Сбор энергии из окружающей среды

Введение

Сбор энергии из внешних источников

Сбор энергии (EH) – также известный как аккумулирование энергии, извлечение энергии или энергия окружающей среды – это процесс получения энергии из внешних источников (например, солнечной энергии, тепловой энергии, энергии ветра, градиентов солёности и кинетической энергии, также известной как энергия окружающей среды), с последующим её накоплением для использования в небольших беспроводных автономных устройствах, таких как те, что применяются в носимой электронике, мониторинге технического состояния и беспроводных сенсорных сетях. Устройства сбора энергии обычно обеспечивают очень небольшую мощность для электроники с низким энергопотреблением. В то время как для крупномасштабной генерации энергии требуется затратное топливо (нефть, уголь и т.д.), источник энергии для устройств сбора энергии присутствует в окружающей среде как фоновое явление. Например, температурные градиенты возникают при работе двигателей внутреннего сгорания, а в городских районах в окружающей среде присутствует значительное количество электромагнитной энергии из-за радио- и телевизионного вещания. Одним из первых примеров использования энергии окружающей среды для производства электроэнергии было успешное применение электромагнитного излучения (ЭМИ) для работы кристального радиоприёмника. Принципы сбора энергии из окружающей среды ЭМИ могут быть продемонстрированы с использованием базовых компонентов.

Операция

Устройства сбора энергии, преобразующие энергию окружающей среды в электрическую, вызывают значительный интерес в военной и коммерческой сферах. Некоторые системы преобразуют движение, например, энергию океанских волн, в электричество для питания сенсоров океанографического мониторинга, обеспечивая их автономную работу. В перспективе возможно создание устройств с высокой выходной мощностью (или массивов таких устройств) для развертывания в удаленных районах и использования в качестве надежных источников питания для крупных систем. Другое применение – носимая электроника, где устройства сбора энергии могут питать или заряжать мобильные телефоны, портативные компьютеры и оборудование для радиосвязи. Все эти устройства должны обладать достаточной прочностью для длительной эксплуатации в агрессивных средах и широким диапазоном динамической чувствительности для эффективного использования всего спектра колебаний. Кроме того, одним из новейших методов генерации электроэнергии из вибраций является использование Auxetic Boosters. Этот метод относится к пьезоэлектрическому сбору энергии вибрации (PVEH), где полученная электрическая энергия может напрямую использоваться для питания беспроводных датчиков, камер наблюдения и других устройств Интернета вещей (IoT).

Аккумулирующаяся энергия

Энергию также можно использовать для питания небольших автономных датчиков, таких как те, которые разработаны с использованием технологии MEMS. Эти системы часто очень малы и потребляют мало энергии, но их применение ограничено зависимостью от батарей. Получение энергии из окружающей среды – вибраций, ветра, тепла или света – может обеспечить неограниченную работу интеллектуальных датчиков. Типичные значения плотности мощности, доступные от устройств сбора энергии, сильно зависят от конкретного применения (что влияет на размер генератора) и конструкции самого генератора. В общем случае, для устройств, приводимых в действие движением, типичные значения составляют несколько мкВт/см³ для приложений, использующих энергию человеческого тела, и сотни мкВт/см³ для генераторов, приводимых в действие машинами. Большинство устройств сбора энергии для носимой электроники генерируют очень небольшую мощность.

Хранение энергии

В общем, энергия может быть сохранена в конденсаторе, суперконденсаторе или батарее. Конденсаторы используются в тех случаях, когда приложению требуется выдавать большие импульсы энергии. Батареи теряют меньше энергии при хранении и поэтому применяются, когда устройству необходимо обеспечивать стабильный поток энергии. Эти характеристики батареи зависят от её типа. Распространенными типами батарей для этих целей являются свинцово-кислотные или литий-ионные, хотя более старые типы, такие как никель-металлгидридные, до сих пор широко используются. По сравнению с батареями, суперконденсаторы обладают практически неограниченным количеством циклов заряда-разряда и, следовательно, могут работать неограниченно долго, обеспечивая бесперебойную работу в устройствах IoT и беспроводных сенсорных сетях.

Использование энергии

В настоящее время повышенный интерес к сбору энергии малой мощности обусловлен применением в автономных сенсорных сетях. В таких приложениях схема сбора энергии накапливает энергию в конденсаторе, а затем повышает/стабилизирует напряжение для хранения во втором конденсаторе или аккумуляторе, необходимом для работы микропроцессора или передачи данных. Энергия обычно используется в сенсорных приложениях, при этом данные сохраняются или передаются, в том числе и по беспроводной связи.

Мотивация

Одной из основных движущих сил в поисках новых устройств сбора энергии является стремление питать сенсорные сети и мобильные устройства без батарей, требующих внешней зарядки или обслуживания. Батареи имеют ряд ограничений, таких как ограниченный срок службы, воздействие на окружающую среду, размер, вес и стоимость. Устройства сбора энергии могут служить альтернативным или дополнительным источником питания для приложений с низким энергопотреблением, таких как дистанционное зондирование, носимая электроника, мониторинг состояния и беспроводные сенсорные сети. Устройства сбора энергии также могут увеличить срок службы батареи или обеспечить работу некоторых приложений без батарей. Другая мотивация для сбора энергии – потенциальная возможность решения проблемы изменения климата за счет сокращения выбросов парниковых газов и потребления ископаемого топлива. Устройства сбора энергии могут использовать возобновляемые и чистые источники энергии, которые в изобилии и повсеместно доступны в окружающей среде, такие как солнечная, тепловая, ветровая и кинетическая энергия. Они также могут снизить потребность в системах передачи и распределения энергии, которые приводят к потерям энергии и негативному воздействию на окружающую среду. Таким образом, устройства сбора энергии могут способствовать развитию более устойчивой и надежной энергетической системы. Недавние исследования в области сбора энергии привели к созданию устройств, способных питаться от взаимодействия с пользователем. Яркими примерами являются игровые консоли и другие игрушки, работающие без батарей, демонстрирующие потенциал устройств, питаемых энергией, генерируемой действиями пользователя, такими как нажатие кнопок или вращение ручек. Эти исследования показывают, что энергия, получаемая от взаимодействия, может не только питать сами устройства, но и увеличивать их автономность, способствуя использованию возобновляемых источников энергии и снижая зависимость от традиционных батарей.

Источники окружающей среды

Возможный источник энергии – повсеместные радиопередатчики. Исторически для получения полезных уровней мощности от этого источника требовалась большая площадь приема или близкое расположение к излучающему источнику беспроводной энергии. Нантенна – одно из предложенных решений, которое призвано преодолеть это ограничение, используя обильное природное излучение (например, солнечное). Одна из идей заключается в намеренном излучении радиочастотной энергии для питания и сбора информации с удаленных устройств. В области сбора энергии из воды достигнуты успехи в разработке, например, генераторы с архитектурой, подобной транзисторной, обеспечивающие высокую эффективность преобразования энергии и плотность мощности.

Фотоэлектрические

Беспроводная технология сбора энергии от фотоэлектрических (ФЭ) элементов предлагает значительные преимущества по сравнению с проводными или работающими исключительно от батарей решениями: практически неисчерпаемые источники энергии с минимальным или отсутствующим негативным воздействием на окружающую среду. До настоящего времени решения для сбора энергии ФЭ в помещениях использовали специально настроенный аморфный кремний (aSi) – технологию, наиболее часто применяемую в солнечных калькуляторах. В последние годы на передний план в области сбора энергии вышли новые ФЭ-технологии, такие как солнечные элементы с использованием красителей (DSSC - Dye Sensitized Solar Cells). Красители поглощают свет аналогично хлорофиллу в растениях. Электроны, высвобождаемые при поглощении света, переходят в слой TiO2 и оттуда диффундируют через электролит; благодаря возможности настройки красителей на видимый спектр, можно получить значительно большую мощность. При освещенности 200 люкс DSSC может обеспечивать более 10 мкВт на см².

Пьезоэлектрические

Пьезоэлектрический эффект преобразует механическое напряжение в электрический ток или напряжение. Это напряжение может возникать из различных источников. Движение человека, низкочастотные сейсмические колебания и акустический шум – типичные примеры. За исключением редких случаев, пьезоэлектрический эффект работает в режиме переменного тока, требуя изменяющихся во времени входных воздействий на частоте механического резонанса для достижения эффективности. Большинство пьезоэлектрических источников энергии производят мощность порядка милливатт, что недостаточно для применения в системах, но достаточно для портативных устройств, таких как некоторые коммерчески доступные самозаводящиеся наручные часы. Одно из предложений заключается в их использовании в микроустройствах, например, в устройстве для сбора микрогидравлической энергии. В этом устройстве поток гидравлической жидкости под давлением приводит в движение возвратно-поступательный поршень, поддерживаемый тремя пьезоэлектрическими элементами, которые преобразуют колебания давления в переменный ток. Поскольку исследование сбора пьезоэнергии началось только в конце 1990-х годов, это остается развивающейся технологией. Тем не менее, были достигнуты некоторые интересные улучшения, например, самопитаемый электронный переключатель, разработанный в инженерной школе INSA и реализованный компанией Arveni. В 2006 году был создан прототип беспроводной кнопки дверного звонка без батареи, а недавно был представлен продукт, демонстрирующий, что классический беспроводной выключатель может питаться от пьезоэлектрического преобразователя энергии. Другие промышленные применения появились в период с 2000 по 2005 год, например, для сбора энергии от вибрации и питания датчиков, или для сбора энергии от ударных воздействий. Пьезоэлектрические системы могут преобразовывать движение человеческого тела в электрическую энергию. DARPA финансирует разработку устройств для сбора энергии от движения ног и рук, ударов обуви и артериального давления для питания имплантируемых или носимых датчиков. Нанощетки – еще один пример пьезоэлектрического преобразователя энергии. Их можно интегрировать в одежду. Для создания устройств сбора энергии использовались и другие наноструктуры, например, в 2016 году был изготовлен и собран наноленточный монокристалл PMN-PT в пьезоэлектрический преобразователь энергии. Требуется тщательное проектирование для минимизации дискомфорта пользователя. Эти источники энергии, собирающие энергию, оказывают воздействие на организм. Проект по сбору энергии от вибрации – еще один проект, направленный на сбор электрической энергии из вибраций и движений окружающей среды. Микроленты могут использоваться для сбора электричества из дыхания. Кроме того, поскольку вибрация от движения человека происходит в трех направлениях, пьезоэлектрический консольный всенаправленный преобразователь энергии был создан с использованием внутреннего резонанса 1:2. Наконец, уже создан пьезоэлектрический преобразователь энергии миллиметрового масштаба. Пьезоэлементы встраиваются в пешеходные дорожки для восстановления "энергии людей" от шагов. Их также можно встраивать в обувь для восстановления "энергии ходьбы". Исследователи из MIT разработали первый микромасштабный пьезоэлектрический преобразователь энергии, использующий тонкопленочный PZT в 2005 году. Арман Хаджати и Санг Гук Ким изобрели микромасштабное пьезоэлектрическое устройство сбора энергии сверхширокой полосы пропускания, используя нелинейную жесткость двухопорного резонатора микроэлектромеханических систем (МЭМС). Напряжение в двухопорной балке проявляет нелинейную жесткость, которая обеспечивает пассивную обратную связь и приводит к резонансу в режиме Даффинга с усилением амплитуды. Обычно для вышеупомянутой системы сбора энергии используются пьезоэлектрические консоли. Одним из недостатков является то, что пьезоэлектрическая консоль имеет градиентное распределение деформации, то есть пьезоэлектрический преобразователь используется не полностью. Для решения этой проблемы предлагаются треугольные и L-образные консоли для равномерного распределения деформации. В 2018 году исследователи из Университета Сучжоу сообщили о гибридизации трибоэлектрического наногенератора и кремниевого солнечного элемента путем совместного использования общего электрода. Это устройство может собирать солнечную энергию или преобразовывать механическую энергию падающих капель дождя в электричество. Британская телекоммуникационная компания Orange UK создала футболку и ботинки, собирающие энергию. Другие компании также сделали то же самое.

Энергия от умных дорог и пьезоэлектричества

Братья Пьер и Жак Кюри сформулировали концепцию пьезоэлектрического эффекта в 1880 году. Пьезоэлектрический эффект преобразует механическое напряжение в напряжение или электрический ток и генерирует электрическую энергию из движения, веса, вибрации и изменений температуры, как показано на рисунке. С учетом пьезоэлектрического эффекта в тонкой пленке цирконата-титаната свинца (PZT) было разработано устройство для генерации энергии микроэлектромеханических систем (MEMS). В ходе последних усовершенствований пьезоэлектрической технологии, Aqsa Abbasi выделила два режима в вибрационных преобразователях и перепроектировала их для резонанса на определенных частотах от внешнего источника энергии вибрации, тем самым создавая электрическую энергию посредством пьезоэлектрического эффекта с использованием электромеханически демпфированной массы. Однако Aqsa также разработала устройства электростатического типа с лучевой структурой, которые сложнее в изготовлении, чем PZT MEMS, поскольку стандартная обработка кремния включает в себя значительно большее количество этапов маскирования, не требующих использования пленки PZT. Пьезоэлектрические датчики и актуаторы имеют консольную балку, состоящую из мембранного нижнего электрода, подложки, пьезоэлектрической пленки и верхнего электрода. Для формирования каждого слоя требуется более (3–5) этапов маскирования, при этом индуцированное напряжение очень низкое. Пироэлектрические кристаллы обладают уникальной полярной осью и спонтанной поляризацией, вдоль которой эта поляризация существует. К ним относятся кристаллы классов 6мм, 4мм, мм2, 6, 4, 3м, 3, 2, m. Особая полярная ось – кристаллофизическая ось X3 – совпадает с осями L6, L4, L3 и L2 кристаллов или лежит в уникальной плоскости P (класс "m"). В результате электрические центры положительных и отрицательных зарядов смещаются из положения равновесия в элементарной ячейке, то есть спонтанная поляризация кристалла изменяется. Следовательно, все рассматриваемые кристаллы обладают спонтанной поляризацией, поскольку пьезоэлектрический эффект в пироэлектрических кристаллах возникает из-за изменения их спонтанной поляризации под воздействием внешних факторов (электрических полей, механических напряжений). В результате этого смещения Aqsa Abbasi ввела изменение компонентов вдоль всех трех осей. Предположим, что это изменение пропорционально механическим напряжениям, вызывающим его в первом приближении, что приводит к следующему: где Tkl представляет механическое напряжение, а dikl – пьезоэлектрические модули.

Пироэлектрические

Пироэлектрический эффект преобразует изменение температуры в электрический ток или напряжение. Он аналогичен пьезоэлектрическому эффекту, являющемуся другим типом ферроэлектрического поведения. Пироэлектричество требует переменных во времени входных сигналов и характеризуется небольшой выходной мощностью в приложениях по сбору энергии из-за его низких рабочих частот. Однако одним из ключевых преимуществ пироэлектриков перед термоэлектрическими устройствами является то, что многие пироэлектрические материалы стабильны при температурах до 1200 °C и выше, что позволяет осуществлять сбор энергии от высокотемпературных источников и, следовательно, повышать термодинамическую эффективность. Один из способов непосредственного преобразования отработанного тепла в электроэнергию – реализация цикла Олсена на пироэлектрических материалах. Цикл Олсена состоит из двух изотермических и двух изоэлектрических процессов на диаграмме «электрическое смещение – электрическое поле» (D E). Принцип цикла Олсена заключается в заряде конденсатора при охлаждении под воздействием низкого электрического поля и его разряде при нагревании под воздействием более высокого электрического поля. Для реализации цикла Олсена с использованием теплопроводности, конвекции или излучения разработано несколько пироэлектрических преобразователей. Теоретически установлено, что пироэлектрическое преобразование, основанное на регенерации тепла с использованием колеблющейся рабочей среды и цикла Олсена, может достигать эффективности Карно между горячим и холодным тепловыми резервуарами. Кроме того, недавние исследования выявили полимеры трифторэтилена поливинилиденфторида [P(VDF TrFE)] и керамику титаната цирконата лантана свинца (PLZT) как перспективные пироэлектрические материалы для использования в преобразователях энергии благодаря высокой плотности энергии, генерируемой при низких температурах. Помимо этого, недавно было представлено пироэлектрическое устройство для извлечения энергии, не требующее переменных во времени входных сигналов. Устройство для сбора энергии использует краевое деполяризующее электрическое поле нагретого пироэлектрика для преобразования тепловой энергии в механическую, а не для снятия электрического тока с двух пластин, прикрепленных к граням кристалла.

Электростатические (емкостные)

Этот тип сбора энергии основан на изменении ёмкости виброзависимых конденсаторов. Вибрации разводят обкладки заряженного переменного конденсатора, и механическая энергия преобразуется в электрическую. Электростатические преобразователи энергии нуждаются в источнике поляризации для работы и преобразования механической энергии вибраций в электричество. Источник поляризации должен быть порядка нескольких сотен вольт, что значительно усложняет схему управления питанием. Альтернативное решение заключается в использовании электроретов – электрически заряженных диэлектриков, способных сохранять поляризацию на конденсаторе в течение многих лет. Для этой цели можно адаптировать конструкции классических электростатических генераторов, которые также извлекают энергию из изменяющейся ёмкости. Получаемые устройства являются самовозбуждающимися и могут напрямую заряжать аккумуляторы или генерировать экспоненциально возрастающее напряжение на накопительных конденсаторах, из которых энергия может периодически извлекаться DC/DC-преобразователями.

Магнитная индукция

Магнитная индукция – это процесс создания электродвижущей силы (т.е. напряжения) в изменяющемся магнитном поле. Это изменяющееся магнитное поле может быть создано движением, будь то вращение (например, эффект Виганда и датчики Виганда) или линейное перемещение (например, вибрация). Магниты, колеблющиеся на консолях, чувствительны даже к незначительным вибрациям и генерируют микротоки, перемещаясь относительно проводников в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея. Разработав в 2007 году миниатюрное устройство такого типа, команда из Университета Саутгемптона сделала возможным размещение подобных устройств в средах, где любое электрическое соединение с внешним миром исключено. Датчики, установленные в труднодоступных местах, теперь могут генерировать собственную энергию и передавать данные внешним приемникам. Одним из основных ограничений магнитного вибрационного преобразователя энергии, разработанного в Университете Саутгемптона, является размер генератора – примерно один кубический сантиметр, что слишком много для интеграции в современные мобильные технологии. Полный генератор, включая схему, имеет внушительные размеры 4 см x 4 см x 1 см. Это устройство способно работать с теми же частотами, что и кремниевое устройство, разработанное группой Университета Саутгемптона, но при этом размер балки составляет одну треть от размера аналогичного компонента. Также был предложен новый подход к сбору энергии на основе магнитной индукции с использованием феррожидкостей. В статье журнала «Электромагнитный феррофлюидный преобразователь энергии» рассматривается использование феррожидкостей для сбора низкочастотной вибрационной энергии на частоте 2,2 Гц с выходной мощностью около 80 мВт на грамм.

Недавно изменение структуры магнитных доменов при приложении напряжения было предложено в качестве метода сбора энергии с использованием магнитной индукции. В данном исследовании авторы показали, что приложенное напряжение может изменять структуру доменов в микропроводах. Окружающие вибрации могут вызывать напряжение в микропроводах, что, в свою очередь, может приводить к изменению структуры доменов и, следовательно, к изменению индукции. Сообщалось о мощности порядка мкВт/см². Коммерчески успешных преобразователей вибрационной энергии на основе магнитной индукции пока относительно немного. Примеры включают продукцию, разработанную шведской компанией ReVibe Energy, являющейся технологическим спин-оффом Saab Group. Другой пример – продукция, разработанная компанией Perpetuum на основе ранних прототипов Университета Саутгемптона. Эти устройства должны быть достаточно большими, чтобы генерировать мощность, необходимую для беспроводных сенсорных сетей (WSN), но в приложениях M2M это обычно не является проблемой. В настоящее время эти преобразователи поставляются в больших объемах для питания WSN, производимых такими компаниями, как GE и Emerson, а также для систем мониторинга подшипников поездов, производимых Perpetuum. Сенсоры, устанавливаемые на линиях электропередач, могут использовать магнитную индукцию для сбора энергии непосредственно от контролируемого проводника.

Сахар в крови

Еще один способ сбора энергии – окисление глюкозы крови. Эти устройства для сбора энергии называются биобатареями. Их можно использовать для питания имплантируемых электронных устройств (например, кардиостимуляторов, имплантированных биосенсоров для диабетиков, имплантированных активных RFID-устройств и т.д.). В настоящее время группа Минтера из университета Сент-Луиса разработала ферменты, которые можно использовать для генерации энергии из глюкозы крови. Однако эти ферменты все равно потребуется заменять каждые несколько лет. В 2012 году в Университете Кларксона под руководством доктора Евгения Каца кардиостимулятор был запитан от имплантируемых биотопливных элементов.

На основе дерева

Сбор метаболической энергии деревьев – это вид биоэнергетического сбора энергии. Voltree разработал метод сбора энергии из деревьев. Эти устройства для сбора энергии используются для питания удалённых датчиков и mesh-сетей, являясь основой для системы долговременного мониторинга лесных пожаров и погоды в лесу. Согласно веб-сайту Voltree, срок службы такого устройства должен ограничиваться лишь продолжительностью жизни дерева, к которому оно прикреплено. Небольшая тестовая сеть была недавно развёрнута в лесу национального парка США. Другие источники энергии, получаемой от деревьев, включают в себя преобразование физических движений дерева в энергию с помощью генератора. Теоретический анализ этого источника энергии демонстрирует перспективность его использования для питания небольших электронных устройств. На основе этой теории было создано практическое устройство, которое успешно обеспечивало питание сенсорного узла в течение года.

Метаматериал

Устройство на основе метаматериала беспроводным способом преобразует микроволновой сигнал частотой 900 МГц в 7,3 вольта постоянного тока (что превышает напряжение USB-устройства). Устройство можно настроить для сбора других сигналов, включая сигналы Wi-Fi, спутниковые сигналы или даже звуковые сигналы. В экспериментальном устройстве использовалась последовательность из пяти проводников из стекловолокна и меди. Эффективность преобразования достигла 37 процентов. Когда традиционные антенны расположены близко друг к другу, они создают взаимные помехи. Однако мощность радиочастотного сигнала уменьшается пропорционально кубу расстояния, поэтому количество энергии очень мало. Несмотря на заявленные 7,3 вольта, измерение проводилось на разомкнутой цепи. Ввиду столь низкой мощности, при подключении любой нагрузки ток будет практически отсутствовать.

Изменения атмосферного давления

Давление атмосферы естественным образом изменяется со временем из-за колебаний температуры и погодных условий. Устройства с герметичной камерой могут использовать эти перепады давления для получения энергии. Этот принцип применяется для питания механических часов, например, часов Atmos.

Энергия океана

Относительно новая концепция генерации энергии – это получение энергии из океанов. На планете присутствуют огромные массы воды, содержащие значительные запасы энергии. Эту энергию можно получать за счет приливных течений, океанских волн, разницы в солености и разницы в температуре. По состоянию на 2018 год ведутся работы по освоению этого способа получения энергии. ВМС США недавно смогли генерировать электроэнергию, используя разницу температур в океане. Один из методов использования разницы температур на разных уровнях термоклина в океане – применение термоэнергетического преобразователя, оснащенного материалом, изменяющим фазовое состояние в зависимости от температуры. Обычно это полимерный материал, способный выдерживать обратимую термическую обработку. При изменении фазового состояния энергетический перепад преобразуется в механическую энергию. Используемые материалы должны иметь возможность переходить из жидкого состояния в твердое и обратно, в зависимости от положения термоклина под водой. Такие материалы, изменяющие фазу, в составе термоэнергетических установок могут стать идеальным способом подзарядки или питания беспилотного подводного аппарата (БПА), поскольку он сможет использовать уже существующие в больших водоемах слои теплой и холодной воды, что снизит необходимость в стандартной зарядке аккумуляторов. Освоение этой энергии позволит проводить более длительные миссии, поскольку отпадет необходимость в возврате аппарата для подзарядки. Кроме того, это экологически чистый способ питания подводных аппаратов. Использование жидкости с изменением фазы не приводит к выбросам и, вероятно, обеспечит более длительный срок службы по сравнению со стандартными аккумуляторами.