Сыртқы көздерден энергия жинау

Кіріспе

Сыртқы көздерден энергия алу

Энергия жинау (ЭЖ) – қуатты жинау, энергияны қорғау немесе қоршаған ортаның энергиясы деп те аталады – энергияны сыртқы көздерден (мысалы, күн энергиясы, жылу энергиясы, жел энергиясы, тұздылық градиенттері және кинетикалық энергия, сондай-ақ қоршаған ортаның энергиясы) алу және оны киілетін электроника, жағдайды бақылау және сымсыз сенсорлық желілер сияқты кішкентай, сымсыз автономды құрылғыларды қуаттандыру үшін сақтау процесі. Энергия жинағыштар әдетте төмен қуатты электроника үшін өте аз қуат береді. Ірі масштабты энергия өндіруге қажетті отын ресурстары (мұнай, көмір және т.б.) шығындарға түсетін болса, энергия жинағыштардың энергия көзі қоршаған ортада табиғи түрде болады. Мысалы, жану қозғалтқышы жұмыс істеген кезде температура градиенттері пайда болады, ал қалалық аймақтарда радио және теледидар хабарларын тарату арқасында қоршаған ортада көп мөлшерде электромагниттік энергия бар. Электр энергиясын өндіру үшін қоршаған ортаның энергиясын пайдаланудың алғашқы мысалдарының бірі – электромагниттік сәулеленуді (ЭМС) пайдаланып кристалл радио жасаудың табысты тәжірибесі. Қоршаған ортаның ЭМС энергиясын жинау принциптерін қарапайым компоненттермен көрсетуге болады.

Операция

Қоршаған ортадан энергияны электр энергиясына түрлендіретін энергия жинау құрылғылары әскери және коммерциялық секторларда зор қызығушылық тудырды. Кейбір жүйелер мұхит толқындары сияқты қозғалысты электр энергиясына айналдырып, автономды жұмыс істеу үшін мұхиттық бақылау сенсорларымен пайдаланады. Болашақтағы қолданыстар алыс орналасқан жерлерде орналастырылған, жоғары қуатты шығару құрылғыларын (немесе мұндай құрылғылардың жиынтығын) қамтуы мүмкін, олар үлкен жүйелер үшін сенімді электр станциялары ретінде қызмет етеді. Тағы бір қолданыс – киілетін электроника саласында, мұнда энергия жинау құрылғылары ұялы телефондарды, ұялы компьютерлерді және радиобайланыс жабдықтарын қуаттандыруға немесе зарядтауға мүмкіндік береді. Мұндай құрылғылардың барлығы ұзақ мерзімді түрде қаушаты ортаға төзімді болуы керек, сондай-ақ толқын қозғалысының толық спектрін пайдалану үшін кең динамикалық сезімталдыққа ие болуы тиіс. Сонымен қатар, діріл толқындарынан электр қуатын өндірудің соңғы әдістерінің бірі – Auxetic Boosters-ті пайдалану болып табылады. Бұл әдіс пьезоэлектрлік діріл энергиясын жинау (PVEH) санатына жатады, мұнда жиналған электр энергиясын сымсыз сенсорларды, бақылау камераларын және басқа да «Заттар Интернеті» (IoT) құрылғыларын қуаттандыру үшін тікелей қолдануға болады.

Энергия жинақтау

Энергияны сондай-ақ MEMS технологиясын қолдана отырып жасалған кішкентай автономды сенсорларды қуаттандыру үшін жинауға болады. Бұл жүйелер көбінесе өте кішкентай және аз қуатты қажет етеді, бірақ олардың қолданылуы батареяға тәуелділікпен шектеледі. Қоршаған ортадағы дірілдерден, желден, жылудан немесе жарықтан энергияны жинау арқасында «ақылды» сенсорлар шексіз жұмыс істеуі мүмкін. Энергия жинақтау құрылымдарынан алынатын қуат тығыздығы нақты қолданылуына (генератордың мөлшеріне әсер етеді) және жинақтау генераторының конструкциясына байланысты. Жалпы, қозғалыспен жұмыс істейтін құрылғылар үшін, адам денесімен қуатталатын қолданулар үшін әдетте бірнеше мкВт/см³ және машиналармен қуатталатын генераторлар үшін жүздеген мкВт/см³ шамасында болады. Көбінесе киілетін электроника үшін энергия жинау құрылымдары өте аз қуат өндіреді.

Электр энергиясын сақтау

Жалпы, энергия конденсаторда, суперконденсаторда немесе батареяда сақталуы мүмкін. Конденсаторлар қолданбаға үлкен қуат импульстарын беру қажет болғанда қолданылады. Батареялар азырақ қуатты сыртқа шығарады, сондықтан құрылғыға тұрақты қуат ағыны қажет болғанда қолданылады. Батареяның осы сипаттамалары қолданылатын түріне байланысты. Бұл мақсат үшін ең көп қолданылатын батарея түрлері – қорғасын қышқылы немесе литий-иондық батареялар, бірақ никель-металл гидриді сияқты ескі түрлері де бүгінге дейін кеңінен қолданылады. Батареялармен салыстырғанда, суперконденсаторлардың зарядтау-разрядтау циклдары дерлік шексіз, сондықтан олар мәңгілік жұмыс істей алады, бұл IoT және сымсыз сенсорлық құрылғыларда техникалық қызмет көрсетуді қажет етпейтін жұмысты қамтамасыз етеді.

Қуатты пайдалану

Қазіргі уақытта төмен қуатты энергияны жинауға қызығушылық тәуелсіз сенсорлық желілерге байланысты. Мұндай қолданыстарда энергияны жинау схемасы қуатты конденсаторға сақтап, микропроцессорда немесе деректерді беруде пайдалану үшін оны күшейтеді/реттейді де, екінші сақтау конденсаторына немесе батареяға жібереді. Энергия көбінесе сенсорлық қолданыста қолданылады, ал деректер сақталады немесе, мүмкін, сымсыз жолмен жіберіледі.

Мотивация

Жаңа энергия жинақтау құрылғыларын іздеудің басты қозғаушы күштерінің бірі – сенсорлық желілер мен мобильді құрылғыларды сыртқы зарядтау немесе күтімді қажет ететін батареяларсыз қуаттандыру. Батареялардың шектеулі қызмет мерзімі, қоршаған ортаға тигізетін әсері, көлемі, салмағы және құны сияқты бірнеше кемшіліктері бар. Энергия жинақтау құрылғылары, қашықтан зондтау, киілетін электроника, жағдайды бақылау және сымсыз сенсорлық желілер сияқты аз қуат тұтынуды қажет ететін қолданбалар үшін балама немесе қосымша қуат көзі болуы мүмкін. Энергия жинақтау құрылғылары батареяның қызмет мерзімін ұзарта алады немесе кейбір қолданбаларды батареясыз жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Энергияны жинақтаудың тағы бір себебі – парниктік газдар шығарындыларын және табиғи отынды тұтынуды азайту арқылы климаттың өзгеру мәселесін шешу әлеуеті. Энергия жинақтау құрылғылары күн, жылу, жел және кинетикалық энергия сияқты қоршаған ортада көптеп таралған және кеңінен қолжетімді жаңартылатын және таза энергия көздерін пайдалана алады. Энергия жинақтау құрылғылары сондай-ақ энергия жоғалтуға және қоршаған ортаға әсер ететін қуат беру және тарату жүйелеріне деген қажеттілікті азайта алады. Осылайша, энергия жинақтау құрылғылары тұрақты және сенімді энергия жүйесін дамытуға үлес қоса алады. Энергияны жинақтау саласындағы соңғы зерттеулер пайдаланушылардың әрекеттері арқылы өздігінен қуат алатын құрылғылардың жаңаруына әкелді. Мысалы, батареясыз ойын автоматтары және басқа да ойыншықтар, пайдаланушының әрекеттерінен, мысалы, түймелерді басудан немесе тұтқаларды бұрудан туындайтын энергиямен жұмыс істейтін құрылғылардың мүмкіндіктерін көрсетеді. Бұл зерттеулер өзара әрекеттесулерден жиналған энергияның құрылғыларды қуаттандыруға ғана емес, сонымен қатар олардың автономды жұмыс істеу мерзімін ұзартуға, жаңартылатын энергия көздерін пайдалануға және дәстүрлі батареяларға тәуелділікті азайтуға қалай көмектесетінін көрсетеді.

Қоршаған ортадағы сәулелену көздері

Энергияның мүмкін көзі – кең таралған радио хабар таратушылар. Дәстүрлі түрде, осы көзден пайдалы қуат деңгейін алу үшін үлкен жинау алаңы немесе сәулеленетін сымсыз энергия көзіне жақын болу қажет еді. Нантена – бұл шектеуді жоюға бағытталған, кең табиғи сәулеленуді (мысалы, күн сәулеленуін) пайдаланатын ұсынылған әзірлеме. Бір идея – қасақана түрде радиожиіліктік энергияны тарату арқылы алыс құрылғыларды қуатпен қамтамасыз ету және олардан ақпарат жинау. Су энергиясын жинау саласында транзисторлық архитектураға ұқсас генераторлар сияқты дизайн жағынан жетістіктерге қол жеткізілді, бұл энергияны түрлендірудің жоғары тиімділігі мен қуат тығыздығына мүмкіндік берді.

Фотоэлектрлік

Фотоэлектрлік (ФЭ) энергияны жинаудың сымсыз технологиясы сымды немесе тек батареямен қуатталатын сенсорлық шешімдерге қарағанда маңызды артықшылықтар ұсынады: қоршаған ортаға аз немесе ешқандай зиян келтірмейтін, іс жүзінде таусылмайтын қуат көздері. Ішкі жарықтандырудағы ФЭ энергиясын жинау шешімдері қазірге дейін күн есептегіштерінде кеңінен қолданылатын арнайы реттелген аморфты кремний (aSi) технологиясымен қамтамасыз етілді. Соңғы жылдары энергия жинау саласында бояумен сезімталдандырылған күн элементтері (Dye Sensitized Solar Cells - DSSC) сияқты жаңа ФЭ технологиялары көшбасшылыққа шықты. Бояулар хлорофилл сияқты жарықты сіңіреді. Соқтығысқанда босатылған электрондар TiO2 қабатына өтеді және содан электролит арқылы таралады, себебі бояуды көзге көрінетін спектрге бейімдеуге болады, осылайша күштірек қуат өндірілуі мүмкін. 200 люкс жарық интенсивтілігінде DSSC 1 см²-ге 10 мкВт-тан астам қуат бере алады.

Пьезоэлектрлік

Пьезоэлектрлік эффект механикалық деформацияны электр тогына немесе кернеуге айналдырады. Бұл деформация әртүрлі көздерден туындауы мүмкін. Адамның қозғалысы, төмен жиілікті сейсмикалық дірілдер және дыбыстық шу – күнделікті мысалдар. Көбінесе пьезоэлектрлік эффект айнымалы ток режимінде жұмыс істейді, механикалық резонанста тиімді болу үшін уақыт бойынша өзгеретін кіріс қажет. Көптеген пьезоэлектрлік энергия көздері жүйелік қолдану үшін тым аз қуат – милливатттар деңгейінде шығарады, бірақ кейбір коммерциялық қолмен ұсталатын құрылғыларға, мысалы, автоматты түрде зарядталатын сағаттарға жеткілікті. Бір ұсыныс – оларды микрогидравликалық энергияны жинақтайтын құрылғы сияқты микродеңгейдегі құрылғыларда пайдалану. Пьезоэнергияны жинау 1990 жылдардың соңында ғана зерттелгендіктен, ол дамып келе жатқан технология болып табылады. Дегенмен, INSA инженерлік мектебінің Arveni спин-оф компаниясы өздігінен жұмыс істейтін электрондық коммутаторды жетілдіруде бірнеше қызықты жетістіктерге қол жеткізді. 2006 жылы батареясыз сымсыз есік қоңырауының түймесінің тұжырымдамалық үлгісі жасалды, ал жақында бір өнім классикалық сымсыз қабырғалық коммутаторды пьезожинағышпен қуаттауға болатынын көрсетті. 2000-2005 жылдар аралығында дірілден энергия жинап, сенсорларды қуаттау немесе соққыдан энергия жинау сияқты басқа да өнеркәсіптік қолданыстар пайда болды. Пьезоэлектрлік жүйелер адам денесінің қозғалысын электр энергиясына айналдыра алады. DARPA аяқ-қол қозғалысы, аяқ киімнің әсері және қан қысымынан энергияны жинауға, оны имплантацияланатын немесе киілетін сенсорларға аз қуат беруге бағытталған зерттеулерді қаржыландырды. Наношүберектер – пьезоэлектрлік энергия жинағыштың тағы бір мысалы. Оларды киімге енгізуге болады. Энергия жинақтайтын құрылғыны жасау үшін көптеген басқа да наноқұрылымдар пайдаланылды, мысалы, 2016 жылы бір кристалды PMN-PT нанобелті жасалып, пьезоэлектрлік энергия жинағышқа құрастырылды. Пайдаланушының ыңғайсыздығын азайту үшін мұқият жобалау қажет. Бұл энергия жинақтайтын көздердің денеге әсері бар. Діріл энергиясын жинақтау жобасы – қоршаған ортаның дірілінен және қозғалысынан электр энергиясын жинақтауға бағытталған тағы бір жоба. Микробелдеу тыныс алудан электр энергиясын жинау үшін қолданылуы мүмкін. Сонымен қатар, адамның қозғалысының дірілі үш бағытта болатындықтан, 1:2 ішкі резонансты пайдалану арқылы пиезоэлектрлік консольдік жан-жақты энергия жинағыш құрылды. Сондай-ақ миллиметрлік піезоэлектрлік энергия жинағыш та жасалды. Жаяу жүргіншілердің "адам энергиясын" қалпына келтіру үшін пиезоэлементтер жаяу жүргіншілер жолына орнатылады. Оларды "жүру энергиясын" қалпына келтіру үшін аяқ киімге де енгізуге болады. MIT зерттеушілері 2005 жылы жұқа пленкалы PZT-ны қолдана отырып, алғашқы микродеңгейдегі пьезоэлектрлік энергия жинағышын жасады. Арман Хаджати және Санг Гук Ким екі рет бекітілген микроэлектромеханикалық жүйелердің (MEMS) резонаторының сызықтық емес қатаңдығын пайдаланып, кең жолақты микродеңгейдегі пьезоэлектрлік энергия жинақтайтын құрылғыны ойлап тапты. Екі рет бекітілген сәуледегі созу деформациясы сызықтық емес қатаңдықты көрсетеді, бұл пассивті кері байланыс береді және амплитудасы қатайған Даффинг режиміндегі резонансқа әкеледі. Әдетте жоғарыда аталған энергия жинақтайтын жүйелер үшін пьезоэлектрлік консольдер қолданылады. Бір кемшілігі – пьезоэлектрлік консольдің градиенттік деформация таралуы бар, яғни пьезоэлектрлік түрлендіргіш толыққанды пайдаланылмайды. Бұл мәселені шешу үшін үшбұрышты және L-тәрізді консольдер біркелкі деформация таралуын қамтамасыз ету үшін ұсынылған. 2018 жылы Сучжоу университетінің зерттеушілері трибоэлектрлік наногенератор мен кремнийлі күн батареясын өзара электродымен бөлісу арқылы біріктіргенін хабарлады. Бұл құрылғы күн энергиясын жинақтай алады немесе жаңбыр тамшыларының механикалық энергиясын электр энергиясына айналдырады. Ұлыбританиялық Orange телекоммуникациялық компаниясы энергия жинақтайтын футболка мен аяқ киім жасады. Басқа компаниялар да солай істеді.

The piezoelectric effect converts mechanical strain into electric current or voltage. This strain can come from many different sources. Human motion, low frequency seismic vibrations, and acoustic noise are everyday examples. Except in rare instances the piezoelectric effect operates in AC requiring time varying inputs at mechanical resonance to be efficient. Most piezoelectric electricity sources produce power on the order of milliwatts, too small for system application, but enough for hand held devices such as some commercially available self winding wristwatches. One proposal is that they are used for micro scale devices, such as in a device harvesting micro hydraulic energy. In this device, the flow of pressurized hydraulic fluid drives a reciprocating piston supported by three piezoelectric elements which convert the pressure fluctuations into an alternating current. As piezo energy harvesting has been investigated only since the late 1990s, it remains an emerging technology. Nevertheless, some interesting improvements were made with the self powered electronic switch at INSA school of engineering, implemented by the spin off Arveni. In 2006, the proof of concept of a battery less wireless doorbell push button was created, and recently, a product showed that classical wireless wallswitch can be powered by a piezo harvester. Other industrial applications appeared between 2000 and 2005, to harvest energy from vibration and supply sensors for example, or to harvest energy from shock. Piezoelectric systems can convert motion from the human body into electrical power. DARPA has funded efforts to harness energy from leg and arm motion, shoe impacts, and blood pressure for low level power to implantable or wearable sensors. The nanobrushes are another example of a piezoelectric energy harvester. They can be integrated into clothing. Multiple other nanostructures have been exploited to build an energy harvesting device, for example, a single crystal PMN PT nanobelt was fabricated and assembled into a piezoelectric energy harvester in 2016. Careful design is needed to minimise user discomfort. These energy harvesting sources by association affect the body. The Vibration Energy Scavenging Project is another project that is set up to try to scavenge electrical energy from environmental vibrations and movements. Microbelt can be used to gather electricity from respiration. Besides, as the vibration of motion from human comes in three directions, a single piezoelectric cantilever based omni directional energy harvester is created by using 1:2 internal resonance. Finally, a millimeter scale piezoelectric energy harvester has also already been created. Piezo elements are being embedded in walkways to recover the "people energy" of footsteps. They can also be embedded in shoes to recover "walking energy". Researchers at MIT developed the first micro scale piezoelectric energy harvester using thin film PZT in 2005. Arman Hajati and Sang Gook Kim invented the Ultra Wide Bandwidth micro scale piezoelectric energy harvesting device by exploiting the nonlinear stiffness of a doubly clamped microelectromechanical systems (MEMSs) resonator. The stretching strain in a doubly clamped beam shows a nonlinear stiffness, which provides a passive feedback and results in amplitude stiffened Duffing mode resonance. Typically, piezoelectric cantilevers are adopted for the above mentioned energy harvesting system. One drawback is that the piezoelectric cantilever has gradient strain distribution, i. e., the piezoelectric transducer is not fully utilized. To address this issue, triangle shaped and L shaped cantilever are proposed for uniform strain distribution. In 2018, Soochow University researchers reported hybridizing a triboelectric nanogenerator and a silicon solar cell by sharing a mutual electrode. This device can collect solar energy or convert the mechanical energy of falling raindrops into electricity. UK telecom company Orange UK created an energy harvesting T shirt and boots. Other companies have also done the same.

Ақылды жолдар мен пьезоэлектр энергиясы

Пьер Кюри мен Жак Кюри ағайындылары 1880 жылы пьезоэлектрлік эффект туралы ұғым берді. Пьезоэлектрлік эффект механикалық деформацияны кернеуге немесе электр тогына айналдырады және суретте көрсетілгендей, қозғалыс, салмақ, діріл және температура өзгерістерінен электр энергиясын тудырады. Пьезоэлектрлік эффектті ескере отырып, жұқа пленкалы қорғасын цирконат титанаты (PZT) негізіндегі микроэлектромеханикалық жүйелердің (MEMS) қуатты өндіру құрылғысы жасалды. Пьезоэлектрлік технологияның соңғы жетістіктерінде Ақса Аббаси діріл түрлендіргіштерінде екі режимді ажыратты және сыртқы діріл энергиясынан белгілі бір жиілікте резонансқа келтірілді, соның арқасында электромеханикалық демпферлі массаны қолданып пьезоэлектрлік эффект арқылы электр энергиясы жасалады. Дегенмен, Ақса сәулелік құрылымды электростатикалық құрылғыларды одан әрі жетілдірді, оларды PZT MEMS құрылғыларымен салыстырғанда жасау қиынырақ, себебі жалпы кремнийді өңдеу PZT пленкасын қажет етпейтін көптеген маскалық қадамдарды қамтиды. Пьезоэлектрлік типтегі сенсорлар мен актuatorлар мембрананың төменгі электродынан, пленкадан, пьезоэлектрлік пленкадан және жоғарғы электродынан тұратын консольдік сәуле құрылымына ие. Әрбір қабатты қалыптастыру үшін (3-5 маска) маскалық қадамдар қажет, ал индукцияланған кернеу өте төмен. Бірегей полярлық оське ие және спонтанды поляризацияға ие пироэлектрлік кристалдар, олардың бойымен спонтанды поляризация бар. Бұл 6мм, 4мм, мм2, 6, 4, 3м, 3, 2, m кластарының кристалдары. Арнайы полярлық ось – кристаллофизикалық ось X3 – кристалдардың L6, L4, L3 және L2 осьтерімен сәйкес келеді немесе бірегей жазықтықта P ("m" класы) орналасқан. Осының салдарынан, оң және теріс зарядтардың электрлік орталықтары элементарлы жасушаның тепе-теңдік күйінен ығысады, яғни кристаллдың спонтанды поляризациясы өзгереді. Сондықтан, қарастырылған барлық кристалдар спонтанды поляризацияға ие. Пироэлектрлік кристалдардағы пьезоэлектрлік эффект сыртқы факторлардың (электр өрістері, механикалық кернеулер) әсерінен спонтанды поляризацияның өзгеруі нәтижесінде туындайды. Ақса Аббаси ығысу нәтижесінде барлық үш ось бойындағы компоненттердің өзгеруін енгізді. Бірінші жуықтауда бұл механикалық кернеулерге пропорционалды деп есептесек, онда Tkl механикалық кернеуді, ал dikl пьезоэлектрлік модульдерді көрсетеді.

Brothers Pierre Curie and Jacques Curie gave the concept of piezoelectric effect in 1880. Piezoelectric effect converts mechanical strain into voltage or electric current and generates electric energy from motion, weight, vibration and temperature changes as shown in the figure. Considering piezoelectric effect in thin film lead zirconate titanate PZT, microelectromechanical systems (MEMS) power generating device has been developed. During recent improvement in piezoelectric technology, Aqsa Abbasi ) diffentiated two modes called and in vibration converters and re designed to resonate at specific frequencies from an external vibration energy source, thereby creating electrical energy via the piezoelectric effect using electromechanical damped mass. However, Aqsa further developed beam structured electrostatic devices that are more difficult to fabricate than PZT MEMS devices versus a similar because general silicon processing involves many more mask steps that do not require PZT film. Piezoelectric type sensors and actuators have a cantilever beam structure that consists of a membrane bottom electrode, film, piezoelectric film, and top electrode. More than (3~5 masks) mask steps are required for patterning of each layer while have very low induced voltage. Pyroelectric crystals that have a unique polar axis and have spontaneous polarization, along which the spontaneous polarization exists. These are the crystals of classes 6mm, 4mm, mm2, 6, 4, 3m, 3,2, m. The special polar axis—crystallophysical axis X3 – coincides with the axes L6,L4, L3, and L2 of the crystals or lies in the unique straight plane P (class "m"). Consequently, the electric centers of positive and negative charges are displaced of an elementary cell from equilibrium positions, i. e., the spontaneous polarization of the crystal changes. Therefore, all considered crystals have spontaneous polarization Since
piezoelectric effect in pyroelectric crystals arises as a result of changes in their spontaneous polarization under external effects (electric fields, mechanical stresses). As a result of displacement, Aqsa Abbasi introduced change in the components along all three axes Suppose that is proportional to the mechanical stresses causing in a first approximation, which results where Tkl represents the mechanical stress and dikl represents the piezoelectric modules.

Пироэлектрлік

Пироэлектрлік әсер температураның өзгеруін электр тоғына немесе кернеуге айналдырады. Бұл пьезоэлектрлік әсерге ұқсас, ол ферроэлектрлік мінез-құлықтың тағы бір түрі. Пироэлектрлік құбылыс уақыт бойынша өзгеретін сигналдарды қажет етеді және энергия жинау саласындағы қолдануларда төмен жұмыс жиілігіне байланысты аз қуатты шығыстармен күреседі. Дегенмен, пироэлектрлік материалдардың термоэлектрлік материалдарға қарағанда бірнеше артықшылығы бар – көптеген пироэлектрлік материалдар 1200 °C немесе одан да жоғары температурада тұрақты болады, бұл жоғары температуралы көздерден энергия жинауға және термодинамикалық тиімділікті арттыруға мүмкіндік береді. Қалдық жылуды электр энергиясына тікелей түрлендірудің бір жолы – пироэлектрлік материалдарда Олсен циклын іске асыру. Олсен циклы электрлік ығысу электрлік өрісі (D E) диаграммасындағы екі изотермиялық және екі изоэлектрлік өрістік процестерден тұрады. Олсен циклының қағидасы – конденсаторды төмен электр өрісінде салқындату арқылы зарядтау және жоғары электр өрісінде қыздыру арқылы разрядтау. Олсен циклын жүзеге асыру үшін өткізу, конвекция немесе сәулелену арқылы жұмыс істейтін бірнеше пироэлектрлік түрлендіргіштер әзірленді. Теориялық тұрғыдан, жылуды жаңарту арқылы, термиялық резервуардың ыстық және суық температурасы арасында Олсен циклын қолдана отырып, Карно тиімділігіне жетуге болады. Сонымен қатар, жақындағы зерттеулер поливинилден фторид трифторэтилен [P(VDF TrFE)] полимерлері мен қорғасын лантан цирконат титанаты (PLZT) керамикаларын энергия түрлендіргіштерінде пайдалануға болатын перспективті пироэлектрлік материалдар ретінде анықтады, себебі олар төмен температурада жоғары энергия тығыздығын тудырады. Бұған қоса, жақында уақыт бойынша өзгеретін сигналдарды қажет етпейтін пироэлектрлік жинағыш құрылғысы ұсынылды. Энергия жинау құрылғысы қыздырылған пироэлектрдің шеткі деполяризациялық электр өрісін пайдаланады, энергияны механикалық энергияға түрлендіреді, кристалл беттеріне бекітілген екі пластинадан электр тоғын алудың орнына.

Электростатик (капацитивті)

Бұл жинақтау түрі тербеліске тәуелді конденсаторлардың өзгеретін сыйымдылығына негізделген. Тербелістер зарядталған өзгеретін конденсатордың қабаттарын бөліп, механикалық энергияны электр энергиясына түрлендіреді. Электростатикалық энергия жинағыштар жұмыс істеуі және тербелістерден механикалық энергияны электр энергиясына айналдыруы үшін поляризация көзіне мұқтаж. Поляризация көзі бірнеше жүз вольт деңгейінде болуы керек, бұл қуатты басқару тізбегін күрделілендіреді. Басқа бір шешім – электреттерді қолдану, олар жылдар бойы конденсатордағы поляризацияны сақтай алатын электрленген диэлектриктер. Бұл мақсатта энергияны өзгеретін сыйымдылықтан алатын классикалық электростатикалық индукция генераторларының құрылымдарын бейімдеуге болады. Нәтижесіндегі құрылғылар өздігінен бейімделеді, тікелей аккумуляторларды зарядтай алады немесе сақтау конденсаторларында экспоненциалды өсетін кернеуді тудыра алады, одан энергияны тұрақты токтан тұрақты токқа түрлендіргіштер арқылы мерзімді түрде алуға болады.

Магниттік индукция

Магниттік индукция – өзгермелі магнит өрісінде электр қозғаушы күштің (яғни кернеудің) туындауын білдіреді. Бұл өзгермелі магнит өрісі қозғалыс арқылы жасалуы мүмкін, мысалы, айналу (яғни Виганд эффектісі және Виганд сенсорлары) немесе сызықтық қозғалыс (яғни діріл). Кантеверде тербеліп тұрған магниттер тіпті кішкентай дірілдерге де сезімтал болады және Фарадейдің индукция заңы бойынша өткізгіштерге қатысты қозғалып, микротоктар тудырады. 2007 жылы Саутгемптон университетінің ғалымдары осындай миниатюралық құрылғыны жасап, оны сыртқы әлеммен электр байланысы жоқ ортаға орналастыруға мүмкіндік берді. Қол жеткізуге қиын жерлерде орналасқан сенсорлар өздері қуат өндіріп, деректерді сыртқы қабылдағыштарға жібере алады. Саутгемптон университетінде жасалған магниттік діріл энергиясын жинақтаушының басты кемшілігі – генератордың көлемі, ол шамамен бір куб сантиметрге тең, бұл бүгінгі мобильді технологияларға енгізу үшін тым үлкен. Толық генератор, схемалық тізбектерімен бірге, 4 см x 4 см x 1 см көлемде. Бұл құрылғы Саутгемптон университетінің кремнийлі құрылғысымен бірдей жиілікті нысанаға алады, бірақ сәулелік бөлігі үш есе кішкентай. Магниттік индукцияға негізделген энергияны жинаудың жаңа тәсілі ферроқойысқыштарды пайдалану арқылы ұсынылған. «Электромагниттік ферроқойысқышқа негізделген энергия жинақтаушы» атты мақалада ферроқойысқыштарды 2,2 Гц жиіліктің төмен жиілікті діріл энергиясын жинау үшін пайдалану, қуаттылығы шамамен 80 мВт/г екені талқыланады. Соңғы кезде, кернеу қолданғанда домендік қабырғалардың өзгеруі магниттік индукцияны пайдалану арқылы энергия жинау әдісі ретінде ұсынылды. Осы зерттеуде авторлар қолданған кернеу микросымдардағы домендік үлгіні өзгерте алатынын көрсетті. Сыртқы дірілдер микросымдарда кернеу тудыруы мүмкін, бұл домендік үлгідегі өзгерістерге және демек, индукцияның өзгеруіне әкеледі. uВт/см² шамасындағы қуат туралы хабарланды. Магниттік индукцияға негізделген діріл энергиясын жинақтаушылардың коммерциялық сәттілікке жеткендері әлі де аз. Мысалдардың бірі – швед компаниясы ReVibe Energy әзірлеген өнімдер, бұл технология Saab Group компаниясынан туындаған. Тағы бір мысал – Perpetuum компаниясы Саутгемптон университетінің алғашқы прототиптерінен әзірлеген өнімдер. Бұл құрылғылар сымсыз сенсорлық желілерге (WSN) қажетті қуатты өндіру үшін жеткілікті үлкен болуы керек, бірақ M2M қолданбаларында бұл көбінесе мәселе тудырмайды. Бұл жинақтағыштар қазір GE және Emerson сияқты компаниялар жасаған WSN-ді қуаттау үшін және Perpetuum компаниясы жасаған пойыз доңғалағының мониторинг жүйелері үшін үлкен көлемде жеткізілуде. Жоғары кернеулі электр желілерінің сенсорлары бақылап отырған өткізгіштен тікелей энергияны жинау үшін магниттік индукцияны пайдалана алады.

Magnetic induction refers to the production of an electromotive force (i. e., voltage) in a changing magnetic field. This changing magnetic field can be created by motion, either rotation (i. e. Wiegand effect and Wiegand sensors) or linear movement (i. e. vibration). Magnets wobbling on a cantilever are sensitive to even small vibrations and generate microcurrents by moving relative to conductors due to Faraday's law of induction. By developing a miniature device of this kind in 2007, a team from the University of Southampton made possible the planting of such a device in environments that preclude having any electrical connection to the outside world. Sensors in inaccessible places can now generate their own power and transmit data to outside receivers. One of the major limitations of the magnetic vibration energy harvester developed at University of Southampton is the size of the generator, in this case approximately one cubic centimeter, which is much too large to integrate into today's mobile technologies. The complete generator including circuitry is a massive 4 cm by 4 cm by 1 cm This device was able to target the same frequencies as the University of Southampton groups silicon based device but with one third the size of the beam component. A new approach to magnetic induction based energy harvesting has also been proposed by using ferrofluids. The journal article, "Electromagnetic ferrofluid based energy harvester", discusses the use of ferrofluids to harvest low frequency vibrational energy at 2.2 Hz with a power output of ~80 mW per g.

Quite recently, the change in domain wall pattern with the application of stress has been proposed as a method to harvest energy using magnetic induction. In this study, the authors have shown that the applied stress can change the domain pattern in microwires. Ambient vibrations can cause stress in microwires, which can induce a change in domain pattern and hence change the induction. Power, of the order of uW/cm2 has been reported. Commercially successful vibration energy harvesters based on magnetic induction are still relatively few in number. Examples include products developed by Swedish company ReVibe Energy, a technology spin out from Saab Group. Another example is the products developed from the early University of Southampton prototypes by Perpetuum. These have to be sufficiently large to generate the power required by wireless sensor nodes (WSN) but in M2M applications this is not normally an issue. These harvesters are now being supplied in large volumes to power WSNs made by companies such as GE and Emerson and also for train bearing monitoring systems made by Perpetuum. Overhead powerline sensors can use magnetic induction to harvest energy directly from the conductor they are monitoring.

Қандағы қант мөлшері

Энергияны жинаудың тағы бір жолы – қандағы қантты тотықтыру арқылы. Мұндай энергия жинағыштар биобатареялар деп аталады. Оларды имплантацияланған электрондық құрылғыларды қуаттандыруға болады (мысалы, кардиостимуляторлар, диабетпен ауыратын адамдарға арналған имплантацияланған биосенсорлар, имплантацияланған белсенді RFID құрылғылары сияқты). Қазіргі уақытта Сент-Луис университетінің Минтер тобы қандағы қанттан энергия өндіруге болатын ферменттер жасады. Дегенмен, ферменттерді бірнеше жыл сайын ауыстыру қажет болады. 2012 жылы доктор Евгений Кацтың жетекшілігімен Кларксон университетінде имплантацияланатын биожасушалар арқылы кардиостимулятор жұмыс істеді.

Ағаштан жасалған

Ағаш метаболизмінің энергиясын жинау – биоэнергияны жинаудың бір түрі. Voltree компаниясы ағаштардан энергия жинау әдісін әзірледі. Бұл энергия жинағыштар қашықтанғы сенсорларды және желілік жүйелерді қуаттандыру үшін қолданылады, бұл орман өрттерін және орман ішіндегі ауа райын бақылауға арналған ұзақ мерзімді жүйеге негізделген. Voltree веб-сайтында айтылғандай, мұндай құрылғының қызмет ету мерзімі тек оған бекітілген ағаштың өмір сүру ұзақтығымен ғана шектелуі тиіс. Жақында АҚШ Ұлттық паркінің орманында шағын сынақ желісі орнатылды. Ағаштардан энергия алудың басқа да көздері бар, мысалы, генераторда ағаш қозғалысын пайдалану. Бұл энергия көзін теориялық тұрғыдан талдау, шағын электрондық құрылғыларды қуатпен қамтамасыз етуде үміт береді. Осы теорияға негізделген практикалық құрылғы жасалып, бір жыл бойы сенсорлық түйіннің жұмыс істеуін қамтамасыз етті.

Метаматериалдар

Метаматериалға негізделген құрылғы 900 МГц микротолқынды сигналды сымсыз түрде 7,3 вольттік тұрақты токқа (USB құрылғысынан артық) түрлендіреді. Құрылғы Wi-Fi, спутниктік немесе тіпті дыбыстық сигналдарды қоса алғанда, басқа сигналдарды жинау үшін де реттелуі мүмкін. Эксперименттік құрылғыда бес шыны талшықтан және мыс өткізгіштер қолданылды. Түрлендіру тиімділігі 37 пайызды құрады. Дәстүрлі антенналар кеңістікте жақын орналасқанда бір-біріне кедергі келтіреді. Бірақ радиотолқын қуаты қашықтықтың кубымен төмендейтіндіктен, қуат мөлшері өте шағын болады. 7,3 вольт көрсеткіші әсерлі болғанымен, өлшеу ашық тізбек үшін жасалған. Қуат өте төмен болғандықтан, кез келген жүктеме қосылғанда ток мөлшері дерлік болмайды.

Атмосфералық қысымның өзгеруі

Атмосфера қысымы температура мен ауа райының өзгеруіне байланысты уақыт өте келе табиғи түрде өзгереді. Жабық камерасы бар құрылғылар осы қысымның айырмашылығын энергия алу үшін пайдалана алады. Бұл, мысалы, Atmos сағаты сияқты механикалық сағаттарды қуатпен қамтамасыз ету үшін қолданылған.

Мұхит энергиясы

Энергия өндірудің салыстырмалы түрде жаңа концепциясы – мұхиттардан энергия алу. Жер шарында зор мөлшерде су массалары бар, олар өте көп энергияны өздерімен бірге алып жүреді. Бұл жағдайда энергияны таяу ағындары, мұхит толқындары, тұздылықтың және температураның айырмашылығы арқылы өндіруге болады. 2018 жылдан бері энергияны осылай жинауға бағытталған жұмыстар жүргізілуде. АҚШ Әскери-теңіз күштері жақында мұхит суының температуралық айырмашылығын пайдаланып электр энергиясын өндіре алды. Теңіздегі термоклиннің әртүрлі деңгейлеріндегі температура айырмашылығын пайдаланудың бір жолы – әртүрлі температуралық аймақтарда фазалық өзгерістерге ұшырайтын материалмен жабдықталған жылу энергиясын жинау құрылғысын қолдану. Бұл әдетте, қайта-қайта жылумен өңдеуге төтеп бере алатын полимер негізді материал. Материал фазасын өзгерткенде, энергияның айырмасы механикалық энергияға айналады. Қолданылатын материалдар су асты термоклинінің орналасуына қарай сұйықтан қатты күйге ауысуға қабілетті болуы керек. Жылу энергиясын жинау құрылымдарындағы фазалық өзгерістерге ұшырайтын материалдар, адам басқарусыз су асты аппаратын (АСА) зарядтауға немесе қуатпен қамтамасыз етуге өте қолайлы, себебі ол үлкен су кеңістіктеріндегі жылы және салқын суға сүйенеді, бұл стандартты аккумуляторді зарядтау қажеттілігін азайтады. Бұл энергияны жинау ұзақ мерзімді миссияларды жүзеге асыруға мүмкіндік береді, өйткені оны жинауға немесе зарядтау үшін қайта оралу қажеттілігі болмайды. Бұл сондай-ақ су асты аппаратын қуаттандырудың экологиялық таза тәсілі. Фазалық өзгеріс сұйықтығын пайдаланудан зиянды шығарындылар пайда болмайды және оның қызмет ету мерзімі стандартты аккумулятордан ұзақ болады.