Zbieranie energii - Energy harvesting

Gromadzące energię (znany również jako pozyskiwania energii lub wychwytywania energii lub mocy otoczenia ) jest procesem, za pomocą którego energia pochodzi z zewnętrznego źródła (na przykład, energia słoneczna , energia cieplna , energia wiatru , gradientów zasolenia i energii kinetycznej , znane również jako energii otoczenia ), schwytany i przechowywane dla małych, autonomicznych urządzeń bezprzewodowych, takich jak te stosowane w noszenia elektroniki i bezprzewodowych sieci sensorowych .

Kombajny energetyczne zapewniają bardzo małą ilość mocy dla energooszczędnej elektroniki. Podczas gdy paliwo wejściowe do niektórych zasobów wytwarzania na dużą skalę (ropa, węgiel itp.), źródło energii dla kombajnów energetycznych jest obecne jako tło otoczenia. Na przykład, gradienty temperatury powstają w wyniku pracy silnika spalinowego, a na obszarach miejskich występuje duża ilość energii elektromagnetycznej w środowisku z powodu transmisji radiowych i telewizyjnych.

Jednym z najwcześniejszych zastosowań energii otoczenia pobieranej z otaczającego promieniowania elektromagnetycznego (EMR) jest radio kryształowe .

Zasady pozyskiwania energii z otoczenia EMR można zademonstrować za pomocą podstawowych komponentów.

Operacja

Urządzenia do pozyskiwania energii przekształcające energię otoczenia w energię elektryczną wzbudziły duże zainteresowanie zarówno w sektorze wojskowym, jak i komercyjnym. Niektóre systemy przekształcają ruch, na przykład fale oceaniczne, w energię elektryczną, która ma być wykorzystywana przez czujniki monitorowania oceanograficznego do autonomicznego działania. Przyszłe zastosowania mogą obejmować urządzenia o dużej mocy wyjściowej (lub macierze takich urządzeń) rozmieszczone w odległych lokalizacjach, aby służyć jako niezawodne elektrownie dla dużych systemów. Innym zastosowaniem jest elektronika do noszenia, w której urządzenia do zbierania energii mogą zasilać lub ładować telefony komórkowe, komputery przenośne, sprzęt do komunikacji radiowej itp. Wszystkie te urządzenia muszą być wystarczająco wytrzymałe, aby wytrzymać długotrwałe narażenie na nieprzyjazne środowisko i mieć szeroki zakres dynamicznych wrażliwość na wykorzystanie całego spektrum ruchów fal.

Akumulacja energii

Energia może być również pozyskiwana do zasilania małych autonomicznych czujników, takich jak czujniki opracowane przy użyciu technologii MEMS . Systemy te są często bardzo małe i wymagają niewielkiej mocy, ale ich zastosowania są ograniczone przez zależność od zasilania bateryjnego. Pozyskiwanie energii z wibracji otoczenia, wiatru, ciepła lub światła może umożliwić nieograniczoną funkcjonalność inteligentnych czujników.

Typowe gęstości mocy dostępne z urządzeń do pozyskiwania energii w dużym stopniu zależą od konkretnego zastosowania (wpływa na wielkość generatora) i samej konstrukcji generatora do pozyskiwania energii. Ogólnie rzecz biorąc, dla urządzeń napędzanych ruchem, typowe wartości to kilka µW/cm3 dla zastosowań zasilanych ludzkim ciałem i setki µW/cm3 dla generatorów zasilanych z maszyn. Większość urządzeń zużywających energię w urządzeniach elektronicznych do noszenia generuje bardzo małą moc.

Przechowywanie mocy

Ogólnie energia może być przechowywana w kondensatorze , superkondensatorze lub baterii . Kondensatory są używane, gdy aplikacja musi zapewnić ogromne skoki energii. Baterie wydzielają mniej energii i dlatego są używane, gdy urządzenie musi zapewnić stały przepływ energii. te aspekty baterii zależą od używanego typu. Powszechnym typem akumulatora, który jest używany do tego celu, jest akumulator kwasowo-ołowiowy lub litowo-jonowy, chociaż starsze typy, takie jak niklowo-wodorkowe, są nadal powszechnie stosowane. W porównaniu z akumulatorami superkondensatory mają praktycznie nieograniczoną liczbę cykli ładowania i rozładowania, dzięki czemu mogą działać w nieskończoność, umożliwiając bezobsługową pracę w urządzeniach IoT i bezprzewodowych czujnikach.

Korzystanie z mocy

Obecne zainteresowanie zbieraniem energii o małej mocy dotyczy niezależnych sieci czujników. W tych zastosowaniach schemat zbierania energii umieszcza energię zmagazynowaną w kondensatorze, a następnie zwiększa/reguluje do drugiego kondensatora magazynującego lub baterii do wykorzystania w mikroprocesorze lub w transmisji danych. Moc jest zwykle wykorzystywana w aplikacji czujnika , a dane są przechowywane lub przesyłane ewentualnie metodą bezprzewodową.

Motywacja

Historia pozyskiwania energii sięga czasów wiatraka i koła wodnego. Przez wiele dziesięcioleci ludzie szukali sposobów na przechowywanie energii z ciepła i wibracji. Jednym z motorów poszukiwań nowych urządzeń do pozyskiwania energii jest chęć zasilania sieci czujników i urządzeń mobilnych bez baterii. Pozyskiwanie energii jest również motywowane chęcią zajęcia się problemem zmiany klimatu i globalnego ocieplenia.

Źródła energii

Istnieje wiele źródeł energii na małą skalę, których generalnie nie można przeskalować do wielkości przemysłowej pod względem porównywalnej mocy wyjściowej z energią słoneczną, wiatrową lub falową o wielkości przemysłowej:

• Niektóre zegarki na rękę zasilane są energią kinetyczną (tzw. zegarki automatyczne ), w tym przypadku wykorzystuje się ruch ramienia. Ruch ramienia powoduje zwijanie się jego sprężyny . Nowszy projekt wprowadzony przez Seiko („Kinetic”) wykorzystuje ruch magnesu w generatorze elektromagnetycznym zamiast napędzać ruch kwarcu. Ruch zapewnia szybkość zmian strumienia, co powoduje pewne indukowane emf na cewkach. Pojęcie związane jest z prawem Faradaya .
• Fotowoltaika to metoda wytwarzania energii elektrycznej poprzez przekształcanie promieniowania słonecznego (zarówno w pomieszczeniach, jak i na zewnątrz) na energię elektryczną prądu stałego za pomocą półprzewodników wykazujących efekt fotowoltaiczny . Wytwarzanie energii fotowoltaicznej wykorzystuje panele słoneczne składające się z wielu ogniw zawierających materiał fotowoltaiczny. Zwróć uwagę, że fotowoltaika została przeskalowana do rozmiarów przemysłowych i że istnieją duże farmy słoneczne.
• Generatory termoelektryczne (TEG) składają się z połączenia dwóch różnych materiałów i obecności gradientu termicznego. Możliwe są duże wyjścia napięciowe poprzez połączenie elektryczne wielu złączy szeregowo i równolegle termicznie. Typowa wydajność wynosi 100–300 μV/K na złącze. Można je wykorzystać do wychwytywania mW energii z urządzeń przemysłowych, konstrukcji, a nawet ludzkiego ciała. Zazwyczaj są one połączone z radiatorami, aby poprawić gradient temperatury.
• Mikroturbiny wiatrowe są wykorzystywane do pozyskiwania energii wiatru łatwo dostępnej w środowisku w postaci energii kinetycznej do zasilania urządzeń elektronicznych małej mocy, takich jak bezprzewodowe węzły czujnikowe. Kiedy powietrze przepływa przez łopaty turbiny, powstaje różnica ciśnień netto pomiędzy prędkością wiatru powyżej i poniżej łopat. Spowoduje to wygenerowanie siły nośnej, która z kolei obraca ostrza. Podobnie jak fotowoltaika, farmy wiatrowe budowane są na skalę przemysłową i służą do wytwarzania znacznych ilości energii elektrycznej.
• Kryształy lub włókna piezoelektryczne generują niewielkie napięcie, gdy są odkształcane mechanicznie. Wibracje z silników mogą stymulować materiały piezoelektryczne, podobnie jak pięta buta lub naciśnięcie przycisku.
• Specjalne anteny mogą zbierać energię z rozproszonych fal radiowych, można to również zrobić za pomocą Rectenny i teoretycznie przy jeszcze wyższej częstotliwości promieniowania EM za pomocą Nanteny .
• Zasilanie z klawiszy naciśniętych podczas korzystania z przenośnego urządzenia elektronicznego lub pilota zdalnego sterowania, za pomocą magnesu i cewki lub piezoelektrycznych przetworników energii, może być wykorzystane do zasilania urządzenia.
• Zbieranie energii wibracyjnej w oparciu o indukcję elektromagnetyczną, która wykorzystuje magnes i cewkę miedzianą w najprostszych wersjach do generowania prądu, który można przekształcić w energię elektryczną.

Źródła promieniowania otoczenia

Potencjalnym źródłem energii są wszechobecne nadajniki radiowe. Historycznie, aby uzyskać użyteczne poziomy mocy z tego źródła, potrzebny jest duży obszar gromadzenia lub bliskość promieniującego bezprzewodowego źródła energii . Nantenna jest proponowane rozwoju, która przezwycięża to ograniczenie przez wykorzystanie obfitej promieniowanie naturalne (takie jak promieniowanie słoneczne ).

Jednym z pomysłów jest celowe nadawanie energii RF do zasilania i zbieranie informacji z urządzeń zdalnych: jest to obecnie powszechne w systemach pasywnej identyfikacji radiowej (RFID), ale Federalna Komisja ds. Bezpieczeństwa i Łączności USA (i równoważne organy na całym świecie) ograniczają maksymalną moc które mogą być w ten sposób przekazywane do użytku cywilnego. Ta metoda została wykorzystana do zasilania poszczególnych węzłów w bezprzewodowej sieci czujników

Przepływ cieczy

Przepływ powietrza może być zbierany za pomocą różnych technologii turbinowych i nieturbinowych generatorów. Wieżowe turbiny wiatrowe i systemy energetyki wiatrowej w powietrzu (AWES) wydobywają przepływ powietrza. Na przykład opatentowany mikrogenerator Windbeam firmy Zephyr Energy Corporation przechwytuje energię z przepływu powietrza w celu naładowania akumulatorów i zasilania urządzeń elektronicznych. Nowatorska konstrukcja Windbeam pozwala na cichą pracę przy prędkości wiatru do 2 mil na godzinę. Generator składa się z lekkiej belki zawieszonej na wytrzymałych, trwałych sprężynach w ramie zewnętrznej. Wiązka oscyluje gwałtownie pod wpływem przepływu powietrza ze względu na efekty wielu zjawisk przepływu płynu. Zespół alternatora liniowego przekształca ruch wiązki oscylacyjnej w użyteczną energię elektryczną. Brak łożysk i kół zębatych eliminuje nieefektywność tarcia i hałas. Generator może pracować w warunkach słabego oświetlenia, nieodpowiednich dla paneli słonecznych (np. kanały HVAC) i jest niedrogi ze względu na niskie koszty komponentów i prostą konstrukcję. Skalowalną technologię można zoptymalizować, aby spełnić wymagania energetyczne i ograniczenia projektowe danej aplikacji.

Przepływ krwi można również wykorzystać do zasilania urządzeń. Na przykład rozrusznik serca opracowany na Uniwersytecie w Bernie wykorzystuje przepływ krwi do nawijania sprężyny, która z kolei napędza elektryczny mikrogenerator.

Fotowoltaika

Bezprzewodowa technologia pozyskiwania energii fotowoltaicznej (PV) oferuje znaczne korzyści w porównaniu z czujnikami przewodowymi lub zasilanymi wyłącznie bateryjnie: praktycznie niewyczerpane źródła energii o niewielkim lub żadnym niekorzystnym wpływie na środowisko. Rozwiązania do pozyskiwania energii fotowoltaicznej w pomieszczeniach były do ​​tej pory zasilane przez specjalnie dostrojoną technologię amorficznego krzemu (aSi), która jest najczęściej stosowana w kalkulatorach słonecznych. W ostatnich latach nowe technologie fotowoltaiczne wysunęły się na czoło w dziedzinie pozyskiwania energii, takie jak ogniwa fotowoltaiczne wrażliwe na barwnik ( DSSC ). Barwniki pochłaniają światło podobnie jak chlorofil w roślinach. Elektrony uwolnione przy uderzeniu ulatniają się do warstwy TiO ₂ i stamtąd dyfundują przez elektrolit, ponieważ barwnik można dostroić do widma widzialnego, można uzyskać znacznie większą moc. W 200 luksów dSSc może stanowić ponad 10 uW na cm ² .

Piezoelektryczny

Efekt piezoelektryczny przekształca naprężenia mechaniczne w prąd lub napięcie elektryczne. Ten szczep może pochodzić z wielu różnych źródeł. Ruch człowieka, drgania sejsmiczne o niskiej częstotliwości i hałas akustyczny to codzienne przykłady. Z wyjątkiem rzadkich przypadków efekt piezoelektryczny działa w prądzie przemiennym, wymagając zmiennych w czasie wejść w rezonansie mechanicznym, aby były skuteczne.

Większość piezoelektrycznych źródeł energii elektrycznej wytwarza moc rzędu miliwatów, za małą do zastosowań systemowych, ale wystarczającą dla urządzeń podręcznych, takich jak niektóre dostępne na rynku zegarki na rękę z automatycznym naciągiem. Jedną z propozycji jest zastosowanie ich w urządzeniach w mikroskali, na przykład w urządzeniu gromadzącym energię mikrohydrauliczną. W tym urządzeniu przepływ płynu hydraulicznego pod ciśnieniem napędza tłok posuwisto-zwrotny wsparty na trzech elementach piezoelektrycznych, które przekształcają wahania ciśnienia w prąd przemienny.

Ponieważ zbieranie energii piezoelektrycznej było badane dopiero od końca lat 90., pozostaje nową technologią. Niemniej jednak kilka interesujących ulepszeń zostało dokonanych dzięki samozasilającemu się przełącznikowi elektronicznemu w szkole inżynieryjnej INSA, zaimplementowanemu przez spin-off Arveni. W 2006 roku powstał dowód koncepcji bezbateryjnego bezprzewodowego przycisku dzwonkowego, a ostatnio produkt pokazał, że klasyczny bezprzewodowy włącznik ścienny może być zasilany przez kombajn piezoelektryczny. Inne zastosowania przemysłowe pojawiły się w latach 2000-2005, na przykład do pozyskiwania energii z czujników wibracji i zasilania lub do pozyskiwania energii z wstrząsów.

Systemy piezoelektryczne mogą przekształcać ruch ciała ludzkiego w energię elektryczną. DARPA sfinansowała wysiłki, aby wykorzystać energię z ruchu nóg i ramion, uderzeń butów i ciśnienia krwi w celu uzyskania niskiego poziomu mocy do wszczepialnych lub noszonych czujników. Nanoszczotki to kolejny przykład piezoelektrycznego urządzenia do pozyskiwania energii. Można je zintegrować z odzieżą. Do budowy urządzenia do pozyskiwania energii wykorzystano wiele innych nanostruktur, na przykład w 2016 r. wyprodukowano i zmontowano monokryształowy nanopas PMN-PT w piezoelektrycznym urządzeniu do pozyskiwania energii. Aby zminimalizować dyskomfort użytkownika, konieczne jest staranne zaprojektowanie. Te źródła pozyskiwania energii przez skojarzenie wpływają na ciało. Projekt Vibration Energy Scavenging Project to kolejny projekt, który ma na celu wychwytywanie energii elektrycznej z wibracji i ruchów otoczenia. Microbelt może być używany do gromadzenia energii elektrycznej z oddychania. Poza tym, ponieważ drgania ruchu pochodzące od człowieka rozchodzą się w trzech kierunkach, dzięki wykorzystaniu wewnętrznego rezonansu 1:2 tworzony jest pojedynczy dookólny zbieracz energii oparty na wsporniku piezoelektrycznym. Wreszcie stworzono również piezoelektryczny kombajn energii w skali milimetrowej.

Wykorzystanie materiałów piezoelektrycznych do pozyskiwania energii stało się już popularne. Materiały piezoelektryczne mają zdolność przekształcania energii naprężenia mechanicznego w ładunek elektryczny. Elementy piezoelektryczne są osadzone w chodnikach, aby odzyskać „ludzką energię” z kroków. Można je również osadzać w butach, aby odzyskać „energię chodzenia”. Naukowcy z MIT opracowali pierwszy mikroskalowy piezoelektryczny zbieracz energii wykorzystujący cienkowarstwowy PZT w 2005 roku. Arman Hajati i Sang-Gook Kim wynaleźli ultraszerokopasmowe urządzenie do zbierania energii piezoelektrycznej w mikroskali, wykorzystując nieliniową sztywność podwójnie zaciśniętych układów mikroelektromechanicznych ( MEMS ) rezonator. Odkształcenie rozciągające w podwójnie zaciśniętej belce wykazuje nieliniową sztywność, która zapewnia pasywne sprzężenie zwrotne i skutkuje rezonansem w trybie duffingu ze usztywnionym amplitudą. Typowo, do wyżej wymienionego systemu pozyskiwania energii stosuje się wsporniki piezoelektryczne. Jedną wadą jest to, że wspornik piezoelektryczny ma gradientowy rozkład naprężeń, tj. przetwornik piezoelektryczny nie jest w pełni wykorzystany. Aby rozwiązać ten problem, proponuje się wsporniki w kształcie trójkąta i w kształcie litery L, zapewniające równomierny rozkład naprężeń.

W 2018 r. naukowcy z Soochow University poinformowali o hybrydyzacji tryboelektrycznego nanogeneratora i krzemowego ogniwa słonecznego poprzez dzielenie wspólnej elektrody. Urządzenie to może gromadzić energię słoneczną lub zamieniać energię mechaniczną spadających kropli deszczu na energię elektryczną.

Energia z inteligentnych dróg i piezoelektryczności

Bracia Pierre Curie i Jacques Curie przedstawili koncepcję efektu piezoelektrycznego w 1880 roku. Efekt piezoelektryczny przekształca naprężenie mechaniczne w napięcie lub prąd elektryczny i generuje energię elektryczną z ruchu, ciężaru, wibracji i zmian temperatury, jak pokazano na rysunku.

Biorąc pod uwagę efekt piezoelektryczny w cienkowarstwowym tytanianie cyrkonianowo-ołowiowym PZT, opracowano urządzenie do wytwarzania energii z układami mikroelektromechanicznymi ( MEMS ). Podczas ostatnich ulepszeń w technologii piezoelektrycznej, Aqsa Abbasi ) rozróżnił dwa tryby zwane i w przetwornikach wibracji i przeprojektował je tak, aby rezonowały przy określonych częstotliwościach z zewnętrznego źródła energii wibracji, wytwarzając w ten sposób energię elektryczną poprzez efekt piezoelektryczny z wykorzystaniem elektromechanicznej wytłumionej masy. Jednak firma Aqsa dalej opracowała urządzenia elektrostatyczne o strukturze wiązkowej , które są trudniejsze do wyprodukowania niż urządzenia PZT MEMS w porównaniu z podobnymi, ponieważ ogólna obróbka krzemu obejmuje znacznie więcej etapów maskowania, które nie wymagają folii PZT. Czujniki i siłowniki typu piezoelektrycznego mają konstrukcję belki wspornikowej, która składa się z dolnej elektrody membranowej , folii, folii piezoelektrycznej i górnej elektrody. Więcej niż (3~5 masek) etapów masek jest wymaganych do wzorcowania każdej warstwy przy bardzo niskim napięciu indukowanym. Kryształy piroelektryczne, które mają unikalną oś biegunową i mają polaryzację spontaniczną, wzdłuż której istnieje polaryzacja spontaniczna. Są to kryształy klas 6mm , 4mm , mm2 , 6 , 4 , 3m , 3 , 2 , m . Specjalna oś biegunowa – krystalofizyczna X3 – pokrywa się z osiami kryształów L6 , L4 , L3 i L2 lub leży w unikalnej prostej płaszczyźnie P (klasa „m”) . W konsekwencji, elektryczne centra ładunków dodatnich i ujemnych zostają przesunięte z ogniwa elementarnego z pozycji równowagi, tj. zmienia się samorzutna polaryzacja kryształu. Dlatego wszystkie rozważane kryształy mają polaryzację spontaniczną . Ponieważ efekt piezoelektryczny w kryształach piroelektrycznych powstaje w wyniku zmian ich spontanicznej polaryzacji pod wpływem efektów zewnętrznych ( pola elektryczne , naprężenia mechaniczne). W wyniku przemieszczenia Aqsa Abbasi wprowadziła zmiany w komponentach wzdłuż wszystkich trzech osi . Załóżmy, że jest to proporcjonalne do naprężeń mechanicznych powodujących w pierwszym przybliżeniu, gdzie Tkl reprezentuje naprężenie mechaniczne, a dikl reprezentuje moduły piezoelektryczne. ${\displaystyle Pb(Zr,Ti)O_{3}}$${\displaystyle d_{31}}$${\ Displaystyle d_ {33}}$${\displaystyle d_{31}}$${\ Displaystyle Ps = P3}$${\ Displaystyle \ Delta P_ {s}}$${\ Displaystyle \ Delta P_ {s} = (\ Delta P_ {1} \ Delta P_ {2} \ Delta P_ {3})}$${\ Displaystyle \ Delta P_ {s} = (\ Delta P_ {1} \ Delta P_ {2} \ Delta P_ {3})}$${\ Displaystyle \ Delta P_ {i} = diklTkl}$

Cienkie folie PZT przyciągnęły uwagę w zastosowaniach takich jak czujniki siły, akcelerometry , siłowniki żyroskopów, przestrajalna optyka, mikropompy, ferroelektryczna pamięć RAM, systemy wyświetlaczy i inteligentne drogi, gdy źródła energii są ograniczone, pozyskiwanie energii odgrywa ważną rolę w środowisku. Inteligentne drogi mogą odegrać ważną rolę w wytwarzaniu energii. Osadzenie materiału piezoelektrycznego w drodze może przekształcić nacisk wywierany przez poruszające się pojazdy na napięcie i prąd.

Inteligentny system inteligentnego transportu

Czujniki piezoelektryczne są najbardziej przydatne w technologiach inteligentnych dróg, które można wykorzystać do tworzenia inteligentnych systemów i zwiększających produktywność na dłuższą metę. Wyobraź sobie autostrady, które ostrzegają kierowców o korku, zanim się utworzy. Albo mosty, które zgłaszają ryzyko zawalenia się, lub sieć elektryczna, która sama się naprawia, gdy wystąpią przerwy w dostawie prądu. Przez wiele dziesięcioleci naukowcy i eksperci twierdzili, że najlepszym sposobem walki z zatłoczeniem są inteligentne systemy transportowe, takie jak czujniki przydrożne do pomiaru ruchu i zsynchronizowane światła drogowe do kontrolowania przepływu pojazdów. Jednak rozpowszechnienie tych technologii było ograniczone kosztami. Istnieje również kilka innych projektów gotowych do użycia łopaty w inteligentnych technologiach , które można by wdrożyć dość szybko, ale większość technologii jest wciąż na etapie rozwoju i może nie być praktycznie dostępna przez pięć lat lub dłużej.

Piroelektryczny

Efekt piroelektryczny przekształca zmianę temperatury w prąd elektryczny lub napięcie. Jest to analogiczne do efektu piezoelektrycznego , który jest innym rodzajem zachowania ferroelektrycznego . Piroelektryczność wymaga zmiennych w czasie wejść i cierpi na małą moc wyjściową w zastosowaniach do pozyskiwania energii ze względu na niskie częstotliwości robocze. Jednak jedną z kluczowych zalet piroelektryków nad termoelektrykami jest to, że wiele materiałów piroelektrycznych jest stabilnych w temperaturze do 1200 ⁰C lub wyższej, umożliwiając pozyskiwanie energii ze źródeł o wysokiej temperaturze, a tym samym zwiększając wydajność termodynamiczną .

Jednym ze sposobów bezpośredniego przekształcania ciepła odpadowego w energię elektryczną jest wykonanie cyklu Olsena na materiałach piroelektrycznych. Cykl Olsena składa się z dwóch izotermicznych i dwóch izoelektrycznych procesów pola na diagramie przemieszczenia elektrycznego (DE). Zasada cyklu Olsena polega na ładowaniu kondensatora poprzez chłodzenie w niskim polu elektrycznym i rozładowywaniu go podczas ogrzewania przy wyższym polu elektrycznym. Opracowano kilka konwerterów piroelektrycznych do realizacji cyklu Olsena z wykorzystaniem przewodzenia, konwekcji lub promieniowania. Ustalono również teoretycznie, że konwersja piroelektryczna oparta na regeneracji ciepła przy użyciu oscylującego płynu roboczego i cyklu Olsena może osiągnąć sprawność Carnota między gorącym i zimnym zbiornikiem termicznym. Co więcej, ostatnie badania ustaliły, że polimery polifluorku winylidenu trifluoroetylen [P(VDF-TrFE)] i ceramika tytanianu lantanu i cyrkonianu ołowiu (PLZT) są obiecującymi materiałami piroelektrycznymi do zastosowania w konwerterach energii ze względu na ich dużą gęstość energii generowanej w niskich temperaturach. Dodatkowo niedawno wprowadzono piroelektryczne urządzenie oczyszczające, które nie wymaga zmiennych w czasie sygnałów wejściowych. Urządzenie do zbierania energii wykorzystuje depolaryzujące krawędzie pole elektryczne rozgrzanego piroelektryka do przekształcania energii cieplnej w energię mechaniczną zamiast pobierania prądu elektrycznego z dwóch płytek przymocowanych do powierzchni kryształów.

Termoelektryka

W 1821 Thomas Johann Seebeck odkrył, że gradient termiczny utworzony pomiędzy dwoma różnymi przewodnikami wytwarza napięcie. Sednem efektu termoelektrycznego jest fakt, że gradient temperatury w materiale przewodzącym powoduje przepływ ciepła; powoduje to dyfuzję nośników ładunku. Przepływ nośników ładunku między gorącymi i zimnymi obszarami z kolei tworzy różnicę napięć. W 1834 r. Jean Charles Athanase Peltier odkrył, że przepływ prądu elektrycznego przez połączenie dwóch różnych przewodników może, w zależności od kierunku prądu, spowodować, że będzie on działał jak grzejnik lub chłodnica. Pochłaniane lub wytwarzane ciepło jest proporcjonalne do prądu, a stała proporcjonalności znana jest jako współczynnik Peltiera. Obecnie, dzięki znajomości efektów Seebecka i Peltiera , materiały termoelektryczne mogą być używane jako grzejniki, chłodnice i generatory (TEG).

Idealne materiały termoelektryczne mają wysoki współczynnik Seebecka, wysoką przewodność elektryczną i niską przewodność cieplną. Niska przewodność cieplna jest niezbędna do utrzymania wysokiego gradientu termicznego na złączu. Standardowe moduły termoelektryczne produkowane obecnie składają się z półprzewodników bizmutowo-telurowych domieszkowanych P i N, umieszczonych pomiędzy dwiema metalizowanymi płytkami ceramicznymi. Płytki ceramiczne dodają systemowi sztywności i izolacji elektrycznej. Półprzewodniki są połączone elektrycznie szeregowo i termicznie równolegle.

Miniaturowe termopary zostały opracowane, że ciepło korpus konwersji w energię elektryczną i wytwarza się 40  | j W w 3  V z 5-stopniowym gradientem temperatury, a na drugim końcu skali duże termoelektryczne są wykorzystywane jądrowych RTG baterii.

Praktyczne przykłady to pulsometr palcowy firmy Holst Center i termogeneratory firmy Fraunhofer-Gesellschaft.

Zalety termoelektryki:

1. Brak ruchomych części umożliwia nieprzerwaną pracę przez wiele lat.
2. Termoelektryki nie zawierają materiałów, które należy uzupełniać.
3. Ogrzewanie i chłodzenie można odwrócić.

Minusem konwersji energii termoelektrycznej jest niska sprawność (obecnie poniżej 10%). Rozwój materiałów, które są w stanie pracować w wyższych gradientach temperatury i dobrze przewodzą prąd elektryczny bez przewodzenia ciepła (co do niedawna uważano za niemożliwe), spowoduje wzrost wydajności.

Przyszłe prace w dziedzinie termoelektryki mogą polegać na zamianie ciepła odpadowego, na przykład podczas spalania silnika samochodowego, na energię elektryczną.

Elektrostatyczne (pojemnościowe)

Ten rodzaj zbierania opiera się na zmieniającej się pojemności kondensatorów zależnych od wibracji. Wibracje oddzielają płytki naładowanego kondensatora zmiennego, a energia mechaniczna jest przekształcana w energię elektryczną. Urządzenia do pozyskiwania energii elektrostatycznej potrzebują źródła polaryzacji do pracy i przekształcania energii mechanicznej z wibracji w energię elektryczną. Źródło polaryzacji powinno być rzędu kilkuset woltów; to znacznie komplikuje obwód zarządzania energią. Innym rozwiązaniem jest zastosowanie elektretów , które są dielektrykami naładowanymi elektrycznie, zdolnymi do utrzymywania polaryzacji na kondensatorze przez lata. W tym celu można zaadaptować konstrukcje z klasycznych generatorów indukcyjnych elektrostatycznych, które również pobierają energię ze zmiennych pojemności. Powstałe w ten sposób urządzenia są samonastawne i mogą bezpośrednio ładować akumulatory lub mogą wytwarzać wykładniczo rosnące napięcia na kondensatorach magazynujących, z których energia może być okresowo pobierana przez konwertery DC/DC.

Indukcja magnetyczna

Indukcja magnetyczna odnosi się do wytwarzania siły elektromotorycznej (tj. napięcia) w zmiennym polu magnetycznym . To zmieniające się pole magnetyczne może być wytworzone przez ruch, albo ruch obrotowy (tj. efekt Wieganda i czujniki Wieganda ) albo ruch liniowy (tj. wibracje ).

Magnesy chybotające się na wsporniku są wrażliwe na nawet niewielkie wibracje i generują mikroprądy, poruszając się względem przewodników zgodnie z prawem indukcji Faradaya . Opracowując miniaturowe urządzenie tego rodzaju w 2007 r., zespół z Uniwersytetu w Southampton umożliwił umieszczenie takiego urządzenia w środowiskach, które wykluczają jakiekolwiek połączenie elektryczne ze światem zewnętrznym. Czujniki w niedostępnych miejscach mogą teraz generować własne zasilanie i przesyłać dane do zewnętrznych odbiorników.

Jednym z głównych ograniczeń urządzenia do pozyskiwania energii z wibracji magnetycznych opracowanego na Uniwersytecie w Southampton jest rozmiar generatora, w tym przypadku około jednego centymetra sześciennego, który jest zbyt duży, aby można go było zintegrować z dzisiejszymi technologiami mobilnymi. Kompletny generator wraz z obwodami ma ogromne rozmiary 4 cm na 4 cm na 1 cm i jest prawie taki sam jak niektóre urządzenia mobilne, takie jak iPod nano. Dalsze zmniejszenie wymiarów jest możliwe dzięki integracji nowych i bardziej elastycznych materiałów jako elementu belki wspornikowej. W 2012 roku grupa z Northwestern University opracowała generator wibracyjny z polimeru w formie sprężyny. To urządzenie było w stanie celować w te same częstotliwości, co urządzenie na bazie krzemu, które Uniwersytet Southampton grupuje, ale z jedną trzecią wielkości wiązki.

Zaproponowano również nowe podejście do pozyskiwania energii w oparciu o indukcję magnetyczną, wykorzystując ferrofluidy. Artykuł w czasopiśmie „Electromagnetic ferrofluid energy harvester” omawia zastosowanie ferrofluidów do zbierania energii drgań o niskiej częstotliwości przy 2,2 Hz z mocą wyjściową ~80 mW na gram.

Całkiem niedawno zaproponowano zmianę wzorca ścian domen z zastosowaniem naprężeń jako metodę pozyskiwania energii za pomocą indukcji magnetycznej. W tym badaniu autorzy wykazali, że przyłożone naprężenie może zmienić wzorzec domeny w mikroprzewodach. Wibracje otoczenia mogą powodować naprężenia w mikroprzewodach, co może wywołać zmianę wzorca domeny, a tym samym zmienić indukcję. Odnotowano moc rzędu uW/cm2.

Komercyjnie udane urządzenia do pozyskiwania energii wibracyjnej oparte na indukcji magnetycznej są wciąż stosunkowo nieliczne. Przykładami są produkty opracowane przez szwedzką firmę ReVibe Energy , technologicznego spin-outu z Saab Group . Innym przykładem są produkty opracowane na podstawie wczesnych prototypów Uniwersytetu Southampton przez Perpetuum. Muszą one być wystarczająco duże, aby generować moc wymaganą przez bezprzewodowe węzły czujnikowe (WSN), ale w zastosowaniach M2M zwykle nie stanowi to problemu. Kombajny te są obecnie dostarczane w dużych ilościach do zasilania WSN produkowanych przez takie firmy jak GE i Emerson, a także do systemów monitorowania łożysk pociągów produkowanych przez Perpetuum. Czujniki napowietrznej linii elektroenergetycznej mogą wykorzystywać indukcję magnetyczną do pozyskiwania energii bezpośrednio z monitorowanego przewodnika.

Stężenie cukru we krwi

Innym sposobem pozyskiwania energii jest utlenianie cukrów we krwi. Te urządzenia do zbierania energii nazywane są biobaterie . Mogą być wykorzystywane do zasilania wszczepionych urządzeń elektronicznych (np. rozruszników serca, wszczepionych bioczujników dla diabetyków, wszczepionych aktywnych urządzeń RFID itp.). Obecnie Minteer Group z Saint Louis University stworzyła enzymy, które można wykorzystać do wytwarzania energii z cukru we krwi. Jednak po kilku latach enzymy nadal będą musiały zostać zastąpione. W 2012 roku rozrusznik serca był zasilany przez wszczepialne ogniwa biopaliwowe na Uniwersytecie Clarkson pod kierownictwem dr Evgeny Katz.

Drzewo oparte

Pozyskiwanie energii metabolicznej drzew jest rodzajem pozyskiwania bioenergii. Voltree opracował metodę pozyskiwania energii z drzew. Te kombajny energii są wykorzystywane do zasilania zdalnych czujników i sieci kratowych jako podstawa długoterminowego systemu monitorowania pożarów lasów i pogody w lesie. Według strony internetowej Voltree, żywotność takiego urządzenia powinna być ograniczona jedynie żywotnością drzewa, do którego jest przymocowane. Niewielka sieć testowa została niedawno wdrożona w lesie Parku Narodowego Stanów Zjednoczonych.

Inne źródła energii z drzew obejmują przechwytywanie fizycznego ruchu drzewa w generatorze. Analiza teoretyczna tego źródła energii daje pewne możliwości w zasilaniu małych urządzeń elektronicznych. W oparciu o tę teorię zbudowano praktyczne urządzenie, które przez rok z powodzeniem zasilało węzeł czujnika.

Metamateriał

Urządzenie oparte na metamateriałach bezprzewodowo przekształca sygnał mikrofalowy 900 MHz na 7,3 wolta prądu stałego (większego niż urządzenie USB). Urządzenie można dostroić do zbierania innych sygnałów, w tym sygnałów Wi-Fi, sygnałów satelitarnych, a nawet sygnałów dźwiękowych. Eksperymentalne urządzenie wykorzystywało serię pięciu przewodników z włókna szklanego i miedzi . Sprawność konwersji osiągnęła 37 procent. Kiedy tradycyjne anteny znajdują się blisko siebie w przestrzeni, zakłócają się nawzajem. Ale ponieważ moc RF spada o sześcian odległości, ilość mocy jest bardzo mała. Chociaż twierdzenie o napięciu 7,3 wolta jest duże, pomiar dotyczy obwodu otwartego. Ponieważ moc jest tak niska, nie może być prawie żadnego prądu, gdy podłączone jest jakiekolwiek obciążenie.

Zmiany ciśnienia atmosferycznego

Ciśnienie atmosfery zmienia się w sposób naturalny w czasie w zależności od zmian temperatury i warunków pogodowych. Urządzenia z zamkniętą komorą mogą wykorzystywać te różnice ciśnień do pozyskiwania energii. Zostało to wykorzystane do zasilania zegarów mechanicznych, takich jak zegar Atmos .

Energia oceaniczna

Stosunkowo nową koncepcją wytwarzania energii jest wytwarzanie energii z oceanów. Na planecie występują duże masy wód, które niosą ze sobą ogromne ilości energii. Energia w tym przypadku może być generowana przez prądy pływowe, fale oceaniczne, różnicę w zasoleniu, a także różnicę temperatur. Od 2018 r. trwają starania, aby w ten sposób pozyskiwać energię. Marynarka wojenna Stanów Zjednoczonych była ostatnio w stanie wytwarzać energię elektryczną wykorzystując różnicę temperatur panujących w oceanie.

Jedną z metod wykorzystania różnicy temperatur na różnych poziomach termokliny w oceanie jest użycie urządzenia do pozyskiwania energii cieplnej wyposażonego w materiał, który zmienia fazę w różnych regionach temperatur. Jest to zazwyczaj materiał na bazie polimeru, który może obsługiwać odwracalną obróbkę cieplną. Gdy materiał zmienia fazę, różnica energii jest przekształcana w energię mechaniczną. Użyte materiały będą musiały mieć możliwość zmiany fazy, od ciekłej do stałej, w zależności od położenia termokliny pod wodą. Te materiały przemiany fazowej w jednostkach gromadzących energię cieplną byłyby idealnym sposobem na ładowanie lub zasilanie bezzałogowego pojazdu podwodnego (UUV), ponieważ będzie on polegać na ciepłej i zimnej wodzie już obecnej w dużych zbiornikach wodnych; minimalizując potrzebę standardowego ładowania baterii. Przechwycenie tej energii pozwoliłoby na dłuższe misje, ponieważ można wyeliminować potrzebę jej zbierania lub zwracania do ładowania. Jest to również bardzo przyjazna dla środowiska metoda zasilania pojazdów podwodnych. Nie ma emisji pochodzących z używania płynu o przemianie fazowej i prawdopodobnie będzie miał dłuższą żywotność niż w przypadku standardowej baterii.

Przyszłe kierunki

Zaproponowano polimery elektroaktywne (EAP) do zbierania energii. Polimery te charakteryzują się dużym odkształceniem, gęstością energii sprężystej i wysoką wydajnością konwersji energii. Proponuje się, że całkowita waga systemów opartych na EAP (polimerach elektroaktywnych) jest znacznie niższa niż tych opartych na materiałach piezoelektrycznych.

Nanogeneratory , takie jak produkowany przez Georgia Tech, mogą zapewnić nowy sposób zasilania urządzeń bez baterii. Od 2008 r. generuje tylko kilkanaście nanowatów, co jest zbyt niską wartością do praktycznego zastosowania.

Hałas był przedmiotem propozycji laboratorium NiPS we Włoszech, aby zbierać drgania o szerokim spektrum w niskiej skali za pomocą nieliniowego mechanizmu dynamicznego, który może poprawić wydajność kombajnu do współczynnika 4 w porównaniu z tradycyjnymi kombajnami liniowymi.

Kombinacje różnych typów urządzeń do pozyskiwania energii mogą dodatkowo zmniejszyć zależność od baterii, szczególnie w środowiskach, w których dostępne rodzaje energii otoczenia zmieniają się okresowo. Ten rodzaj komplementarnego, zbilansowanego pozyskiwania energii może potencjalnie zwiększyć niezawodność systemów czujników bezprzewodowych do monitorowania stanu konstrukcji.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• Callendar, Hugh Longbourne (1911). „Termoelektryczność”  . Encyklopedia Britannica . 26 (wyd. 11). s. 814-821.