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Piezogeneratoren sind neue Stromquellen. Fantasie oder Realität?
Ein dünner piezoelektrischer Film auf einer Fensterscheibe, der Straßenlärm absorbiert und in Energie umwandelt, um das Telefon aufzuladen. Fußgänger auf den Bürgersteigen, U-Bahn-Rolltreppen, die autonome Beleuchtungsbatterien über Piezo-Wandler aufladen. Dichte Autoströme auf stark befahrenen Straßen erzeugen Megawatt Strom, was für ganze Städte und Gemeinden ausreicht.
Science Fiction? Leider vorerst ja, und das kann bleiben. Es besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass der Hype um sensationelle Botschaften über wunderbare Perspektiven bald endet piezoelektrische Energieerzeuger. Und wir werden wieder von sicherer, erneuerbarer und, um ehrlich zu sein, billiger elektrischer Energie träumen, die unter Einbeziehung anderer Phänomene erhalten wird. Immerhin ist die Liste der physikalischen Effekte bemerkenswert lang.
Das Phänomen der Piezoelektrizität wurde 1880 von den Brüdern Jackson und Pierre Curie entdeckt und ist seitdem in der Funktechnik und Messtechnik weit verbreitet. Es besteht darin, dass die auf die Probe eines piezoelektrischen Materials ausgeübte Kraft zum Auftreten einer Potentialdifferenz an den Elektroden führt. Der Effekt ist reversibel, d.h. Das entgegengesetzte Phänomen wird ebenfalls beobachtet: Wenn an die Elektroden Spannung angelegt wird, wird die Probe deformiert.
Abhängig von der Richtung der Energieumwandlung Piezoelektrika werden in Generatoren (direkte Umwandlung) und Motoren (invers) unterteilt.. Der Begriff "piezoelektrische Generatoren" kennzeichnet nicht die Umwandlungseffizienz, sondern nur die Richtung der Energieumwandlung.
Genau Das erste Phänomen, das mit der Erzeugung von Elektrizität unter mechanischer Belastung verbunden istIn den letzten Jahren haben sich Ingenieure und Erfinder dafür interessiert. Wie bei einem Füllhorn gab es Berichte über die Möglichkeit, elektrische Energie zu gewinnen, indem Straßenlärm, die Bewegung von Wellen und Wind und die Belastungen durch die Bewegung von Menschen und Autos genutzt werden.
Heute sind mehrere Beispiele für die praktische Verwendung solcher Energie bekannt. An der U-Bahnstation Marunuchi in Tokio sind im Fahrkartenraum piezoelektrische Generatoren installiert. Die Ansammlung von Passagieren reicht aus, um die Drehkreuze zu kontrollieren.
In London speisen piezoelektrische Generatoren in einer Elite-Disco mehrere Lampen, die zum Tanzen und zum Verkauf von Erfrischungsgetränken anregen. Piezoelektrische Feuerzeuge sind an der Tagesordnung. Jetzt hat jeder Raucher sein eigenes "Kraftwerk" in der Tasche.
Vor relativ kurzer Zeit hat die Weltgemeinschaft eine Botschaft über Testsysteme zur Energieerzeugung aus fahrenden Fahrzeugen in die Luft gesprengt. Israelische Wissenschaftler einer kleinen Firma Innowattech berechnete das 1 Kilometer der Autobahn kann Strom bis zu 5 MW erzeugen. Sie führten nicht nur die Berechnungen durch, sondern deckten auch mehrere zehn Meter der Autobahn auf und montierten ihre piezoelektrischen Generatoren darunter. Es schien, als sei endlich ein Durchbruch im Bereich der alternativen Energie gekommen. Dies wirft jedoch ernsthafte Zweifel auf.
Betrachten wir die Physik der in der Piezoelektrik ablaufenden Prozesse genauer. Um sich mit den Prinzipien der Energieerzeugung durch piezoelektrische Materialien vertraut zu machen, ist ein Verständnis mehrerer grundlegender Mechanismen ausreichend. Während der mechanischen Einwirkung auf das piezoelektrische Element werden Atome im asymmetrischen Kristallgitter des Materials verschoben. Diese Verschiebung führt zum Auftreten eines elektrischen Feldes, das Ladungen an den Elektroden des piezoelektrischen Elements induziert (induziert).
Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Kondensator, dessen Platten lange Zeit Ladungen sparen können, Die induzierten Ladungen des piezoelektrischen Elements bleiben nur so lange erhalten, wie die mechanische Belastung wirkt. Zu diesem Zeitpunkt kann Energie aus dem Element gewonnen werden. Nach dem Entfernen der Last verschwinden die induzierten Ladungen. Im Wesentlichen Das piezoelektrische Element ist eine unbedeutende Stromquelle mit einem sehr hohen Innenwiderstand.
Da die Spezialisten von Innowattech es nicht für notwendig hielten, die Ergebnisse ihres Experiments der Öffentlichkeit mitzuteilen, werden wir versuchen, grobe numerische Schätzungen der Wirksamkeit der Arbeit der Piezoelektrik als vorzunehmen Energiequelle. Als Berechnungsobjekt nehmen wir ein gewöhnliches Piezo-Feuerzeug für den Haushalt - das einzige Produkt, das heute weit verbreitet ist.
Aufgrund der Fülle technischer Eigenschaften piezoelektrischer Materialien benötigen wir nur wenige. Dies ist der Wert des piezoelektrischen Moduls, das für übliche (und andere noch nicht produzierte) Piezoelektrika im Bereich von 200 bis 500 Picocoulons (10 bis minus 12 Grad) pro Newton liegt und die Effizienz der Ladungserzeugung unter Krafteinfluss charakterisiert.
Diese Eigenschaft hängt nicht von der Größe des piezoelektrischen Elements ab, sondern wird vollständig von den Materialeigenschaften bestimmt. Daher ist es sinnlos, durch Erhöhen der geometrischen Abmessungen leistungsstärkere Konverter herzustellen. Die Kapazität der leichteren piezoelektrischen Platten ist bekannt und beträgt etwa 40 Picofarad.
Das Hebelsystem zur Kraftübertragung auf das piezoelektrische Element erzeugt eine Last von ungefähr 1000 Newton. Der Spalt, in den der Funke springt, beträgt 5 mm. Die Durchschlagfestigkeit der Luft beträgt 1 kV / mm. Mit solchen Anfangsdaten Ein Feuerzeug erzeugt Funken mit einer Leistung von 0,9 bis 2,2 Megawatt!
Aber keine Angst. Die Entladungsdauer beträgt nur 0,08 Nanosekunden, daher so große Leistungswerte. Die Berechnung der vom Feuerzeug erzeugten Gesamtenergie ergibt einen Wert von nur 600 Mikrojoule. In diesem Fall beträgt der Wirkungsgrad des Feuerzeugs unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die mechanische Kraft durch das Hebelsystem vollständig auf das Piezoelektrikum übertragen wird, nur ... 0,12%.
Die in verschiedenen Projekten vorgeschlagenen Energierückgewinnungsprogramme liegen in der Nähe der Betriebsarten von Feuerzeugen. Einzelne piezoelektrische Elemente erzeugen eine hohe Spannung, die den Entladungsspalt durchbricht, und der Strom fließt zum Gleichrichter und dann zur Speichervorrichtung, beispielsweise einem Ionistor. Eine weitere Energieumwandlung ist Standard und nicht von Interesse.
Gehen wir von Feuerzeugen zur Aufgabe über, Energie im industriellen Maßstab zu erzeugen. Es sollen die effizientesten Elemente verwendet werden, die 10 Milliwatt pro Element erzeugen. Sie werden in Clustern (Gruppen) von 100 bis 200 Elementen gesammelt und unter dem Straßenbett platziert. Um dann den deklarierten Leistungswert in der Größenordnung von 1 MW pro Kilometer Straße zu erhalten, sind nur ... 100 Millionen Einzelelemente mit individuellen Energieentfernungsschemata erforderlich. Es bleibt die Aufgabe, es zusammenzufassen, umzuwandeln und an den Verbraucher weiterzugeben. Gleichzeitig liegen die Ströme der Elemente unter Berücksichtigung der sich ändernden Belastung der Fahrbahn im Bereich von Nano- oder sogar Picoampere.
Wenn man ähnliche Projekte erwirbt, um Energie aus dem piezoelektrischen Effekt zu gewinnen, kann man unwillkürlich die Analogie zu einem Wasserkraftwerk heranziehen, in dem die Turbinen mit der Feuchtigkeit des Morgentaus betrieben werden, die sorgfältig aus den umliegenden Feldern gesammelt wurde.
Aber was ist mit dem Experiment der israelischen Firma? Der Bericht über die Ergebnisse der "Zerstörung" auf der Autobahn erschien nicht. Vor der Umsetzung des von Innowattech unterzeichneten Energievertrags für die Autobahn Venedig-Triest.
Es gibt eine Version dazu: Es handelt sich um ein Startup-Unternehmen, d. H. Investitionskapital mit hohem Risiko. Nachdem die Gründer mehr als bescheidene vorläufige Ergebnisse der Forscher erhalten hatten, beschlossen sie, das investierte Geld zu rechtfertigen und in einen hervorragenden Marketing-Schritt zu investieren - sie führten unter Beteiligung der Presse einen effektiven Test durch. Und die ganze Welt begann über ein kleines Unternehmen zu sprechen. Und bei diesem Lärm ging die Hauptfrage verloren: Wo sind die Megawatt billiger Energie?
Zusammenfassend lässt sich nur eine Schlussfolgerung ziehen: Piezoelektrische Elemente werden niemals alternative Stromquellen im industriellen Maßstab. Der Anwendungsbereich wird auf Stromquellen und Sensoren mit geringem Stromverbrauch (Mikropower) beschränkt sein. Wie schade, so eine schöne Idee!
Siehe auch auf electro-de.tomathouse.com
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