Войти
Сбор энергии (также известный как сбор энергии или сбор энергии или энергия окружающей среды ) - это процесс, посредством которого энергия извлекается из внешних источников (например, солнечная энергия, тепловая энергия, энергия ветра, градиенты солености и кинетическая энергия, также известная как энергия окружающей среды ), захваченная и сохраненная для небольших беспроводных автономных устройств, таких как те, которые используются в носимой электронике и беспроводных сенсорных сетях.
Сборщики энергии обеспечивают очень небольшое количество энергии для низкого энергопотребления. В то время как входное топливо для некоторых крупномасштабных генераций требует ресурсов (нефть, уголь и т. Д.), Источник энергии для комбайнов присутствует в качестве внешнего фона. Например, температурные градиенты представлены из-за работы двигателя внутреннего сгорания и в городских районах, в окружающей среде имеется большое количество электромагнитной энергии из-за радио- и телевещания.
Одним из первых применений энергии окружающей среды, собираемой из окружающего электромагнитного излучения (ЭМИ), является кристаллический радиоприемник.
. Принципы сбора энергии из окружающего ЭМИ можно использовать с помощью основных компонентов.
Устройство сбора энергии, преобразующие окружающую среду в электрическую, привлекают вызвали большой интерес как в военном, так и в коммерческом секторах. Некоторые системы преобразуют движение, например движение океанских волн, в электричестве используется датчик океанографического мониторинга для автономной работы. Будущие приложения для устройств вывода высокой мощности (или массивы таких устройств), расширенные в удаленных местах, служить надежными электростанциями для больших систем. Другое применение - носимая электроника, где устройства сбора энергии могут питать или заряжать мобильные телефоны, мобильные компьютеры, оборудование радиосвязи и т. Д. Все эти устройства должны быть достаточно надежными, чтобы выдерживать длительное воздействие агрессивных сред, и иметь диапазон динамических характеристик. чувствительность к использованию всего волновых движений.
Энергию также можно накапливать для питания автономных датчиков, например, разработанных с использованием технологии MEMS. Эти системы часто очень маленькие и требуют небольшого количества энергии, но их применение ограничено из-за того, что они полагаются на аккумулятор. Удаление энергии от окружающих вибраций, тепла или света может интеллектуальным датчиком работать бесконечно.
Типичные значения удельной мощности, получаемые от устройств сбора энергии, сильно зависят от конкретного применения (влияющего на размер генератора) и самой конструкции генератора сбора энергии. Как правило, для устройств с приводом от движения типичные значения составляют несколько мкВт / см³ для приложений с питанием от человеческого тела и сотни мкВт / см³ для генераторов, питаемых от машин. Большинство устройств, поглощающих энергию, вырабатывают очень мало энергии.
Как правило, энергия может храниться в конденсаторе, суперконденсаторе или аккумулятор. Конденсаторы используются, когда приложение должно обеспечить большие скачки энергии. Батареи пропускают меньше энергии и поэтому используются, когда устройство необходимо обеспечить постоянный поток энергии. По сравнению с батареями суперконденсаторы имеют неограниченные циклы заряда-разряда, следовательно, могут работать вечно, работать без обслуживания в IoT и беспроводных сенсорных устройствах.
В настоящее время интерес к сбору энергии с низким энергопотреблением проявляется в независимых сенсорных сетях. В этих приложениях схема сбора энергии передает энергию, накопленную в конденсаторе, затем повышается / регулируется до второго накопительного конденсатора или батареи для использования в микропроцессоре или при передаче данных. Питание обычно используется в приложении датчика, а данные сохраняются или передаются, возможно, посредством беспроводного метода.
История сбор энергии восходит к ветряной мельнице и водяному колесу. Люди искали способы сохранить энергию и вибраций в течение многих десятилетий. Одной из устройств движущихся сил поиска новых устройств для сбора энергии является желание питать сенсорные сети и мобильные устройства без батарей. Сбор энергии также мотивируется желанием решить проблему изменения климата и глобального потепления.
Существует много источников энергии, которые, как правило, не могут быть увеличены до промышленного размера с точки зрения сопоставимой мощности с солнечной, солнечной или волновой энергией промышленного размера:
Возможный источник энергии исходит от повсеместных радиопередатчиков. Исторически сложилось так, что для получения уровней мощности от этого источника требуется большая зона сбора, либо непосредственная близость к излучающему беспроводному источнику энергии. нантенна является одной из предлагаемых разработок, которая используется для преодоления ограничения за счет обильного естественного излучения (например, солнечного излучения ).
Одна из идей состоит в том, чтобы преднамеренно транслировать радиочастотную энергию для питания и сбора информации с удаленных устройств: сейчас это обычное дело в пассивных системе радиочастотной идентификации (RFID), но безопасность и США Федеральная комиссия по связи (и аналогичные органы по всему миру) ограничивают максимальную мощность, которая может быть передана таким способом для гражданского использования. Этот метод использовался для питания отдельных узлов в сети беспроводных датчиков
Поток воздуха может собираться различными технологиями турбинных и нетурбинных генераторов. Башенные ветряные турбины и бортовые ветроэнергетические системы (AWES) ограничивают потоки воздуха. Например, запатентованный Zephyr Energy Corporation микрогенератор Windbeam улавливает энергию из воздушного потока для подзарядки батарей и питания электронных устройств. Новый дизайн Windbeam позволяет ему бесшумно работать при скорости ветра до 2 миль в час. Генератор из легкой балки, подвешенной на прочных долговечных пружинах во внешней раме. Луч быстро колеблется под воздействием воздушного потока из-за эффектов нескольких явлений потока жидкости. Узел линейного генератора переменного тока преобразует колеблющееся движение луча в полезную электрическую энергию. Отсутствие подшипников и шестерен устраняет неэффективность трения и шум. Генератор может работать в условиях низкой освещенности, не подходящих для солнечных панелей (например, в воздуховодах HVAC), и стоит недорого из-за невысокой стоимости компонентов и простых конструкций. Масштабируемая технология может быть оптимизирована для требований требований энергии и конструктивных ограничений приложения.
Поток крови также может Роман для питания устройств. Например, кардиостимулятор, в Бернском университете, использует поток крови для запуска пружины, которая, в свою очередь, приводит в действие электрический микрогенератор.
Фотоэлектрические (PV) беспроводные системы сбора энергии предлагает высокие преимущества по сравнению с датчиком с проводным или исключительно батарейным питанием: практически неисчерпаемые источники энергии с минимальным или нулевым вредным воздействием на среду. На сегодняшний день решения для сбора фотоэлектрических элементов в помещениях, основанных на специально настроенном аморфном кремнии (ASI) - технологии наиболее часто используемой в солнечных калькуляторах. В последние годы новые фотоэлектрические технологии вышли на передний план в области сбора энергии, такими сенсибилизированными красителями солнечные элементы (DSSC ). Красители поглощают свет так же, как хлорофилл у растений. Электроны высвобождаются при ударе в слое TiO 2 и оттуда диффундируют через электролит, поскольку краситель может быть настроен на видимый спектр, может быть получена намного более высокая мощность. При 200 люкс DSSC может обеспечить мощность более 10 мкВт на см².
изображение безбатарейного и беспроводного настенного переключателя пьезоэлектрический эффект преобразует механическую деформацию в электрический ток или напряжение. Этот штамм может происходить из разных источников. Движение человека, низкочастотные сейсмические колебания и акустический шум - повседневные примеры. За исключением редких случаев, пьезоэлектрический эффект работает при переменном токе, требуя, чтобы изменяющиеся во времени входы при механическом резонансе были эффективными.
Большинство пьезоэлектрических источников электроэнергии вырабатывают мощность порядка милливатт, что слишком мало для системного применения, но достаточно для портативных устройств, таких как некоторые коммерчески доступные наручные часы с автоподзаводом. Одно из предложений состоит в том, чтобы они использовались для устройств микромасштабирования, таких как устройство, собирающее микрогидравлическую энергию. В этом гидравлическом потоке жидкости под давлением приводятся в движение поршень, производящий возвратно-поступательное движение, поддерживаемый тремя пьезоэлектрическими элементами, которые преобразуют колебания давления в переменный ток.
Времена пьезоэнергетика исследуется только с конца 1990-х годов, она остается новой технологией. Тем не менее, в инженерной школе INSA были внесены некоторые интересные улучшения в электронный переключатель с автономным питанием, реализованный дочерней компанией Arveni. В 2006 году было показано, что беспроводной настенный переключатель может питаться от пьезоуборочного комбайна. Другие промышленные применения появились в период с 2000 по 2005 год, например, для сбора энергии от датчиков вибрации и питания или для сбора энергии от ударов.
Пьезоэлектрические системы могут преобразовывать движение человеческого тела в электрическую энергию. DARPA профинансировало усилия по использованию энергии движения ног и рук, ударов обуви и артериального давления для получения энергии низкого уровня для имплантируемых или носимых датчиков. Нанощетки - еще один пример пьезоэлектрического устройства для сбора энергии. Их можно интегрировать в одежду. Множество других наноструктур было использовано для создания устройства сбора энергии, например, монокристаллический нанополос PMN-PT был изготовлен и собран в пьезоэлектрический сборщик энергии в 2016 году. Чтобы минимизировать дискомфорт пользователя, требуется тщательный дизайн. Эти источники энергии по ассоциации на организм. Проект «Поглощение энергии вибрацией» - еще один проект, созданный для того, чтобы попытаться очистить электроэнергию от вибраций и движений окружающей среды. Микропояс можно использовать для сбора электричества при дыхании. Кроме того, поскольку вибрация движения от человека идет в трех направлениях, создается всенаправленный сборщик энергии на основе пьезоэлектрического кантилевера за счет использования внутреннего резонанса 1: 2. Наконец, уже создан пьезоэлектрический комбайн миллиметрового масштаба.
Использование пьезоэлектрических материалов для сбора энергии уже стало популярным. Пьезоэлектрические материалы обладают способностью преобразовывать энергию механической деформации в электрический заряд. В пешеходные дорожки встраиваются пьезоэлементы, чтобы восстановить «человеческую энергию» шагов. Их также можно встроить в обувь, чтобы восстановить «энергию ходьбы». Исследователи из Массачусетского технологического института разработали первый микромасштабный пьезоэлектрический накопитель энергии с использованием тонкопленочного PZT в 2005 году. Арман Хаджати и Санг-Гук Ким изобрели сверхширокополосное устройство для сбора энергии с микромасштабом, используя нелинейную жесткость микроэлектромеханических систем с двойным зажимом (MEMS ) резонатор. Деформация растяжения в дважды зажатой балке демонстрирует нелинейную жесткость, которая обеспечивает пассивную обратную связь и приводит к усиленному по амплитуде резонансу моды Дуффинга. Обычно для вышеупомянутой системы сбора энергии используются пьезоэлектрические консоли. Один из недостатков состоит в том, что пьезоэлектрический кантилевер имеет градиентное распределение деформации, т.е. пьезоэлектрический преобразователь используется не полностью. Для решения этой проблемы кантилеверы треугольной и L-образной формы для равномерного распределения деформации.
В 2018 году исследователи Университета Сучжоу сообщили о гибридизации трибоэлектрического наногенератора и кремниевый солнечный элемент за счет общего электрода. Это устройство может собирать солнечную энергию или преобразовывать механическую энергию падающих капель дождя в электричество.
Тетрагональная элементарная ячейка титаната свинца 
Пьезоэлектрический диск генерирует напряжение при деформации (изменение сильно преувеличено) Братья Пьер Кюри и Жак Кюри представили концепцию пьезоэлектрического эффекта в 1880 году. Пьезоэлектрический эффект преобразует механическую деформацию в или напряжение электрический ток и генерирует электрическую энергию от движения, веса, вибрации и изменения температуры, как показано на рисунке.
Учет пьезоэлектрического эффекта в тонкопленочном цирконате титанате свинца 
Тонкие пленки PZT привлекают внимание для таких приложений, как датчики силы, акселерометры, гироскопы приводы, настраиваемая оптика, микронасосы, сегнетоэлектрическое ОЗУ, системы отображения и интеллектуальные дороги, когда источники ограничены энергии, сбор энергия играет важную роль в окружающей среде. Умные дороги сыграть важную роль в производстве электроэнергии. Встраивание пьезоэлектрического материала в дорогу может преобразовывать давление, оказываемое движущимися автомобилями, напряжение и ток.
Пьезоэлектрические датчики наиболее полезны в технологиях интеллектуальных дорог, которые можно использовать для создания систем, которые обеспечивают интеллектуальную и повышающую производительность в долгосрочной перспективе. Представьте себе шоссе, предупреждают автомобилистов о пробке еще до ее образования. Или мосты, которые сообщают, когда они находятся под угрозой обрушения, или электрическая сеть, которая сама устраняет при отключении электроэнергии. Эти интеллектуальные транспортные системы, такие как придорожные датчики для измерения трафика и синхронизированные светофоры для управления движением транспортных средств. Но распространение этих технологий было ограничено стоимостью. Есть также несколько проектов с использованием интеллектуальных технологий , которые могут работать на одной стадии разработки и быть практически недоступны в течение пяти или более лет.
Пироэлектрический эффект преобразует изменение температуры в электрический ток или напряжение. Он аналогичен пьезоэлектрическому эффекту , который собой другой тип поведения представляет собой другой тип поведения сегнетоэлектрика. Пироэлектричество требует изменяющихся во времени входов и страдает малой выходной мощностью в приложениях для сбора энергии из-за низких рабочих частот. Однако одно из ключевых преимуществ пироэлектриков перед термоэлектриками состоит в том, что многие пироэлектрические материалы стабильны до 1200 ° C или выше, что позволяет использовать энергию из высокотемпературных источников и, таким образом, повышать термодинамический КПД.
Один способ Прямое преобразование отработанного тепла в электричестве путем нанесения на пироэлектрические материалы. Цикл Ольсена состоит из двух изотермических и двух изоэлектрических процессов поля на диаграмме электрическое смещение-электрическое поле (D-E). Принцип цикла Ольсена состоит в том, чтобы заряжать конденсатор путем охлаждения в слабом электрическом поле и разряжать его при нагревании в более высоком электрическом поле. Было разработано несколько пироэлектрических преобразователей для реализации цикла Ольсена с использованием проводимости, конвекции или излучения. Также теоретически установлено, что пироэлектрическое преобразование, основанное на регенерации тепла с использованием колеблющейся рабочей жидкости и цикла Ольсена, может достичь эффективности Карно между горячим и холодным тепловым резервуаром. Более того, недавние исследования показали, что полимеры поливинилиденфторида, трифторэтилена [P (VDF-TrFE)] и керамика из цирконата свинца и цирконата титаната (PLZT) представляют собой перспективные пироэлектрические материалы для использования в преобразователе энергии из-за их высокой плотности энергии, генерируемой при низкие температурых. Кроме того, было введено пироэлектрическое устройство очистки, которое не требует изменяющихся во времени входов. Устройство для сбора энергии использует деполяризующее по краям электрическое поле нагретого пироэлектрика для преобразования тепловой энергии в механическую энергию вместо отвода электрического тока от двух пластин, прикрепленных к граням кристалла.
Эффект Зеебека в термобатареи, сделанной из железа и медных проводов В 1821 году Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что температурный градиент, образованный между двумя разнородными проводниками, создается напряжение. В основе термоэлектрического эффекта лежит тот факт, что температурный градиент в проводящем материале приводит к тепловому потоку; это приводит к диффузии носителей заряда. Поток носителей заряда между горячей и холодной областями. В 1834 году Жан Шарль Атаназ Пельтье обнаружил, что прохождение электрического тока через соединение двух разнородных проводников может, в зависимости от направления тока, заставить его действовать как нагреватель или охладитель. Поглощенное или произведенное тепло пропорционально току, а константа пропорциональности известна как коэффициент Пельтье. Сегодня, благодаря знанию эффектов Зеебека и Пельтье, термоэлектрические материалы одна в качестве нагревателей, охладителей и генераторов (ТЭГ).
Идеальные термоэлектрические материалы имеют высокий коэффициент Зеебека, высокую электропроводность и низкую теплопроводность. Низкая теплопроводность необходима для поддержания высокого температурного градиента на стыке. Стандартные термоэлектрические модули, производимые сегодня, состоят из полупроводников из теллурида висмута, легированных фосфором и азотом, зажатых между двумя металлизированными керамическими пластинами. Керамические пластины добавляют систему жесткости и электрическую изоляцию. Полупроводники электрически соединены последовательно, а термически - параллельно.
Были разработаны миниатюрные термопары, которые преобразуют тепло тела в электричество и генерируют 40 μ W при 3 В с температурным градиентом 5 градусов, тогда как на другом конце шкалы - большие термопары используются в атомных батареях РИТЭГ.
Практическими примерами измеритель сердечного ритма на пальце и термогенераторы Fraunhofer-Gesellschaft.
Преимущества термоэлектриков:
Одним из недостатков термоэлектрического преобразования энергии низкий КПД (в настоящее время менее 10%). Разработка материалов, способных работать в более высоких температурных градиентах, и которые могут хорошо проводить электричество, не проводя это при этом тепло (что до недавнего времени считалось невозможным), повысить эффективность.
В будущем в термоэлектрике можно будет преобразовать потерянное тепло, например, при сгорании автомобильного двигателя, в электричество.
Этот тип сбора основан на изменяющейся емкости виброзависимых конденсаторов. Вибрации вставляют пластины заряженного переменного конденсатора, и механическая энергия преобразуется в электрическую. Сборщикам электростатической энергии необходим источник поляризации для работы и преобразования механической энергии вибраций в электричество. Источник поляризации должен быть порядка нескольких сотен вольт; это сильно усложняет схему управления питанием. Другое решение включает в себя использование электретов, которые позволяют заряжать электрически заряженные диэлектрики, способные поляризацию на конденсаторе в течение многих лет. Для этой цели можно адаптировать конструкции из классических генераторов электростатической индукции, которые также извлекают энергию из объема емкостей. Получающиеся в результате устройства являются самосмещающимися и могут напрямую заряжать батареи или создавать экспоненциально растущие напряжения на накопительных конденсаторах, из которых энергия может периодически извлекаться преобразователями постоянного / постоянного тока.
Магнитная индукция к созданию электродвижущей силы (то есть напряжение) в изменяющемся магнитном поле. Это изменяющееся магнитное поле может быть создано движением, либо вращением (т. Е. эффектом Виганда и датчики Виганда ) или линейным движением ( т. Е. вибрация ).
Колеблющиеся на кантилевере магниты чувствительны даже к небольшим колебаниям и генерируют микротоки, перемещаясь относительно проводников из-за закона индукции Фарадея. из Университета Саутгемптона сделала возможную установку такого устройства в среде, исключающей любое электрическое соединение с миром. Датчики в недоступных местах теперь генерируют свои собственные данные и данные на внешние приемники.>
Одним из основных ограничений устройства сбора энергии магнитной вибрации, разработанного в Саутгемптонском университете, является размер генератора, в данном случае примерно один кубический сантиметр, который слишком велик, чтобы его можно было было интегрировать в современные мобильные технологии. Компилятор lete, включает схему, представляет собой массивный 4 см на 4 см на 1 см, почти такой же размер, как у некоторых мобильных устройств, таких как iPod nano. Дальнейшее уменьшение размеров возможно за счет интеграции новых и более гибких материалов в качестве компонента консольной балки. В 2012 году группа сотрудников Северо-Западного университета разработала генератор с вибрационным приводом из полимера в виде пружины. Это устройство могло работать на тех же частотах, что и устройство на основе кремния Саутгемптонской группы, но с размером составляющей пучка в одну треть.
Также был предложен новый подход к сбору энергии на основе магнитной индукции с использованием феррожидкости. В журнальной статье «Сборщик энергии на основе электромагнитной феррожидкости» обсуждается использование феррожидкости для сбора низкочастотной вибрационной энергии на частоте 2,2 Гц с выходной мощностью ~ 80 мВт на грамм.
Совсем недавно произошли изменения в Структура доменных стенок с приложением напряжения, предложенная в качестве метода сбора энергии с помощью магнитной индукции. В этом авторы показали, что приложенное напряжение может изменить измененный доменов в микропроводах. Окружающие вибрации могут вызвать напряжение в микропроводах, что может вызвать изменение структуры доменов и, следовательно, индукцию. Сообщается о мощности порядка мкВт / см2.
Коммерчески успешных вибрационных комбайнов, основанных на магнитной индукции, все еще относительно мало. Примеры включают продукты, разработанные шведской компанией ReVibe Energy, технологическим ответвлением Saab Group. Другой пример - продукты, разработанные Perpetuum на основе прототипов Саутгемптонского университета. Они должны быть достаточно большими, чтобы генерировать мощность, требуемую узлами беспроводных датчиков (WSN), но в приложениях M2M это обычно не проблема. В настоящее время эти харвестеры в больших объемах поставляются для силовых установок, производимых такими компаниями, как GE и Emerson, а также для систем контроля подшипников поездов, производимых Perpetuum. Воздушные датчики линии электропередач могут использовать магнитную индукцию для сбора энергии непосредственно от проводника, который они контролируют.
Другой способ сбора энергии - это окисление сахара в крови. Эти сборщики энергии называются биобатареями. Их можно использовать для питания имплантированных электронных устройств (например, кардиостимуляторов, имплантированных биосенсоров для диабетиков, имплантированных активных устройств RFID и т. Д.). В настоящее время группа Минтир Университета Сент-Луиса создает ферменты, которые можно использовать для выработки энергии из сахара в крови. Однако через несколько лет ферменты все равно необходимо будет заменить. В 2012 году кардиостимулятор был приведен в действие имплантируемыми биотопливными клетками Универсального Кларксона под руководством Евгения Каца.
Сбор метаболической энергии деревьев одним из видов сбора биоэнергии. Voltree разработал метод сбора энергии с деревьев. Эти энергоуборочные комбайны используются для питания удаленных датчиков и ячеистых сетей для долгосрочной системы мониторинга лесных пожаров и погодных условий в лесу. Согласно веб-сайту Voltree, срок полезного использования такого устройства должен ограничиваться только сроком службы дерева. Небольшая тестовая сеть была недавно развернута в лесу Национального парка США.
Другие источники энергии от деревьев включают регистрацию физического движения дерева в генераторе. Теоретический анализ этого источника энергии показывает некоторые перспективы при питании небольших электронных устройств. Практическое устройство, основанное на этой теории, было построено и успешно питало сенсорный узел в течение года.
Устройство на основе метаматериалов по беспроводной связи преобразует микроволновое излучение на 900 МГц signal to 7.3 volts of direct current (greater than that of a USB device). The device can be tuned to harvest other signals including Wi-Fi signals, satellite signals, or even sound signals. The experimental device used a series of five fiberglass and copper проводники. Эффективность преобразования достигла 37 процентов. Когда традиционные антенны расположены близко друг к другу в пространстве, они мешают друг другу. Но поскольку мощность ВЧ уменьшается на куб расстояния, количество мощности очень и очень мало. Хотя заявленное значение 7,3 вольт является большим, измерения приведены для разомкнутой цепи. Поскольку мощность настолько мала, при подключении какой-либо нагрузки ток может почти отсутствовать.
Давление атмосферы изменяется естественным образом со временем в зависимости от изменений температуры и погодных условий. Устройства с герметичной камерой могут использовать эти перепады давления для извлечения энергии. Это использовалось для обеспечения питания механических часов, таких как часы Atmos.
Относительно новая концепция производства энергии - это получение энергии из океанов. На планете присутствуют большие массы вод, которые несут с собой большое количество энергии. Энергия в этом случае может вырабатываться приливными течениями, океанскими волнами, разницей солености, а также разницей в температуре. По состоянию на 2018 год прилагаются усилия для сбора энергии таким образом. ВМС США недавно смогли вырабатывать электричество, используя разницу температур в океане.
Электроактивные полимеры (EAP) были предложены для сбора энергии. Эти полимеры обладают большой деформацией, плотностью упругой энергии и высокой эффективностью преобразования энергии. Общий вес систем на основе ЭАП (электроактивных полимеров) предлагается значительно ниже, чем систем на основе пьезоэлектрических материалов.
Наногенераторы, такие как производимые Технологическим институтом Джорджии, могут предоставить новый способ питания устройств без батарей. По состоянию на 2008 год он генерирует всего несколько десятков нановатт, что слишком мало для любого практического применения.
Шум был предметом предложения лаборатории NiPS в Италии по улавливанию широкого спектра низкомасштабных вибраций с помощью нелинейного динамического механизма, который может повысить эффективность харвестера в 4 раза по сравнению с традиционными линейными харвестерами.
Комбинация различных типов энергоуборочных комбайнов может еще больше снизить зависимость от батарей, особенно в средах, где доступные типы окружающей энергии периодически меняются. Этот тип дополнительного сбалансированного сбора энергии может повысить надежность беспроводных сенсорных систем для мониторинга состояния конструкций.
энергетический портал 