Электроэнергетический потенциал пьезоэлектрического эффекта

Если представить, что пьезоэлектрические кристаллы будут размещены на тротуарах крупных мегаполисов, то они будут подвергаться сжатию десятки тысяч раз ежедневно под ногами пешеходов. Или, если пьезоэлектрические материалы расположить у основания мощного водопада, то огромная масса воды и гравитационное ускорение будут многократно нагружать кристаллы

Когда определенные типы кристаллов испытывают механическую нагрузку, например, сжатие, то возникает электрический потенциал, интенсивность которого пропорциональна приложенной силе. Если кристаллу дать возможность вернуться в исходное состояние, то при повторении механического воздействия электрическое напряжение появится вновь. Кварц, пожалуй, самый известный кристалл, демонстрирующий это свойство, называемое пьезоэлектрическим эффектом.

Пьезоэлектрический эффект

Важно отметить, что до тех пор, пока пьезоэлектрический материал остается цел, не деформирован и не разрушен, что неизбежно со временем, то электрическое напряжение будет создаваться каждый раз, когда возникает очередная механическая нагрузка. Если это напряжение подать в цепь, возникнет электрический ток, поэтому пьезоэлектрические материалы можно использовать для выработки электричества. В мире, который стремится к возобновляемой и чистой энергии, пьезоэлектричество дает возможность снизить зависимость энергетических систем от ископаемого топлива, используемого при производстве электроэнергии.

Если представить, что пьезоэлектрические кристаллы будут размещены на тротуарах крупных мегаполисов, то они будут подвергаться сжатию десятки тысяч раз ежедневно под ногами пешеходов. Или, если пьезоэлектрические материалы расположить у основания мощного водопада, то огромная масса воды и гравитационное ускорение будут многократно нагружать кристаллы.

Примеры существующих применений пьезоэлектрических кристаллов

Случаев крупномасштабного использования пьезоэлектрической энергии немного, но есть один конкретный хорошо задокументированный пример - это танцевальный клуб Club Watt, организованный в Роттердаме. В 2008 г. в нем находился пьезоэлектрический танцпол площадью 25 м². По словам представителей этого клуба, один человек среднего телосложения, танцуя, производил примерно 20 ватт-час электроэнергии. Организаторы надеялись, что 10% своей потребности в электричестве они будут удовлетворять за счет пьезоэлектрического пола. Однако пол стоимостью 257 000 долларов - это почти 1000 долларов за 0,1 м² - недешевая затея.

Эффективность пьезоэлектрических устройств

Наибольшие успехи в области пьезоэлектрических материалов достигнуты с использованием керамики, цирконата-титаната свинца и поливинилиденфторида. Цирконат-титанат - дешевый и легкодоступный материал, в то время как поливинилиденфторид более устойчив и лучше переносит кратковременные нагрузки. Эффективность преобразования начального механического напряжения в полезную энергию, безусловно, зависит от используемого материала. На данный момент консенсус относительно верхнего предела эффективности преобразования энергии пьезоэлектрическими материалами отсутствует. Оптимисты заявляют, что она может достигать более 80%. Другие приводят математические доказательства того, что абсолютный максимум эффективности пьезоэлектриков составляет не более 44 %. В ходе реальных испытаний измеренный КПД преобразования энергии, конкретно взятым пьезоэлектрическим материалом, составил всего 0,72%.

Если рассматривать человека весом 100 кг, который танцует со средним темпом (один шаг в секунду) и сдавливает пьезоэлектрический диск каждый раз на 0,5 см, то для пьезоэлектрического материала с идеальной эффективностью преобразования, энергопроизводительность на шаг составит:

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

Разделив количество джоулей на время между прыжками, получится:

4,9 Дж / 1сек = 4,9 Вт

Если взять стандартную лампочку мощностью 100 Вт, то, чтобы ее зажечь, нужно, чтобы одновременно танцевало более 20 человек. Фактически людей потребуется намного больше.

Источник: Stanford University