Электроэнергетический потенциал пьезоэлектрического эффекта

Пьезоэлектрические кристаллы на тротуарах крупных мегаполисов сожмутся десятки тысяч раз ежедневно под ногами пешеходов

Определенные кристаллы, когда испытывают механическую нагрузку, например, сжатие, создают электрический потенциал, интенсивность которого пропорциональна приложенной силе. Если кристалл возвращается в исходное состояние, то при повторном механическом воздействии электрическое напряжение появляется вновь. Кварц наиболее известен из кристаллов, которые демонстрируют это свойство - пьезоэлектрический эффект.

Пьезоэлектрический эффект

До тех пор, пока пьезоэлектрический материал остается цел, не деформирован и не разрушен, что неизбежно со временем, электрическое напряжение появляется каждый раз, когда возникает очередная механическая нагрузка. Если это напряжение подать в цепь, потечет электрический ток. Пьезоэлектрические материалы способны вырабатывать электроэнергию.

В мире возобновляемой и чистой энергии, пьезоэлектричество предлагает варианты снизить зависимость энергетических систем от ископаемого топлива.

Пьезоэлектрические кристаллы на тротуарах крупных мегаполисов сожмутся десятки тысяч раз ежедневно под ногами пешеходов. Пьезоэлектрики у основания мощного водопада столкнутся с водной массой и гравитационным ускорением. Это идеи пьезоэлектрической выработки электроэнергии.

Существующие примеры использования пьезоэлектрических кристаллов

Случаев крупномасштабной выработки пьезоэлектрической энергии немного. Можно привести один хорошо задокументированный пример - это танцевальный клуб Club Watt в Роттердаме.

В 2008 г. в этом клубе соорудили пьезоэлектрический танцпол площадью 25 м². По словам представителей клуба, один человек среднего телосложения, танцуя, производил примерно 20 ватт-час электроэнергии.

Организаторы надеялись, что 10 % энергопотребления клуба покроются за счет пьезоэлектрического пола. Решение стоило 257 000 долларов - это почти 1000 долларов за 0,1 м² - недешевая затея.

Эффективность пьезоэлектрических устройств

Наибольшие успехи в области пьезоэлектрических материалов достигнуты с помощью керамики, цирконата-титаната свинца и поливинилиденфторида.

Цирконат-титанат - дешевый и легкодоступный материал, а поливинилиденфторид более прочен и лучше переносит кратковременные нагрузки. Эффективность преобразования начального механического напряжения в полезную энергию, безусловно, зависит от материала.

Общего мнения относительно верхнего предела эффективности преобразования энергии пьезоэлектрическими материалами не существует. Оптимисты заявляют, что КПД достигает более 80 %. Другие приводят математические доказательства того, что абсолютный максимум эффективности пьезоэлектриков составляет не более 44 %. КПД по результатам реальных испытаний с конкретно взятым пьезоэлектрическим материалом составил всего 0,72 %.

Человек весом 100 кг, который танцует средним темпом (один шаг в секунду) и сдавливает каждый раз на 0,5 см пьезоэлектрический диск с идеальной эффективностью преобразования, производит:

100 кг × 9,8 м / сек² × 0,005 м = 4,9 Дж

Разделим количество джоулей на время между прыжками и получим:

4,9 Дж / 1 сек = 4,9 Вт

Стандартная лампочка мощностью 100 Вт загорит, если одновременно будет танцевать более 20 человек. Фактически людей потребуется намного больше. Таков итог.

Источник: Stanford University