Recoltarea energiei - Energy harvesting

De la Wikipedia, enciclopedia liberă

Recoltare a energiei (cunoscută și ca recoltarea de putere sau de eliminare a energiei sau puterea ambientală ) este procesul prin care energia este derivat din surse externe ( de exemplu, energie solară , energie termică , energie eoliană , gradienți de salinitate și energia cinetică , de asemenea , cunoscut sub numele de energie ambientală ), capturat și stocat pentru dispozitive autonome mici, fără fir, precum cele utilizate în rețelele electronice portabile și senzorii fără fir .

Recoltatoarele de energie furnizează o cantitate foarte mică de energie pentru dispozitivele electronice cu consum redus de energie. În timp ce combustibilul de intrare pentru unele producții la scară largă costă resurse (petrol, cărbune etc.), sursa de energie pentru recoltatoarele de energie este prezentă ca fundal ambiental. De exemplu, gradienții de temperatură există din funcționarea unui motor cu ardere și în zonele urbane, există o cantitate mare de energie electromagnetică în mediu din cauza difuzării radio și a televiziunii.

Una dintre primele aplicații ale puterii ambientale colectate din radiațiile electromagnetice ambientale (EMR) este radioul de cristal .

Principiile recoltării energiei din EMR ambientală pot fi demonstrate cu componente de bază.

Operațiune

Dispozitivele de recoltare a energiei care convertesc energia ambientală în energie electrică au atras mult interes atât în ​​sectoarele militare, cât și în cele comerciale. Unele sisteme transformă mișcarea, cum ar fi cea a valurilor oceanelor, în energie electrică pentru a fi utilizată de senzorii de monitorizare oceanografică pentru o funcționare autonomă. Aplicațiile viitoare pot include dispozitive de ieșire de mare putere (sau tablouri ale unor astfel de dispozitive) desfășurate în locații îndepărtate pentru a servi drept centrale de încredere pentru sisteme mari. O altă aplicație este în electronica purtabilă, unde dispozitivele de recoltare a energiei pot alimenta sau reîncărca telefoane mobile, computere mobile, echipamente de comunicații radio etc. Toate aceste dispozitive trebuie să fie suficient de robuste pentru a suporta expunerea pe termen lung la medii ostile și să aibă o gamă largă de sensibilitate pentru a exploata întregul spectru de mișcări ale undelor.

Acumularea energiei

Energia poate fi, de asemenea, recoltată pentru a alimenta senzori autonomi mici, cum ar fi cei dezvoltați utilizând tehnologia MEMS . Aceste sisteme sunt adesea foarte mici și necesită puțină energie, dar aplicațiile lor sunt limitate de dependența de energia bateriei. Eliminarea energiei provenite de la vibrațiile ambientale, vânt, căldură sau lumină ar putea permite senzorilor inteligenți să funcționeze la nesfârșit.

Densitățile tipice de putere disponibile de la dispozitivele de recoltare a energiei depind în mare măsură de aplicația specifică (care afectează dimensiunea generatorului) și de proiectarea în sine a generatorului de recoltare. În general, pentru dispozitivele cu mișcare, valorile tipice sunt câteva µW / cm³ pentru aplicațiile alimentate de corpul uman și sute de µW / cm³ pentru generatoarele alimentate de utilaje. Majoritatea dispozitivelor de epurare a energiei pentru electronica purtabilă generează foarte puțină energie.

Depozitarea puterii

În general, energia poate fi stocată într-un condensator , super condensator sau baterie . Condensatoarele sunt utilizate atunci când aplicația trebuie să ofere vârfuri enorme de energie. Bateriile scurg mai puțină energie și, prin urmare, sunt utilizate atunci când dispozitivul trebuie să furnizeze un flux constant de energie. aceste aspecte ale bateriei depind de tipul utilizat. Un tip obișnuit de baterie care este utilizat în acest scop este bateria plumb acid sau litiu-ion, deși tipurile mai vechi, cum ar fi hidrura de nichel metalic, sunt încă utilizate pe scară largă astăzi. Comparativ cu bateriile, supercondensatorii au cicluri de încărcare-descărcare practic nelimitate și, prin urmare, pot funcționa pentru totdeauna, permițând o operare fără întreținere în dispozitivele IoT și senzori fără fir.

Utilizarea puterii

Interesul actual pentru recoltarea energiei reduse este pentru rețelele de senzori independenți. În aceste aplicații, o schemă de recoltare a energiei pune puterea stocată într-un condensator, apoi este mărită / reglată la un al doilea condensator de stocare sau baterie pentru utilizare în microprocesor sau în transmisia de date. Puterea este de obicei utilizată într-o aplicație cu senzor , iar datele stocate sau transmise posibil printr-o metodă fără fir.

Motivație

Istoria recoltării energiei datează de la moara de vânt și roata de apă. Oamenii au căutat modalități de stocare a energiei din căldură și vibrații timp de mai multe decenii. O forță motrice din spatele căutării de noi dispozitive de recoltare a energiei este dorința de a alimenta rețelele de senzori și dispozitivele mobile fără baterii. Recoltarea energiei este, de asemenea, motivată de dorința de a aborda problema schimbărilor climatice și a încălzirii globale.

Surse de energie

Există multe surse de energie la scară mică, care, în general, nu pot fi mărite la dimensiunea industrială în termeni de producție comparabilă cu puterea solară, eoliană sau valurilor de dimensiuni industriale:

  • Unele ceasuri de mână sunt alimentate de energie cinetică (numite ceasuri automate ), în acest caz se folosește mișcarea brațului. Mișcarea brațului provoacă înfășurarea arcului principal . Un design mai nou introdus de Seiko („Kinetic”) folosește în schimb mișcarea unui magnet în generatorul electromagnetic pentru a alimenta mișcarea de cuarț. Mișcarea oferă o rată de schimbare a fluxului, care are ca rezultat unele emf induse pe bobine. Conceptul este legat de Legea lui Faraday .
  • Fotovoltaica este o metodă de generare a energiei electrice prin transformarea radiației solare (atât în ​​interior, cât și în exterior) în electricitate cu curent continuu folosind semiconductori care prezintă efectul fotovoltaic . Generarea de energie fotovoltaică folosește panouri solare compuse dintr-un număr de celule care conțin un material fotovoltaic. Rețineți că fotovoltaica a fost mărită la dimensiunea industrială și că există ferme solare mari.
  • Generatoarele termoelectrice (TEG-uri) constau în joncțiunea a două materiale diferite și prezența unui gradient termic. Ieșirile de tensiune mare sunt posibile prin conectarea electrică a mai multor joncțiuni în serie și termic în paralel. Performanța tipică este de 100–300 μV / K per joncțiune. Acestea pot fi utilizate pentru a capta mW-uri de energie din echipamente industriale, structuri și chiar din corpul uman. Acestea sunt de obicei cuplate cu radiatoare pentru a îmbunătăți gradientul de temperatură.
  • Micro turbina eoliană este folosită pentru a recolta energia eoliană disponibilă în mediu sub formă de energie cinetică pentru a alimenta dispozitivele electronice de mică putere, cum ar fi nodurile senzorilor fără fir. Când aerul curge peste palele turbinei, se dezvoltă o diferență netă de presiune între vitezele vântului deasupra și sub palele. Acest lucru va avea ca rezultat o forță de ridicare generată care, la rândul său, rotește lamele. Similar cu fotovoltaica, parcurile eoliene au fost construite la scară industrială și sunt utilizate pentru a genera cantități substanțiale de energie electrică.
  • Cristalele sau fibrele piezoelectrice generează o mică tensiune ori de câte ori sunt deformate mecanic. Vibrațiile de la motoare pot stimula materialele piezoelectrice, la fel și călcâiul unui pantof sau apăsarea unui buton.
  • Antenele speciale pot colecta energia din undele radio rătăcite, acest lucru se poate face și cu un Rectenna și teoretic la radiații EM cu frecvență chiar mai mare cu un Nantenna .
  • Alimentarea cu ajutorul tastelor apăsate în timpul utilizării unui dispozitiv electronic portabil sau a telecomenzii, utilizând magnet și bobină sau convertoare de energie piezoelectrice, poate fi utilizată pentru a ajuta la alimentarea dispozitivului.
  • Recoltarea energiei prin vibrații bazată pe inducție electromagnetică care folosește un magnet și o bobină de cupru în cele mai simple versiuni pentru a genera un curent care poate fi transformat în electricitate.

Recoltarea energiei RF

Recoltarea energiei prin radiofrecvență (RF) a cunoscut o dezvoltare rapidă în ultimii ani, din cauza numărului tot mai mare de surse de emițătoare RF care produc o cantitate abundentă de energie în microunde. Mai mult, dezvoltarea tehnologiilor de transmisie a energiei fără fir (WPT) a declanșat un impuls pentru recoltarea energiei RF. Prin urmare, eliminarea energiei RF este o soluție promițătoare, deoarece are potențialul de a furniza o sursă de energie durabilă pentru a satisface cererile viitoare. Eliminarea eficientă a energiei RF în mediul înconjurător este o problemă foarte dificilă, deoarece se ocupă de nivelurile reduse de putere RF disponibile în mediu. Nivelurile de putere recuperabile sunt în general necunoscute și pot varia imprevizibil; prin urmare, a stârnit interesul cercetării pentru a dezvolta captatori de energie RF foarte sensibili pentru a capta semnale RF ambientale într-o gamă de niveluri de putere de intrare reduse.

Surse de radiații ambientale

O posibilă sursă de energie provine de la emițătoare radio omniprezente. Din punct de vedere istoric, este necesară o zonă mare de colectare sau o apropiere de sursa de energie fără fir radiantă pentru a obține niveluri utile de putere din această sursă. Nantenna este una de dezvoltare propus , care ar depăși această limitare prin utilizarea de abundente radiații naturale (cum ar fi radiația solară ).

O idee este de a transmite deliberat energie RF către energie și de a colecta informații de pe dispozitive la distanță: acest lucru este acum obișnuit în sistemele de identificare pasivă cu frecvență radio (RFID), dar Comisia Federală pentru Siguranță și Comunicațiile Federale din SUA (și organismele echivalente din întreaga lume) limitează puterea maximă care pot fi transmise în acest fel la uz civil. Această metodă a fost utilizată pentru alimentarea nodurilor individuale într-o rețea de senzori fără fir

Debitul de fluid

Fluxul de aer poate fi recoltat prin diferite tehnologii de generare a turbinei și non-turbinei. Turbinele eoliene turnate și sistemele de energie eoliană în aer (AWES) exploatează fluxul de aer. De exemplu, microgeneratorul brevetat Windbeam de la Zephyr Energy Corporation captează energia din fluxul de aer pentru a reîncărca bateriile și alimenta dispozitivele electronice. Noul design al Windbeam îi permite să funcționeze silențios la viteze ale vântului de până la 2 mph. Generatorul este format dintr-un fascicul ușor suspendat de arcuri durabile de lungă durată într-un cadru exterior. Fasciculul oscilează rapid atunci când este expus la fluxul de aer datorită efectelor fenomenelor multiple de curgere a fluidului. Un ansamblu de alternator liniar transformă mișcarea fasciculului oscilant în energie electrică utilizabilă. Lipsa rulmenților și a angrenajelor elimină ineficiențele de frecare și zgomotul. Generatorul poate funcționa în medii cu lumină slabă, nepotrivite pentru panourile solare (de exemplu, conducte HVAC) și este ieftin datorită componentelor cu costuri reduse și a construcției simple. Tehnologia scalabilă poate fi optimizată pentru a satisface cerințele de energie și constrângerile de proiectare ale unei aplicații date.

Fluxul de sânge poate fi utilizat și pentru alimentarea dispozitivelor. De exemplu, stimulatorul cardiac dezvoltat la Universitatea din Berna folosește fluxul de sânge pentru a înfășura un arc care, la rândul său, acționează un microgenerator electric.

Fotovoltaic

Tehnologia fără fir de recoltare a energiei fotovoltaice (PV) oferă avantaje semnificative față de soluțiile de senzori cu fir sau numai alimentate cu baterii: surse de energie practic inepuizabile, cu efecte negative asupra mediului puțin sau deloc. Până în prezent, soluțiile de recoltare fotovoltaică din interior au fost alimentate cu siliciu amorf special reglat (aSi), o tehnologie cea mai utilizată în calculatoarele solare. În ultimii ani, noile tehnologii fotovoltaice au ajuns în prim plan în recoltarea energiei, cum ar fi celulele solare sensibilizate la colorant ( DSSC ). Coloranții absorb lumina la fel ca clorofila în plante. Electronii eliberați la impact scapă în stratul de TiO 2 și de acolo difuză, prin electrolit, deoarece vopseaua poate fi reglată la spectrul vizibil se poate produce o putere mult mai mare. La 200 lux un DSSC poate oferi peste 10 ew per cm 2 .

poza unui comutator de perete fără baterie și fără fir

Piezoelectric

Efectul piezoelectric transformă tensiunea mecanică în curent electric sau tensiune. Această tulpină poate proveni din mai multe surse diferite. Mișcarea umană, vibrațiile seismice de joasă frecvență și zgomotul acustic sunt exemple de zi cu zi. Cu excepția cazurilor rare, efectul piezoelectric funcționează în curent alternativ, necesitând intrări variabile în timp la rezonanță mecanică pentru a fi eficient.

Majoritatea surselor de electricitate piezoelectrice produc energie de ordinul miliwaților, prea mică pentru aplicarea sistemului, dar suficientă pentru dispozitive portabile, cum ar fi unele ceasuri de mână cu înfășurare automate disponibile în comerț. O propunere este că acestea sunt folosite pentru dispozitive cu micro-scară, cum ar fi într-un dispozitiv care recoltează energie microhidraulică. În acest dispozitiv, fluxul de fluid hidraulic presurizat acționează un piston alternativ susținut de trei elemente piezoelectrice care transformă fluctuațiile de presiune într-un curent alternativ.

Deoarece recoltarea energiei piezo-electrice a fost investigată abia de la sfârșitul anilor 1990, rămâne o tehnologie emergentă. Cu toate acestea, unele îmbunătățiri interesante au fost făcute cu comutatorul electronic auto-alimentat de la școala de inginerie INSA, implementat de spin-off Arveni. În 2006, a fost creată dovada conceptului unui buton fără fir cu sonerie fără baterie și recent, un produs a arătat că întrerupătorul de perete fără fir clasic poate fi alimentat de o mașină de recoltat piezo. Alte aplicații industriale au apărut între 2000 și 2005, pentru a culege energie din senzori de vibrație și furnizarea de exemplu, sau pentru a culege energie din șoc.

Sistemele piezoelectrice pot converti mișcarea din corpul uman în energie electrică. DARPA a finanțat eforturile de valorificare a energiei din mișcarea piciorului și brațului, impactul pantofilor și tensiunea arterială pentru o putere scăzută la senzori implantabili sau purtabili. Nanobrushurile sunt un alt exemplu de recoltator de energie piezoelectrică. Pot fi integrate în îmbrăcăminte. Multe alte nanostructuri au fost exploatate pentru a construi un dispozitiv de recoltare a energiei, de exemplu, o nanocentură PMN-PT cu un singur cristal a fost fabricată și asamblată într-o mașină de recoltat energie piezoelectrică în 2016. Este necesar un design atent pentru a minimiza disconfortul utilizatorului. Aceste surse de recoltare a energiei prin asociere afectează corpul. Proiectul de eliminare a energiei prin vibrații este un alt proiect creat pentru a încerca să elimine energia electrică din vibrațiile și mișcările mediului. Microbeltul poate fi folosit pentru a colecta electricitatea din respirație. În plus, pe măsură ce vibrația mișcării de la om vine în trei direcții, se creează o singură recoltatoare de energie omni-direcțională bazată pe consolă piezoelectrică utilizând rezonanță internă 1: 2. În cele din urmă, a fost deja creată o secerătoare de energie piezoelectrică la scară milimetrică.

Utilizarea materialelor piezoelectrice pentru recoltarea puterii a devenit deja populară. Materialele piezoelectrice au capacitatea de a transforma energia tensiunii mecanice în sarcină electrică. Elementele piezoidale sunt încorporate în pasarele pentru a recupera „energia oamenilor” pașilor. De asemenea, pot fi încorporați în pantofi pentru a recupera „energia mersului”. Cercetătorii de la MIT au dezvoltat prima recoltatoare de energie piezoelectrică la scară mică folosind film subțire PZT în 2005. Arman Hajati și Sang-Gook Kim au inventat dispozitivul de recoltare a energiei piezoelectrice pe scară largă de bandă ultra-largă, exploatând rigiditatea neliniară a unui sistem microelectromecanic dublu fixat. ( MEMSs ) rezonator. Tensiunea de întindere dintr-un fascicul dublu strâns prezintă o rigiditate neliniară, care oferă un feedback pasiv și are ca rezultat o rezonanță a modului Duffing rigidizată în amplitudine. De obicei, consolele piezoelectrice sunt adoptate pentru sistemul de recoltare a energiei menționat mai sus. Un dezavantaj este că consola piezoelectrică are distribuție de deformare în gradient, adică traductorul piezoelectric nu este utilizat pe deplin. Pentru a rezolva această problemă, sunt propuse în consolă în formă de triunghi și în formă de L pentru o distribuție uniformă a tulpinii.

În 2018, cercetătorii Universității Soochow au raportat hibridizarea unui nanogenerator triboelectric și a unei celule solare din siliciu prin partajarea unui electrod reciproc. Acest dispozitiv poate colecta energia solară sau transforma energia mecanică a picăturilor de ploaie care cad în electricitate.

Energia din drumurile inteligente și piezoelectricitatea

Unitate celulară tetragonală de titanat de plumb
Un disc piezoelectric generează o tensiune atunci când este deformat (schimbarea formei este mult exagerată)

Frații Pierre Curie și Jacques Curie au dat conceptul de efect piezoelectric în 1880. Efectul piezoelectric transformă tensiunea mecanică în tensiune sau curent electric și generează energie electrică din mișcări, greutate, vibrații și schimbări de temperatură, așa cum se arată în figură.

Având în vedere efectul piezoelectric în titanatul PZT de zirconat de plumb cu film subțire, a fost dezvoltat un dispozitiv generator de energie pentru sistemele microelectromecanice ( MEMS ). În timpul îmbunătățirilor recente în tehnologia piezoelectrică, Aqsa Abbasi (cunoscută și sub numele de Aqsa Aitbar, secretar general la IMS, capitolul IEEE MUET și Director Media la HYD MUN ) a diferențiat două moduri numite și în convertoare de vibrații și a fost reproiectat pentru a rezona la frecvențe specifice dintr-un sursă externă de energie a vibrațiilor, creând astfel energie electrică prin efectul piezoelectric folosind masa amortizată electromecanică. Cu toate acestea, Aqsa a dezvoltat în continuare dispozitive electrostatice structurate pe fascicule , care sunt mai greu de fabricat decât dispozitivele MEMZ PZT comparativ cu un dispozitiv similar, deoarece procesarea generală a siliciului implică mai mulți pași de mască care nu necesită film PZT. Senzorii și dispozitivele de acționare de tip piezoelectric au o structură de fascicul în consolă care constă dintr-un electrod de membrană de jos , film, film piezoelectric și electrod superior. Sunt necesare mai mult de (3 ~ 5 măști) pași de mască pentru modelarea fiecărui strat, în timp ce au tensiune indusă foarte scăzută. Cristale piroelectrice care au o axă polară unică și au polarizare spontană, de-a lungul căreia există polarizarea spontană. Acestea sunt cristalele din clasele 6mm , 4mm , mm2 , 6 , 4 , 3m , 3 , 2 , m . Axa polară specială - axa cristalofizică X3 - coincide cu axele L6 , L4 , L3 și L2 ale cristalelor sau se află în planul drept unic P (clasa „m”) . În consecință, centrele electrice ale sarcinilor pozitive și negative sunt deplasate de o celulă elementară din poziții de echilibru, adică se modifică polarizarea spontană a cristalului. Prin urmare, toate cristalele considerate au polarizare spontană . Întrucât efectul piezoelectric în cristalele piroelectrice apare ca urmare a modificărilor polarizării lor spontane sub efecte externe ( câmpuri electrice , solicitări mecanice). Ca urmare a deplasării, Aqsa Abbasi a introdus schimbarea componentelor de -a lungul celor trei axe . Să presupunem că este proporțional cu solicitările mecanice cauzate într-o primă aproximare, ceea ce rezultă în care Tkl reprezintă solicitarea mecanică și dikl reprezintă modulele piezoelectrice.

Filmele subțiri PZT au atras atenția pentru aplicații precum senzori de forță, accelerometre , actuatoare giroscopice, optică reglabilă, micropompe, RAM feroelectrică, sisteme de afișare și drumuri inteligente, atunci când sursele de energie sunt limitate, recoltarea energiei joacă un rol important în mediu. Drumurile inteligente au potențialul de a juca un rol important în generarea de energie electrică. Încorporarea materialului piezoelectric în drum poate converti presiunea exercitată de mișcarea vehiculelor în tensiune și curent.

Sistem inteligent de transport inteligent

Senzorii piezoelectrici sunt cei mai utili în tehnologiile smart-road care pot fi folosiți pentru a crea sisteme inteligente și pentru a îmbunătăți productivitatea pe termen lung. Imaginați-vă autostrăzile care alertează șoferii de un blocaj de trafic înainte de a se forma. Sau poduri care raportează atunci când sunt expuse riscului de prăbușire sau o rețea electrică care se remediază atunci când se întrerupe. Timp de mai multe decenii, oamenii de știință și experții au susținut că cel mai bun mod de a combate congestia este sistemul inteligent de transport, cum ar fi senzorii de pe drum pentru a măsura traficul și semafoarele sincronizate pentru a controla fluxul vehiculelor. Dar răspândirea acestor tehnologii a fost limitată de costuri. Există, de asemenea, alte proiecte pregătite pentru lopată cu tehnologie inteligentă , care ar putea fi implementate destul de repede, dar majoritatea tehnologiilor sunt încă în faza de dezvoltare și s-ar putea să nu fie practic disponibile timp de cinci ani sau mai mult.

Piroelectric

Efectul piroelectric transformă o schimbare de temperatură în curent electric sau tensiune. Este analog efectului piezoelectric , care este un alt tip de comportament feroelectric . Piroelectricitatea necesită intrări variabile în timp și suferă de puteri mici în aplicațiile de recoltare a energiei datorită frecvențelor sale de operare scăzute. Cu toate acestea, un avantaj cheie al piroelectricității față de termoelectrice este că multe materiale piroelectrice sunt stabile până la 1200 ⁰C sau mai mult, permițând recoltarea energiei din surse de temperatură ridicată și creșterea astfel a eficienței termodinamice .

O modalitate de a converti direct căldura reziduală în electricitate este prin executarea ciclului Olsen pe materiale piroelectrice. Ciclul Olsen constă din două procese izoterme și două procese izoelectrice în diagrama deplasare electrică-câmp electric (DE). Principiul ciclului Olsen este de a încărca un condensator prin răcire sub câmp electric scăzut și de a-l descărca sub încălzire la câmp electric mai mare. Au fost dezvoltate mai multe convertoare piroelectrice pentru a implementa ciclul Olsen folosind conducția, convecția sau radiația. S-a stabilit, de asemenea, teoretic că conversia piroelectrică bazată pe regenerarea căldurii folosind un fluid de lucru oscilant și ciclul Olsen pot atinge eficiența Carnot între un rezervor termic cald și unul rece. Mai mult decât atât, studii recente au stabilit polimeri trifluoretilen fluorură de poliviniliden [P (VDF-TrFE)] și ceramică de titanat de zirconat de lantan cu plumb (PLZT) ca materiale piroelectrice promițătoare de utilizat în convertoarele de energie datorită densităților lor mari de energie generate la temperaturi scăzute. În plus, a fost introdus recent un dispozitiv de eliminare a piroelectricității care nu necesită intrări variabile în timp. Dispozitivul de recoltare a energiei folosește câmpul electric care depolarizează marginile unui piroelectric încălzit pentru a converti energia termică în energie mecanică în loc să scoată curent electric de pe două plăci atașate la fețele de cristal.

Termoelectrice

Efect Seebeck într-un termopil din fire de fier și cupru

În 1821, Thomas Johann Seebeck a descoperit că un gradient termic format între doi conductori diferiți produce o tensiune. În centrul efectului termoelectric se află faptul că un gradient de temperatură într-un material conductor conduce la fluxul de căldură; aceasta are ca rezultat difuzia purtătorilor de sarcină. Fluxul purtătorilor de încărcare între regiunile calde și reci creează la rândul său o diferență de tensiune. În 1834, Jean Charles Athanase Peltier a descoperit că trecerea unui curent electric prin joncțiunea a doi conductori diferiți ar putea, în funcție de direcția curentului, să-l facă să acționeze ca un încălzitor sau răcitor. Căldura absorbită sau produsă este proporțională cu curentul, iar constanta de proporționalitate este cunoscută sub numele de coeficient Peltier. Astăzi, datorită cunoașterii efectelor Seebeck și Peltier , materialele termoelectrice pot fi utilizate ca încălzitoare, răcitoare și generatoare (TEG).

Materialele termoelectrice ideale au un coeficient Seebeck ridicat, conductivitate electrică ridicată și conductivitate termică scăzută. Conductivitatea termică scăzută este necesară pentru a menține un gradient termic ridicat la joncțiune. Modulele termoelectrice standard fabricate astăzi constau din semiconductori bismut-telurici dopați P și N dopați între două plăci ceramice metalizate. Plăcile ceramice adaugă rigiditate și izolație electrică sistemului. Semiconductorii sunt conectați electric în serie și termic în paralel.

Au fost dezvoltate termocupluri miniaturale care transformă căldura corpului în electricitate și generează 40  μ W la 3  V cu un gradient de temperatură de 5 grade, în timp ce la celălalt capăt al scalei, termocuplurile mari sunt utilizate în bateriile nucleare RTG .

Exemple practice sunt aparatul de măsurare a degetelor de la Holst Center și termogeneratorii de la Fraunhofer-Gesellschaft.

Avantajele termoelectrice:

  1. Nici o piesă în mișcare nu permite funcționarea continuă timp de mulți ani. Tellurex Corporation (o companie de producție termoelectrică) susține că termoelectricele sunt capabile de peste 100.000 de ore de funcționare în regim stabil.
  2. Termoelectricele nu conțin materiale care trebuie completate.
  3. Încălzirea și răcirea pot fi inversate.

Un dezavantaj al conversiei energiei termoelectrice este eficiența scăzută (în prezent mai mică de 10%). Dezvoltarea materialelor care sunt capabile să funcționeze în gradienți de temperatură mai înalți și care pot conduce bine electricitatea fără a conduce și căldura (ceva care până acum se credea imposibil), va duce la creșterea eficienței.

Lucrările viitoare în termoelectricitate ar putea fi transformarea căldurii irosite, cum ar fi arderea motorului de automobile, în electricitate.

Electrostatic (capacitiv)

Acest tip de recoltare se bazează pe capacitatea schimbătoare a condensatoarelor dependente de vibrații. Vibrațiile separă plăcile unui condensator variabil încărcat, iar energia mecanică este transformată în energie electrică. Recoltatoarele de energie electrostatică au nevoie de o sursă de polarizare pentru a funcționa și pentru a converti energia mecanică din vibrații în electricitate. Sursa de polarizare ar trebui să fie în ordinea unor sute de volți; acest lucru complică foarte mult circuitul de gestionare a energiei. O altă soluție constă în utilizarea de electroți , care sunt dielectrici încărcați electric capabili să mențină polarizarea pe condensator ani de zile. Este posibil să se adapteze structuri din generatoare clasice de inducție electrostatică, care extrag, de asemenea, energie din capacități variabile, în acest scop. Dispozitivele rezultate sunt auto-polarizate și pot încărca direct bateriile sau pot produce tensiuni în creștere exponențială pe condensatoarele de stocare, din care energia poate fi extrasă periodic de către convertoarele DC / DC.

Inducție magnetică

Inducția magnetică se referă la producerea unei forțe electromotoare (adică tensiune) într-un câmp magnetic în schimbare . Acest câmp magnetic în schimbare poate fi creat prin mișcare, fie prin rotație (adică efect Wiegand și senzori Wiegand ), fie prin mișcare liniară (adică vibrație ).

Magneții care se clatină pe un consolă sunt sensibili chiar la vibrații mici și generează microcurenți prin mișcare față de conductori datorită legii inducției Faraday . Prin dezvoltarea unui astfel de dispozitiv în miniatură în 2007, o echipă de la Universitatea din Southampton a făcut posibilă plantarea unui astfel de dispozitiv în medii care împiedică orice conexiune electrică cu lumea exterioară. Senzorii din locuri inaccesibile își pot genera acum propria putere și pot transmite date către receptoare externe.

Una dintre limitările majore ale secerătoarei de energie a vibrațiilor magnetice dezvoltată la Universitatea din Southampton este dimensiunea generatorului, în acest caz aproximativ un centimetru cub, care este mult prea mare pentru a se integra în tehnologiile mobile actuale. Generatorul complet, inclusiv circuitele, este masiv de 4 cm pe 4 cm pe 1 cm aproape de aceeași dimensiune ca unele dispozitive mobile, cum ar fi iPod nano. Reduceri suplimentare ale dimensiunilor sunt posibile prin integrarea de materiale noi și mai flexibile ca componentă a grinzii în consolă. În 2012, un grup de la Universitatea Northwestern a dezvoltat un generator de vibrații din polimer sub formă de arc. Acest dispozitiv a reușit să vizeze aceleași frecvențe ca și Universitatea din Southampton grupează dispozitivul bazat pe siliciu, dar cu o treime din dimensiunea componentei fasciculului.

O nouă abordare a recoltării energiei pe bază de inducție magnetică a fost, de asemenea, propusă prin utilizarea ferofluidelor. Articolul din jurnal, „Mașină de recoltat energie pe bază de ferofluid electromagnetic”, discută despre utilizarea ferofluidelor pentru recoltarea energiei vibraționale de joasă frecvență la 2,2 Hz cu o putere de ieșire de ~ 80 mW per g.

Destul de recent, schimbarea modelului peretelui domeniului cu aplicarea stresului a fost propusă ca metodă de recoltare a energiei folosind inducția magnetică. În acest studiu, autorii au arătat că stresul aplicat poate schimba modelul domeniului în microfire. Vibrațiile ambientale pot provoca stres în microfire, ceea ce poate induce o schimbare a modelului domeniului și, prin urmare, poate schimba inducția. A fost raportată puterea de ordinul uW / cm2.

Combină de recoltare a energiei prin vibrații cu succes comercial, bazată pe inducție magnetică, sunt încă relativ puține la număr. Exemplele includ produse dezvoltate de compania suedeză ReVibe Energy , o tehnologie derivată de la Saab Group . Un alt exemplu sunt produsele dezvoltate de la prototipurile timpurii ale Universității din Southampton de către Perpetuum. Acestea trebuie să fie suficient de mari pentru a genera puterea necesară nodurilor senzorului fără fir (wsn), dar în aplicațiile M2M acest lucru nu este în mod normal o problemă. Aceste mașini de recoltat sunt acum furnizate în cantități mari pentru producția de energie electrică fabricată de companii precum GE și Emerson și, de asemenea, pentru sistemele de monitorizare a rulmenților de trenuri produse de Perpetuum. Senzorii de linie electrică aeriană pot utiliza inducția magnetică pentru a recolta energia direct de la conductorul pe care îl monitorizează.

Zahăr din sânge

Un alt mod de recoltare a energiei este prin oxidarea zaharurilor din sânge. Aceste recoltatoare de energie se numesc biobaterii . Acestea ar putea fi utilizate pentru alimentarea dispozitivelor electronice implantate (de exemplu, stimulatoare cardiace, biosenzori implantați pentru diabetici, dispozitive RFID active implantate etc.). În prezent, Grupul Minteer al Universității Saint Louis a creat enzime care ar putea fi folosite pentru a genera energie din zaharurile din sânge. Cu toate acestea, enzimele ar trebui în continuare înlocuite după câțiva ani. În 2012, un stimulator cardiac a fost alimentat de celule de biocombustibil implantabile la Universitatea Clarkson sub conducerea Dr. Evgeny Katz.

Pe bază de arbori

Recoltarea energiei metabolice a copacilor este un tip de recoltare a bioenergiei. Voltree a dezvoltat o metodă de recoltare a energiei din copaci. Aceste recoltatoare de energie sunt utilizate pentru alimentarea senzorilor la distanță și a rețelelor de plasă ca bază pentru un sistem de desfășurare pe termen lung pentru monitorizarea incendiilor forestiere și a vremii din pădure. Potrivit site-ului Voltree, durata de viață utilă a unui astfel de dispozitiv ar trebui să fie limitată doar de durata de viață a arborelui la care este atașat. O mică rețea de testare a fost desfășurată recent într-o pădure din Parcul Național SUA.

Alte surse de energie din copaci includ captarea mișcării fizice a copacului într-un generator. Analiza teoretică a acestei surse de energie arată unele promisiuni în alimentarea dispozitivelor electronice mici. Un dispozitiv practic bazat pe această teorie a fost construit și a alimentat cu succes un nod senzor timp de un an.

Metamaterial

Un dispozitiv bazat pe metamaterial convertește fără fir un semnal de microunde de 900 MHz la 7,3 volți de curent continuu (mai mare decât cel al unui dispozitiv USB). Dispozitivul poate fi reglat pentru a recolta alte semnale, inclusiv semnale Wi-Fi, semnale prin satelit sau chiar semnale sonore. Dispozitivul experimental a folosit o serie de cinci conductoare din fibră de sticlă și cupru . Eficiența conversiei a atins 37%. Când antenele tradiționale sunt apropiate unele de altele în spațiu, ele interferează una cu cealaltă. Dar, din moment ce puterea RF coboară cu cubul distanței, cantitatea de putere este foarte foarte mică. În timp ce afirmația de 7,3 volți este mare, măsurarea este pentru un circuit deschis. Deoarece puterea este atât de redusă, nu poate exista aproape niciun curent atunci când este atașată vreo sarcină.

Modificări ale presiunii atmosferice

Presiunea atmosferei se schimbă în mod natural în timp, din cauza schimbărilor de temperatură și a modelelor meteorologice. Dispozitivele cu cameră etanșă pot utiliza aceste diferențe de presiune pentru a extrage energia. Aceasta a fost utilizată pentru a furniza energie ceasurilor mecanice, cum ar fi ceasul Atmos .

Energia Oceanului

Un concept relativ nou de a genera energie este acela de a genera energie din oceane. Mase mari de ape sunt prezente pe planetă, care transportă cu ele cantități mari de energie. Energia în acest caz poate fi generată de fluxurile de maree, valurile oceanelor, diferența de salinitate și diferența de temperatură. Începând din 2018, se desfășoară eforturi pentru recoltarea energiei în acest fel. Marina Statelor Unite a reușit recent să genereze electricitate folosind diferența de temperatură prezentă în ocean.

O metodă de utilizare a diferenței de temperatură la diferite niveluri ale termoclinei din ocean este utilizarea unui recoltator de energie termică care este echipat cu un material care schimbă faza în timp ce se află în diferite regiuni de temperatură. Acesta este de obicei un material pe bază de polimeri care poate gestiona tratamente termice reversibile. Când materialul se schimbă faza, diferențialul energetic este transformat în energie mecanică. Materialele utilizate vor trebui să poată modifica fazele, de la lichid la solid, în funcție de poziția termoclinei sub apă. Aceste materiale de schimbare de fază din cadrul unităților de recoltare a energiei termice ar fi o modalitate ideală de a reîncărca sau alimenta un vehicul subacvatic fără pilot (UUV), deoarece se va baza pe apa caldă și rece deja prezentă în corpurile mari de apă; minimizând necesitatea reîncărcării standard a bateriei. Captarea acestei energii ar permite misiuni pe termen mai lung, deoarece necesitatea de a fi colectată sau de returnare pentru încărcare poate fi eliminată. Aceasta este, de asemenea, o metodă foarte ecologică de alimentare a vehiculelor subacvatice. Nu există emisii care provin din utilizarea unui fluid de schimbare de fază și probabil va avea o durată de viață mai lungă decât cea a unei baterii standard.

Directii viitoare

Pentru recoltarea energiei au fost propuși polimeri electroactivi (EAP). Acești polimeri au o tensiune mare, densitate de energie elastică și eficiență ridicată de conversie a energiei. Se propune ca greutatea totală a sistemelor bazate pe EAP (polimeri electroactivi) să fie semnificativ mai mică decât cele bazate pe materiale piezoelectrice.

Nanogeneratorii , precum cel produs de Georgia Tech, ar putea oferi o nouă modalitate de alimentare a dispozitivelor fără baterii. Începând din 2008, generează doar câteva zeci de nanowați, care este prea scăzut pentru orice aplicație practică.

Zgomotul a făcut obiectul unei propuneri a Laboratorului NiPS din Italia de a recolta vibrații cu spectru larg la scară redusă printr-un mecanism dinamic neliniar care poate îmbunătăți eficiența secerătorului până la un factor 4 în comparație cu recoltatoarele liniare tradiționale.

Combinațiile diferitelor tipuri de recoltatoare de energie pot reduce și mai mult dependența de baterii, în special în medii în care tipurile de energie ambientală disponibile se schimbă periodic. Acest tip de recoltare de energie echilibrată complementară are potențialul de a crește fiabilitatea sistemelor de senzori fără fir pentru monitorizarea sănătății structurale.

Vezi si

Referințe

linkuri externe