseguirono i calcoli, ma scoprirono anche diverse decine di metri dell'autostrada e montarono i loro generatori piezoelettrici sotto di essa. Sembrava che finalmente fosse arrivata una svolta nel campo dell'energia alternativa. Ma ciò solleva seri dubbi.
Consideriamo più in dettaglio la fisica dei processi che si verificano in piezoelettrico. Per conoscere i principi della generazione di energia da parte dei materiali piezoelettrici, è sufficiente comprendere diversi meccanismi di base. Quando un elemento piezoelettrico viene azionato meccanicamente, gli atomi vengono spostati nel reticolo cristallino asimmetrico del materiale. Questo spostamento porta alla comparsa di un campo elettrico, che induce (induce) cariche sugli elettrodi dell'elemento piezoelettrico.
A differenza di un condensatore convenzionale, le cui piastre possono risparmiare cariche a lungo, le cariche indotte dell'elemento piezoelettrico vengono mantenute solo finché il carico meccanico agisce. È in questo momento che l'energia può essere ottenuta dall'elemento. Dopo la rimozione del carico, le cariche indotte scompaiono. In realtà, l'elemento piezoelettrico è una sorgente di corrente insignificante con un'altissima resistenza interna.
Poiché gli specialisti di Innowattech non hanno ritenuto necessario condividere i risultati del loro esperimento con il pubblico in generale, proveremo a fare delle stime numeriche approssimative sull'efficacia del lavoro dei piezoelettrici come fonte di energia. Come oggetto di calcolo, prendiamo un normale accendino piezoelettrico per uso domestico - l'unico prodotto che è ora ampiamente utilizzato.
Dall'abbondanza di caratteristiche tecniche dei materiali piezoelettrici, ne abbiamo bisogno solo alcuni. Questo è il valore del modulo piezoelettrico, che per i comuni (e altri ancora non ne producono altri) varia da 200 a 500 picocoulons (da 10 a meno 12 gradi) per Newton e caratterizza l'efficienza della generazione di carica sotto l'influenza della forza.
Questa caratteristica non dipende dalla dimensione dell'elemento piezoelettrico, ma è completamente determinata dalle proprietà del materiale. Pertanto, cercare di creare convertitori più potenti aumentando le dimensioni geometriche non ha senso. La capacità delle piastre piezoelettriche più leggere è nota ed è di circa 40 picofarad.
Il sistema a leva per la trasmissione della forza all'elemento piezoelettrico crea un carico di circa 1000 Newton. Lo spazio in cui la scintilla salta è di 5 mm. La rigidità dielettrica dell'aria è di 1 kV / mm. Con tali dati iniziali un accendino genera scintille che variano in potenza da 0,9 a 2,2 megawatt!
Ma non aver paura. La durata della scarica è di soli 0,08 nanosecondi, quindi valori di potenza così enormi. Il calcolo dell'energia totale generata dall'accendino dà un valore di soli 600 microjoule. In questo caso, l'efficienza dell'accendino, tenendo conto del fatto che la forza meccanica attraverso il sistema a leva è completamente trasmessa al piezoelettrico, è solo ... 0,12%.
Gli schemi di recupero energetico proposti in vari progetti sono vicini alle modalità operative degli accendini. I singoli elementi piezoelettrici generano un'alta tensione che attraversa lo spazio di scarica e la corrente fluisce verso il raddrizzatore e quindi verso il dispositivo di memorizzazione, ad esempio uno ionistore. L'ulteriore conversione di energia è standard e di nessun interesse.
Passiamo dagli accendini al compito di generare energia su scala industriale. Consentire l'utilizzo degli elementi più efficienti che generano 10 milliwatt per elemento. Raccolti in gruppi (gruppi) di 100-200 elementi, vengono posizionati sotto il fondo stradale. Quindi, per ottenere il valore di potenza dichiarato dell'ordine di 1 MW per chilometro di strada, saranno necessari solo ... 100 milioni di singoli elementi con schemi individuali di rimozione dell'energia. Resta il compito di riassumere, trasformarlo e trasmetterlo al consumatore. Allo stesso tempo, le correnti degli elementi, tenendo conto del carico variabile sulla carreggiata, si troveranno nella gamma di nano o addirittura picoamper.
Acquisendo progetti simili per ottenere energia dall'effetto piezoelettrico, si può involontariamente elogiare l'analogia con una centrale idroelettrica, in cui le turbine operano dall'umidità della rugiada mattutina, accuratamente raccolta dai campi circostanti.
Ma che dire dell'esperimento della compagnia israeliana? Il rapporto sui risultati di "demolizione" sull'autostrada non è apparso. Ma prima dell'implementazione del contratto per l'energia dall'autostrada Venezia-Trieste, che Innowattech ha firmato.
Esiste una versione al riguardo: è una società di tipo startup, ad es. capitale di investimento ad alto rischio. Avendo ricevuto più che modesti risultati preliminari dai ricercatori, i suoi fondatori hanno deciso di giustificare il denaro investito e investito in un'eccellente mossa di marketing: hanno condotto un test efficace con la partecipazione della stampa. E il mondo intero ha iniziato a parlare di una piccola azienda. E in questo rumore, la domanda principale è andata persa: dove sono i megawatt di energia a basso costo?
Riassumendo, si può trarre solo una conclusione: gli elementi piezoelettrici non diventeranno mai fonti alternative di elettricità su scala industriale. L'ambito delle loro applicazioni sarà limitato alle fonti di alimentazione e ai sensori a bassa potenza (micropotenza). Che peccato, un'idea così bella!
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