Os piezogeneradores são novas fontes de eletricidade. Fantasia ou realidade?

Um filme piezoelétrico fino em uma vidraça que absorve o ruído da rua e o converte em energia para carregar o telefone. Pedestres nas calçadas, escadas rolantes de metrô que carregam baterias autônomas de iluminação através de transdutores piezo. Densos fluxos de carros em ruas movimentadas, gerando megawatts de eletricidade, o que é suficiente para cidades e vilas inteiras.

Ficção científica? Infelizmente, por enquanto, sim, e isso pode permanecer. Há uma alta probabilidade de que o hype em torno de mensagens sensacionais sobre perspectivas maravilhosas acabe em breve geradores de energia piezoelétricos. E voltaremos a sonhar com uma energia elétrica segura, renovável e, para ser honesta, barata recebida com o envolvimento de outros fenômenos. Afinal, a lista de efeitos físicos é notavelmente longa.

O fenômeno da piezoeletricidade foi descoberto pelos irmãos Jackson e Pierre Curie em 1880 e desde então se difundiu em engenharia de rádio e tecnologia de medição. Consiste no fato de que a força aplicada à amostra de um material piezoelétrico leva ao aparecimento de uma diferença de potencial nos eletrodos. O efeito é reversível, ou seja, o fenômeno oposto também é observado: aplicando tensão nos eletrodos, a amostra é deformada.

Dependendo da direção da conversão de energia piezoelétricos são divididos em geradores (conversão direta) e motores (inversos). O termo "geradores piezoelétricos" não caracteriza a eficiência de conversão, mas apenas a direção da conversão de energia.

Exatamente o primeiro fenômeno associado à geração de eletricidade sob estresse mecânico, nos últimos anos, engenheiros e inventores se interessaram. A partir de uma cornucópia, houve relatos da possibilidade de obter energia elétrica, utilizando barulho da rua, movimento de ondas e vento e cargas do movimento de pessoas e carros.

Hoje, vários exemplos do uso prático dessa energia são conhecidos. Na estação de metrô Marunuchi, em Tóquio, geradores piezoelétricos são instalados na sala de ingressos. O acúmulo de passageiros é suficiente para controlar catracas.

Em Londres, em uma discoteca de elite, os geradores piezoelétricos alimentam várias lâmpadas que estimulam a dança e ... a venda de refrigerantes. Isqueiros piezoelétricos tornaram-se comuns. Agora, qualquer fumante carrega sua própria "central elétrica" ​​no bolso.

Recentemente, uma mensagem foi divulgada pelo público mundial sobre testes de sistemas para gerar energia a partir de veículos em movimento. Cientistas israelenses de uma pequena empresa Innowattech calculou que 1 quilômetro da rodovia pode gerar energia elétrica de até 5 MW. Eles não apenas realizaram os cálculos, mas também descobriram várias dezenas de metros da rodovia e montaram seus geradores piezoelétricos sob ela. Parecia que finalmente houve um avanço no campo da energia alternativa. Mas isso levanta sérias dúvidas.

Vamos considerar com mais detalhes a física dos processos que ocorrem em piezoelétricos. Para se familiarizar com os princípios de geração de energia por materiais piezoelétricos, é suficiente uma compreensão de vários mecanismos básicos. Quando um elemento piezoelétrico é acionado mecanicamente, os átomos são deslocados na rede cristalina assimétrica do material. Esse deslocamento leva ao aparecimento de um campo elétrico, que induz (induz) cargas nos eletrodos do elemento piezoelétrico.

Ao contrário de um capacitor convencional, cujas placas podem economizar cargas por um longo tempo, as cargas induzidas do elemento piezoelétrico são retidas apenas enquanto a carga mecânica atuar. É neste momento que a energia pode ser obtida a partir do elemento. Após a remoção da carga, as cargas induzidas desaparecem. Essencialmente o elemento piezoelétrico é uma fonte de corrente insignificante com uma resistência interna muito alta.

Como os especialistas da Innowattech não consideraram necessário compartilhar os resultados de seu experimento com o público em geral, tentaremos fazer estimativas numéricas aproximadas da eficácia do trabalho dos piezoelétricos como fonte de energia. Como objeto de cálculos, usamos o isqueiro piezo habitual - o único produto que agora é amplamente utilizado.

Da abundância de características técnicas dos materiais piezoelétricos, precisamos de apenas alguns. Esse é o valor do módulo piezoelétrico, que para piezoelétricos comuns (e outros ainda não liberam a indústria) varia de 200 a 500 picocoulons (10 a menos 12 graus) por newton e caracteriza a eficiência da geração de carga sob a influência da força.

Essa característica não depende do tamanho do elemento piezoelétrico, mas é completamente determinada pelas propriedades do material. Portanto, tentar fazer conversores mais poderosos aumentando as dimensões geométricas é inútil. A capacidade das placas piezoelétricas mais leves é conhecida e é de cerca de 40 picofarads.

O sistema de alavanca para transmitir força ao elemento piezoelétrico cria uma carga de aproximadamente 1000 Newtons. O intervalo em que a faísca salta é de 5 mm. A resistência dielétrica do ar é de 1 kV / mm. Com esses dados iniciais um isqueiro gera faíscas com potência de 0,9 a 2,2 megawatts!

Mas não tenha medo. A duração da descarga é de apenas 0,08 nanossegundos, portanto, enormes valores de potência. O cálculo da energia total gerada pelo isqueiro fornece um valor de apenas 600 microjoules. Nesse caso, a eficiência do isqueiro, levando em consideração o fato de que a força mecânica através do sistema de alavanca é completamente transmitida ao piezoelétrico, é de apenas ... 0,12%.

Os esquemas de recuperação de energia propostos em vários projetos estão próximos dos modos de operação dos isqueiros. Os elementos piezoelétricos individuais geram uma alta tensão, que rompe a folga de descarga, e a corrente flui para o retificador e depois para o dispositivo de armazenamento, por exemplo, um ionistor. Conversão de energia adicional é padrão e sem interesse.

Vamos passar de isqueiros para a tarefa de gerar energia em escala industrial. Use os elementos mais eficientes que geram 10 miliwatts por elemento. Coletados em grupos (grupos) de 100 a 200 elementos, eles são colocados sob o leito da estrada. Então, para obter o valor declarado de energia da ordem de 1 MW por quilômetro da estrada, apenas ... 100 milhões de elementos individuais com esquemas individuais de remoção de energia serão necessários. Resta a tarefa de resumir, transformar e transmitir ao consumidor. Ao mesmo tempo, as correntes dos elementos, levando em consideração a mudança de carga na estrada, situam-se na faixa de nano ou mesmo picoamperes.

Familiarizados com projetos semelhantes para obter energia a partir do efeito piezoelétrico, pode-se implorar involuntariamente a analogia com uma usina hidrelétrica, na qual as turbinas trabalham com a umidade do orvalho da manhã, cuidadosamente coletadas dos campos circundantes.

Mas e o experimento da empresa israelense? O relatório sobre os resultados de "destruição" na estrada não apareceu. Mas antes da implementação do contrato de energia da rodovia Veneza-Trieste, assinada pela Innowattech.

Há uma versão sobre isso: essa é uma empresa do tipo startup, ou seja, capital de investimento de alto risco. Tendo recebido resultados preliminares mais que modestos dos pesquisadores, seus fundadores decidiram justificar o dinheiro gasto pelos investidores e realizaram uma excelente jogada de marketing - eles realizaram um teste eficaz com a participação da imprensa. E o mundo inteiro começou a falar sobre uma pequena empresa. E nesse barulho, a principal questão foi perdida: onde estão os megawatts de energia barata?

Em resumo, apenas uma conclusão pode ser tirada: os elementos piezoelétricos nunca se tornarão fontes alternativas de eletricidade em escala industrial. O escopo de suas aplicações será limitado a fontes e sensores de baixa potência (micropoder). Que pena, que ideia tão linda!