Energiatermelés - Energy harvesting

Az energiagyűjtés (más néven energiagyűjtés vagy energiaelnyelés vagy környezeti energia ) az a folyamat, amelynek során az energiát külső forrásokból nyerik (pl. Napenergia , hőenergia , szélenergia , sótartalom gradiensek és mozgási energia , más néven környezeti energia) ), rögzített és tárolt kis, vezeték nélküli, önálló eszközökhöz, például a hordható elektronikában és a vezeték nélküli érzékelőhálózatokban használt eszközökhöz .

Az energiatakarítók nagyon kis mennyiségű energiát biztosítanak az alacsony energiájú elektronikához. Míg egyes nagyüzemi termelésekhez felhasznált üzemanyag erőforrásokba (olaj, szén stb.) Kerül, az energia betakarítók energiaforrása környezeti háttérként van jelen. Például hőmérsékleti gradiensek léteznek a belső égésű motor működéséből, és városi területeken a rádió- és televíziós műsorszórás miatt nagy mennyiségű elektromágneses energia van a környezetben.

A környezeti elektromágneses sugárzás (EMR) által gyűjtött környezeti energia egyik legkorábbi alkalmazása a kristályrádió .

A környezeti EMR -ből származó energiagyűjtés elvei alapvető összetevőkkel demonstrálhatók.

Művelet

A környezeti energiát elektromos energiává alakító energiagyűjtő eszközök nagy érdeklődést váltottak ki mind a katonai, mind a kereskedelmi szektorban. Egyes rendszerek, például az óceáni hullámok mozgását elektromos árammá alakítják, amelyet az óceánográfiai megfigyelő szenzorok használhatnak az autonóm működéshez. A jövőbeli alkalmazások közé tartozhatnak a nagy teljesítményű eszközök (vagy ilyen eszközök tömbjei), amelyeket távoli helyeken telepítenek, hogy megbízható erőművekként szolgálhassanak nagy rendszerekhez. Egy másik alkalmazás a hordható elektronika, ahol az energiagyűjtő eszközök képesek feltölteni vagy feltölteni a mobiltelefonokat, mobil számítógépeket, rádiókommunikációs berendezéseket stb. Mindezeknek az eszközöknek kellően robusztusaknak kell lenniük ahhoz, hogy elviseljék az ellenséges környezetben való hosszú távú kitettséget, és széles körű dinamikával kell rendelkezniük. érzékenység a hullámmozgások teljes spektrumának kihasználására.

Felhalmozódó energia

Az energia a kis önálló érzékelők, például a MEMS technológia segítségével kifejlesztett érzékelők táplálására is felhasználható . Ezek a rendszerek gyakran nagyon kicsik és kevés energiát igényelnek, de alkalmazásukat korlátozza az akkumulátor tápellátása. A környezeti rezgésekből, szélből, melegből vagy fényből származó energia felszívása lehetővé teheti az intelligens érzékelők korlátlan működését.

Az energiagyűjtő berendezések által rendelkezésre álló tipikus teljesítménysűrűségek nagymértékben függenek az adott alkalmazástól (befolyásolják a generátor méretét) és magától a betakarító generátortól. Általában a mozgással működő eszközök esetében a tipikus értékek néhány µW/cm³ az emberi test által működtetett alkalmazásoknál, és több száz µW/cm³ a ​​gépek által hajtott generátoroknál. A hordható elektronika legtöbb energiaelnyelő eszköze nagyon kevés energiát termel.

Az energia tárolása

Általában az energiát kondenzátorban , szuperkondenzátorban vagy akkumulátorban lehet tárolni . A kondenzátorokat akkor használják, ha az alkalmazásnak óriási energia -tüskéket kell biztosítania. Az akkumulátorok kevesebb energiát szivárognak, ezért akkor használják őket, ha a készüléknek folyamatos energiaáramot kell biztosítania. az akkumulátor ezen jellemzői a használt típustól függenek. Az erre a célra gyakran használt akkumulátor típus az ólom -sav vagy lítium -ion akkumulátor, bár a régebbi típusokat, például a nikkel -fém -hidridet ma is széles körben használják. Az akkumulátorokhoz képest a szuperkondenzátorok gyakorlatilag korlátlan töltési-kisütési ciklusokkal rendelkeznek, ezért örökké működhetnek, lehetővé téve a karbantartásmentes működést az IoT és a vezeték nélküli érzékelő eszközökben.

Az erő felhasználása

A kis teljesítményű energiagyűjtés iránti érdeklődés jelenleg független szenzorhálózatok iránt áll. Ezekben az alkalmazásokban az energiagyűjtési rendszer a kondenzátorba tárolt energiát helyezi, majd felerősíti/szabályozza egy második tároló kondenzátorra vagy akkumulátorra a mikroprocesszorban vagy az adatátvitelben való használatra. Az áramot általában egy érzékelőalkalmazásban használják, és az adatokat tárolják, vagy esetleg vezeték nélküli módszerrel továbbítják .

Motiváció

Az energiatermelés története a szélmalomhoz és a vízkerékhez nyúlik vissza. Az emberek sok évtizeden keresztül keresték a hőtől és rezgésből származó energia tárolásának módjait. Az új energiagyűjtő eszközök keresésének egyik hajtóereje az érzékelőhálózatok és a mobil eszközök akkumulátor nélküli táplálása. Az energia betakarítását az is motiválja, hogy az éghajlatváltozás és a globális felmelegedés kérdésével foglalkozni kívánnak.

Energiaforrások

Sok kisméretű energiaforrás létezik, amelyeket általában nem lehet ipari méretűre méretezni az ipari méretű nap-, szél- vagy hullámenergiával összehasonlítható teljesítmény tekintetében:

• Egyes karórák mozgási energiával működnek (ezeket automatikus óráknak nevezik ), ebben az esetben a kar mozgását használják. A karmozgás okozza a fő rugó feltekerését . A Seiko által bevezetett újabb kialakítás ("Kinetic") mágnes mozgását használja az elektromágneses generátorban a kvarcmozgás táplálásához. A mozgás a fluxus változásának sebességét biztosítja, ami némi indukált emf -et eredményez a tekercseken. A fogalom a Faraday -törvényhez kapcsolódik .
• A fotovoltaika egy olyan módszer, amellyel villamos energiát lehet előállítani úgy, hogy a napsugárzást (beltéren és kültéren egyaránt) egyenáramú árammá alakítják át, a fotovoltaikus hatást kifejtő félvezetők segítségével . A fotovoltaikus energiatermelés számos napelemből áll, amelyek fotovoltaikus anyagot tartalmaznak. Ne feledje, hogy a fotovoltaikákat ipari méretűre méretezték, és hogy nagy napelemfarmok léteznek.
• A termoelektromos generátorok (TEG) két különböző anyag találkozásából és egy termikus gradiens jelenlétéből állnak. Nagy feszültségkimenetek lehetségesek, ha sok csomópontot sorosan és termikusan párhuzamosan csatlakoztatnak. A tipikus teljesítmény 100–300 μV/K csomópontonként. Ezek felhasználhatók az ipari berendezésekből, szerkezetekből és még az emberi testből származó mW -energiák elfogására is. Általában hűtőbordákkal vannak összekapcsolva, hogy javítsák a hőmérséklet -gradienst.
• A mikro szélturbinát a környezetben könnyen elérhető szélenergia kinetikus energia formájában történő gyűjtésére használják az alacsony teljesítményű elektronikus eszközök, például vezeték nélküli érzékelő csomópontok táplálására. Amikor a levegő átáramlik a turbina lapátjain, akkor nettó nyomáskülönbség alakul ki a lapátok feletti és alatti szélsebesség között. Ennek eredményeként emelőerő keletkezik, ami viszont forgatja a pengéket. A fotovoltaikhoz hasonlóan a szélerőműveket ipari méretekben építették, és jelentős mennyiségű elektromos energia előállítására használják.
• A piezoelektromos kristályok vagy szálak kis feszültséget generálnak, amikor mechanikusan deformálódnak. A motorok rezgése stimulálhatja a piezoelektromos anyagokat, akárcsak a cipő sarka, vagy a gomb megnyomása.
• Speciális antennák lehet gyűjteni energiát a szórt rádióhullámok, ezt is el lehet végezni egy Rectenna és elméletileg még magasabb frekvenciájú EM sugárzás egy Nantenna .
• A hordozható elektronikus eszköz vagy a távirányító használata közben megnyomott gombok, mágnes, tekercs vagy piezoelektromos energiaátalakítók segítségével történő áramellátás felhasználható az eszköz áramellátásához.
• Rezgésenergia -gyűjtés elektromágneses indukción alapul, amely mágnest és réztekercset használ a legegyszerűbb változatokban, hogy áramot alakítson át.

Környezeti sugárzási források

Egy lehetséges energiaforrás a mindenütt jelenlévő rádióadókból származik. Történelmileg vagy nagy gyűjtőterületre, vagy a sugárzó vezeték nélküli energiaforrás közvetlen közelére van szükség ahhoz, hogy ebből a forrásból hasznos energiaszinteket kapjunk. A nantenna az egyik javasolt fejlesztés, amely a bőséges természetes sugárzás (például napsugárzás ) felhasználásával leküzdené ezt a korlátozást .

Az egyik ötlet az RF energia szándékos sugárzása a távoli eszközök áramellátására és információgyűjtésre: Ez ma már mindennapos a passzív rádiófrekvenciás azonosító (RFID) rendszerekben, de a Biztonsági és Amerikai Szövetségi Hírközlési Bizottság (és ezzel egyenértékű szervezetek világszerte) korlátozzák a maximális teljesítményt amely így továbbítható polgári használatra. Ezt a módszert alkalmazták a vezeték nélküli érzékelőhálózat egyes csomópontjainak táplálására

Folyadékáramlás

A légáramlás különböző turbinás és nem turbinás generátor technológiákkal gyűjthető be. A tornyos szélturbinák és a levegőben lévő szélenergia -rendszerek (AWES) kitermelik a levegő áramlását. Például a Zephyr Energy Corporation szabadalmaztatott Windbeam mikrogenerátora rögzíti az energiát a légáramból az akkumulátorok feltöltéséhez és az elektronikus eszközök áramellátásához. A Windbeam újszerű kialakítása lehetővé teszi, hogy csendesen működjön akár 2 mph szélsebességben is. A generátor egy könnyű gerendából áll, amelyet tartós, tartós rugók függesztenek fel egy külső keretben. A sugár gyorsan oszcillál, amikor légáramlásnak van kitéve, több folyadékáramlás jelensége miatt. Egy lineáris generátor szerelvény átalakítja az oszcilláló nyaláb mozgását használható elektromos energiává. A csapágyak és fogaskerekek hiánya kiküszöböli a súrlódási hatékonyságot és a zajt. A generátor gyenge fényviszonyok között is képes működni, nem alkalmas napelemekre (pl. HVAC csatornák), ​​és olcsó az alacsony költségű alkatrészek és az egyszerű felépítés miatt. A skálázható technológia optimalizálható az adott alkalmazás energiaigényének és tervezési korlátainak kielégítésére.

A vér áramlását az eszközök áramellátására is fel lehet használni. Például a berni egyetemen kifejlesztett szívritmus-szabályozó véráramot használ fel egy rugó felgöngyölítésére, ami viszont elektromos mikrogenerátort hajt.

Fotovoltaikus

A fotovoltaikus (PV) energiagyűjtő vezeték nélküli technológia jelentős előnyökkel jár a vezetékes vagy kizárólag akkumulátorral működő érzékelői megoldásokkal szemben: gyakorlatilag kimeríthetetlen energiaforrások, csekély vagy semmilyen káros környezeti hatással. A beltéri PV betakarítási megoldásokat eddig a speciálisan hangolt amorf szilícium (aSi) hajtotta, amely a napelemes számológépekben leggyakrabban használt technológia. Az utóbbi években új PV -technológiák kerültek az energiatermelés előtérbe, mint például a festékérzékeny napelemek ( DSSC ). A színezékek elnyelik a fényt, mint a klorofill a növényekben. Az ütközéskor felszabaduló elektronok a TiO ₂ rétegbe távoznak, és onnan diffundálnak, az elektroliton keresztül, mivel a festék a látható spektrumra hangolható, sokkal nagyobb teljesítményt lehet előállítani. A 200 lux egy DSSC nyújthat több mint 10 mW per cm ² .

Piezoelektromos

A piezoelektromos hatás a mechanikai igénybevételt elektromos árammá vagy feszültséggé alakítja át . Ez a fajta sokféle forrásból származhat. Az emberi mozgás, az alacsony frekvenciájú szeizmikus rezgések és az akusztikus zaj mindennapi példa. A piezoelektromos hatás ritka esetektől eltekintve váltakozó áramú váltóáramban működik, és időigényes bemeneteket igényel a mechanikai rezonancia hatékonyságához.

A legtöbb piezoelektromos áramforrás milliwatt nagyságrendű energiát termel, túl kicsi a rendszer alkalmazásához, de elegendő olyan kézi eszközökhöz, mint például a kereskedelemben kapható öncsévélő karórák. Az egyik javaslat az, hogy mikroméretű eszközökhöz, például mikrohidraulikus energiát gyűjtő készülékekhez használják őket. Ebben az eszközben a nyomás alatt álló hidraulikus folyadék áramlása egy dugattyút hajt, amelyet három piezoelektromos elem támogat, amelyek a nyomásingadozásokat váltakozó árammá alakítják.

Mivel a piezoenergia -betakarítást csak a kilencvenes évek vége óta vizsgálják, ez továbbra is feltörekvő technológia. Mindazonáltal érdekes fejlesztéseket hajtottak végre az INSA mérnöki iskola önműködő elektronikus kapcsolójával, amelyet a spin-off Arveni valósított meg. 2006-ban létrehozták az elem nélküli vezeték nélküli ajtócsengő nyomógomb koncepciójának bizonyítását, és nemrégiben egy termék megmutatta, hogy a klasszikus vezeték nélküli falkapcsoló piezo-betakarítóval is működtethető. Más ipari alkalmazások 2000 és 2005 között jelentek meg, például a rezgés- és tápfeszültség -érzékelőkből származó energia begyűjtésére, vagy a sokkból történő energiagyűjtésre.

A piezoelektromos rendszerek képesek az emberi test mozgását elektromos energiává alakítani. A DARPA finanszírozott erőfeszítéseket a lábak és karok mozgásából, a cipő ütéséből és a vérnyomásból származó energia hasznosítására az alacsony szintű teljesítmény érdekében a beültethető vagy hordható érzékelők számára. A nanokefék egy másik példa a piezoelektromos energiagyűjtőre. Beépíthetők a ruházatba. Több más nanostruktúrát is kihasználtak egy energiagyűjtő eszköz építésére, például egy egykristályos PMN-PT nanobelt gyártottak és állítottak össze piezoelektromos energiagyűjtőbe 2016-ban. Gondos tervezésre van szükség a felhasználó kényelmetlenségének minimalizálása érdekében. Ezek az energiagyűjtő források társulással befolyásolják a testet. A rezgésenergia -eltakarítási projekt egy másik projekt, amelyet azért hoztak létre, hogy megpróbálja elnyelni az elektromos energiát a környezeti rezgésekből és mozgásokból. A Microbelt segítségével a légzésből áramot lehet gyűjteni. Ezenkívül, mivel az emberi mozgásból származó rezgés három irányból érkezik, egyetlen piezoelektromos konzolos, minden irányban működő energiagyűjtő jön létre az 1: 2 belső rezonancia használatával. Végül egy milliméteres méretű piezoelektromos energiagyűjtőt is létrehoztak.

A piezoelektromos anyagok felhasználása az energiatermeléshez már népszerűvé vált. A piezoelektromos anyagok képesek a mechanikai igénybevételi energiát elektromos töltéssé alakítani. Piezo elemeket építenek be a járdákba, hogy visszanyerjék a lépések "emberek energiáját". Cipőbe is ágyazhatók, hogy visszanyerjék a "sétáló energiát". Az MIT kutatói 2005-ben fejlesztették ki az első mikroméretű piezoelektromos energiagyűjtőt vékonyrétegű PZT felhasználásával. Arman Hajati és Sang-Gook Kim feltalálták az ultraszéles sávszélességű, mikroméretű piezoelektromos energiagyűjtő eszközt a kétszer rögzített mikroelektromechanikus rendszerek nemlineáris merevségének kiaknázásával. ( MEMS ) rezonátor. A kétszer rögzített nyaláb nyújtó húzása nemlineáris merevséget mutat, amely passzív visszacsatolást biztosít, és amplitúdóval merevített Duffing mód rezonanciát eredményez. Jellemzően piezoelektromos konzolokat alkalmaznak a fent említett energiagyűjtő rendszerhez. Az egyik hátránya, hogy a piezoelektromos konzol gradiens deformációeloszlással rendelkezik, azaz a piezoelektromos átalakító nincs teljesen kihasználva. A probléma megoldására háromszög alakú és L alakú konzol javasolt az egyenletes törzseloszlás érdekében.

2018 -ban a Soochow Egyetem kutatói arról számoltak be, hogy hibridizáltak egy triboelektromos nanogenerátort és egy szilícium napelemet, kölcsönös elektróda megosztásával. Ez az eszköz képes összegyűjteni a napenergiát, vagy a leeső esőcseppek mechanikai energiáját elektromos árammá alakítani.

Energia az intelligens utakból és a piezoelektromosságból

Pierre Curie és Jacques Curie testvérek 1880 -ban adták meg a piezoelektromos hatás fogalmát. A piezoelektromos hatás a mechanikai igénybevételt feszültséggé vagy elektromos árammá alakítja, és a mozgásból, súlyból, rezgésből és hőmérsékletváltozásokból elektromos energiát állít elő az ábrán látható módon.

Figyelembe véve a piezoelektromos hatást a PZT vékonyréteg ólom -cirkónium -titanátban , a mikroelektromechanikus rendszerek ( MEMS ) áramfejlesztő berendezését fejlesztették ki. A piezoelektromos technológia közelmúltbeli fejlesztése során az Aqsa Abbasi ) két üzemmódot különböztetett meg rezgésátalakítókban és rezgésátalakítókban, és úgy tervezték, hogy meghatározott frekvencián rezonáljon egy külső rezgésenergia-forrásból, ezáltal elektromágneses csillapított tömeget alkalmazva a piezoelektromos hatás révén elektromos energiát hozzon létre. Az Aqsa azonban továbbfejlesztett nyalábszerkezetű elektrosztatikus eszközöket, amelyeket nehezebb előállítani, mint a PZT MEMS eszközöket, összehasonlítva hasonlóval, mivel az általános szilícium- feldolgozás sokkal több maszklépést foglal magában, amelyek nem igényelnek PZT fóliát. A piezoelektromos típusú érzékelők és állítóművek konzolos nyalábszerkezettel rendelkeznek, amely membrán alsó elektródából , fóliából, piezoelektromos fóliából és felső elektródából áll. Az egyes rétegek mintázásához több mint (3–5 maszk) maszklépés szükséges, miközben nagyon alacsony az indukált feszültség. Piroelektromos kristályok, amelyeknek egyedi poláris tengelyük van, és spontán polarizációval rendelkeznek, amely mentén a spontán polarizáció létezik. Ezek a 6mm , 4mm , mm2 , 6 , 4 , 3m , 3 , 2 , m osztályú kristályok . A speciális poláris tengely - az X3 kristályfizikai tengely - egybeesik a kristályok L6 , L4 , L3 és L2 tengelyeivel , vagy az egyedi P síkban található („m” osztály) . Következésképpen a pozitív és negatív töltésű elektromos központok egy elemi sejtből kiszorulnak az egyensúlyi helyzetből, azaz a kristályok spontán polarizációja megváltozik. Ezért minden kristálynak spontán polarizációja van . Mivel a piezoelektromos hatás a piroelektromos kristályokban a külső hatások ( elektromos mezők , mechanikai feszültségek) spontán polarizációjában bekövetkező változások következtében keletkezik . Az elmozdulás eredményeként az Aqsa Abbasi mindhárom tengely mentén megváltoztatta az alkatrészeket . Tegyük fel, hogy arányos a mechanikai feszültségek okozó első közelítésben, ami ahol Tkl jelenti a mechanikai stressz és dikl képviseli a piezoelektromos modulok. ${\ displaystyle Pb (Zr, Ti) O_ {3}}$${\ displaystyle d_ {31}}$${\ displaystyle d_ {33}}$${\ displaystyle d_ {31}}$${\ displaystyle Ps = P3}$${\ displaystyle \ Delta P_ {s}}$${\ displaystyle \ Delta P_ {s} = (\ Delta P_ {1}, \ Delta P_ {2}, \ Delta P_ {3})}$${\ displaystyle \ Delta P_ {s} = (\ Delta P_ {1}, \ Delta P_ {2}, \ Delta P_ {3})}$${\ displaystyle \ Delta P_ {i} = diklTkl}$

A PZT vékony filmek olyan alkalmazásokra hívták fel a figyelmet, mint az erőérzékelők, gyorsulásmérők , giroszkóp működtetők, hangolható optika, mikroszivattyúk, ferroelektromos RAM, kijelző rendszerek és intelligens utak, amikor az energiaforrások korlátozottak, az energiagyűjtés fontos szerepet játszik a környezetben. Az intelligens utak fontos szerepet játszhatnak az energiatermelésben. A piezoelektromos anyagok útba ágyazásával a járművek mozgatásából származó nyomás feszültséggé és árammá alakítható.

Intelligens szállítási intelligens rendszer

A piezoelektromos érzékelők a leghasznosabbak az intelligens utak technológiáiban, amelyekkel intelligens és hosszú távú termelékenységet javító rendszereket lehet létrehozni. Képzeljünk el olyan autópályákat, amelyek figyelmeztetik az autósokat a forgalmi dugóra, mielőtt kialakulna. Vagy hidak, amelyek jelentik, amikor összeomlanak, vagy elektromos hálózat, amely magától kijavítja az áramkimaradást. Sok évtizeden keresztül tudósok és szakértők azzal érveltek, hogy a torlódások elleni küzdelem legjobb módja az intelligens közlekedési rendszerek, például az út menti érzékelők a forgalom mérésére és a szinkronizált lámpák a járművek áramlásának szabályozására. De ezen technológiák elterjedését a költségek korlátozták. Vannak más intelligens technológiájú lapátkész projektek is, amelyek meglehetősen gyorsan telepíthetők, de a legtöbb technológia még fejlesztési szakaszban van, és öt vagy több évig gyakorlatilag nem lesz elérhető.

Piroelektromos

A piroelektromos hatás a hőmérsékletváltozást elektromos árammá vagy feszültséggé alakítja át. Hasonló a piezoelektromos hatáshoz , amely a ferroelektromos viselkedés másik típusa . A piroelektromos áram időigényes bemeneteket igényel, és alacsony üzemi frekvenciái miatt kis teljesítményt szenved az energiagyűjtő alkalmazásokban. A piroelektromos rendszerek egyik fő előnye azonban a termoelektromosokkal szemben az, hogy sok piroelektromos anyag akár 1200 ⁰C vagy annál magasabb hőmérsékleten is stabil, lehetővé téve az energiagyűjtést magas hőmérsékletű forrásokból, és ezáltal növelve a termodinamikai hatékonyságot .

A hulladékhő közvetlen villamos energiává alakításának egyik módja az Olsen -ciklus végrehajtása piroelektromos anyagokon. Az Olsen-ciklus két izotermikus és két izoelektromos mezei folyamatból áll az elektromos elmozdulás-elektromos mező (DE) diagramban. Az Olsen -ciklus alapelve, hogy a kondenzátort alacsony elektromos térben történő hűtés útján kell feltölteni, és nagyobb elektromos térben fűtés közben kisütni. Számos piroelektromos átalakítót fejlesztettek ki az Olsen -ciklus megvalósítására vezetés, konvekció vagy sugárzás segítségével. Elméletileg azt is megállapították, hogy a hőregeneráláson alapuló piroelektromos átalakítás oszcilláló munkafolyadék és az Olsen -ciklus segítségével el tudja érni a Carnot -hatékonyságot egy forró és egy hideg hőtároló között. Ezenkívül a közelmúltbeli vizsgálatok megállapították a polivinilidén-fluorid-trifluor-etilén [P (VDF-TrFE)] polimereket és az ólom-lantán-cirkonát-titanát (PLZT) kerámiákat, mint ígéretes piroelektromos anyagokat az energiaátalakítókban, alacsony hőmérsékleten keletkező nagy energiasűrűségük miatt. Ezenkívül nemrégiben bemutattak egy piroelektromos takarítóberendezést, amely nem igényel időbeli változásokat. Az energiagyűjtő berendezés egy fűtött piroelektromos él depolarizáló elektromos mezőjét használja a hőenergia mechanikai energiává alakítására, ahelyett, hogy a kristálylapokhoz rögzített két lemezről lehúzná az áramot.

Hőelektromos

1821 -ben Thomas Johann Seebeck felfedezte, hogy a két különböző vezető között kialakuló termikus gradiens feszültséget termel. A termoelektromos hatás középpontjában az a tény áll, hogy a vezető anyag hőmérsékleti gradiense hőáramot eredményez; ez a töltéshordozók diffúzióját eredményezi. A töltőhordozók áramlása a hideg és a meleg régiók között feszültségkülönbséget hoz létre. 1834 -ben Jean Charles Athanase Peltier felfedezte, hogy az elektromos áram két különböző vezető csomópontján keresztül történő áramlása az áram irányától függően azt okozhatja, hogy fűtő- vagy hűtőberendezésként működik. Az elnyelt vagy előállított hő arányos az árammal, és az arányossági állandó Peltier -együttható. Napjainkban a Seebeck és a Peltier effektusok ismeretében a termoelektromos anyagok fűtő-, hűtő- és generátorokként (TEG -k) használhatók.

Az ideális termoelektromos anyagok nagy Seebeck -együtthatóval, nagy elektromos vezetőképességgel és alacsony hővezető képességgel rendelkeznek. Alacsony hővezető képességre van szükség ahhoz, hogy a csomópontban magas hőgradienst tartsunk fenn. A ma gyártott szabványos termoelektromos modulok P- és N-adalékolt bizmut-tellurid félvezetőkből állnak, két fémezett kerámialemez közé szorítva. A kerámialemezek merevséget és elektromos szigetelést adnak a rendszerhez. A félvezetők sorban villamosan, párhuzamosan termikusan csatlakoznak.

Miniatűr hőelemek fejlesztettek, amely konvertálja test hőt elektromos árammá, és ezáltal a 40  μ W 3  V egy 5 fokos hőmérséklet-gradiens, míg a másik végén a skála, nagy hőelemeket használják nukleáris RTG akkumulátorok.

Gyakorlati példák a Holst Center ujj-szívmérője és a Fraunhofer-Gesellschaft termogenerátorai.

A termoelektromos előnyök:

1. Egyetlen mozgó alkatrész sem teszi lehetővé a folyamatos működést sok éven keresztül.
2. A termoelektromos elemek nem tartalmaznak anyagokat, amelyeket pótolni kell.
3. A fűtés és a hűtés visszafordítható.

A termoelektromos energiaátalakítás egyik hátránya az alacsony hatásfok (jelenleg kevesebb, mint 10%). Az olyan anyagok kifejlesztése, amelyek képesek magasabb hőmérsékleti gradiensekben működni, és amelyek képesek jól vezetni az elektromos áramot anélkül, hogy hővezetést is végeznének (amit a közelmúltig lehetetlennek tartottak), növeli a hatékonyságot.

A termoelektromos jövőbeni munka az lehet, hogy az elpazarolt hőt, például az autómotorok égése során, villamos energiává alakítják át.

Elektrosztatikus (kapacitív)

Ez a fajta betakarítás a rezgésfüggő kondenzátorok változó kapacitásán alapul. A rezgések elválasztják a töltött kondenzátor lemezeit, és a mechanikai energia elektromos energiává alakul. Az elektrosztatikus energia betakarítóknak polarizációs forrásra van szükségük ahhoz, hogy működjenek, és a rezgésekből származó mechanikai energiát elektromos árammá alakítsák. A polarizációs forrásnak több száz volt nagyságrendűnek kell lennie; ez nagyban megnehezíti az energiagazdálkodási áramkört. Egy másik megoldás az elektretek használata , amelyek elektromos töltésű dielektrikumok, amelyek éveken keresztül képesek a kondenzátor polarizációját megtartani. Erre a célra lehetséges a klasszikus elektrosztatikus indukciós generátorok szerkezeteinek adaptálása, amelyek energiát is nyernek a változó kapacitású kapacitásokból. Az így kapott eszközök önfeszítőek, és közvetlenül tölthetik az akkumulátorokat, vagy exponenciálisan növekvő feszültséget tudnak előállítani a tároló kondenzátorokon, amelyekből egyenként/egyenáramú átalakítókkal időszakosan nyerhető ki az energia.

Mágneses indukció

A mágneses indukció elektromotoros erő (azaz feszültség) előállítását jelenti változó mágneses térben . Ezt a változó mágneses mezőt mozgás, forgás (azaz Wiegand -effektus és Wiegand -érzékelők ) vagy lineáris mozgás (azaz rezgés ) hozhatja létre .

A konzolon imbolygó mágnesek érzékenyek a kis rezgésekre is, és mikroáramokat generálnak a vezetőkhöz képest a Faraday -féle indukciós törvény miatt . Egy ilyen miniatűr eszköz kifejlesztésével 2007 -ben a Southamptoni Egyetem csapata lehetővé tette egy ilyen eszköz telepítését olyan környezetbe, amely kizárja a külvilággal való elektromos kapcsolatot. A hozzáférhetetlen helyeken lévő érzékelők most saját energiát termelhetnek, és adatokat továbbíthatnak külső vevőknek.

A Southamptoni Egyetemen kifejlesztett mágneses rezgésenergia -betakarító berendezés egyik fő korlátozása a generátor mérete, jelen esetben körülbelül egy köbcentiméter, ami túl nagy ahhoz, hogy beépüljön a mai mobiltechnológiákba. A teljes generátor, beleértve az áramkört is, hatalmas, 4 x 4 cm és 1 cm méretű, közel azonos méretű, mint néhány mobil eszköz, például az iPod nano. A méretek további csökkentése lehetséges új és rugalmasabb anyagok konzolos gerendaelemként történő integrálásával. 2012-ben a Northwestern University egyik csoportja kifejlesztett egy vibrációval működő generátort polimerből rugó formájában. Ez az eszköz ugyanazokat a frekvenciákat tudta megcélozni, mint a Southamptoni Egyetem szilícium alapú eszközeit, de a sugárösszetevő egyharmadával.

A mágneses indukción alapuló energiagyűjtés új megközelítését is javasolták ferrofluidok használatával. Az "Elektromágneses ferrofluid-alapú energia-betakarító" folyóiratcikk a ferrofluidok használatát tárgyalja 2,2 Hz-es alacsony frekvenciájú rezgésenergia gyűjtésére ~ 80 mW / g teljesítmény mellett.

Nemrégiben a tartomány falminta változását a stressz alkalmazásával javasolták az energiagyűjtés módszereként mágneses indukció segítségével. Ebben a tanulmányban a szerzők kimutatták, hogy az alkalmazott stressz megváltoztathatja a mikrohuzalok doménmintáját. A környezeti rezgések stresszt okozhatnak a mikrohuzalokban, ami megváltoztathatja a tartományi mintázatot, és ezáltal megváltoztathatja az indukciót. Az uW/cm2 nagyságrendű teljesítményt jelentették.

A mágneses indukción alapuló, kereskedelemben sikeres rezgésenergia -betakarítók száma még viszonylag kevés. Ilyenek például a svéd ReVibe Energy cég , a Saab Group által kifejlesztett technológia . Egy másik példa a Perpetuum által a Southamptoni Egyetem korai prototípusaiból kifejlesztett termékek. Ezeknek elég nagyoknak kell lenniük ahhoz, hogy a vezeték nélküli érzékelőcsomópontok (WSN) által előállított energiát előállítsák, de az M2M alkalmazásokban ez általában nem jelent problémát. Ezeket a kombájnokat most nagy mennyiségben szállítják olyan vállalatok által gyártott WSN -ekhez, mint a GE és az Emerson, valamint a Perpetuum által gyártott vonatcsapágy -figyelő rendszerekhez. A felsővezeték -érzékelők mágneses indukció segítségével energiát gyűjthetnek közvetlenül a megfigyelt vezetőből.

Vércukor

Az energiagyűjtés másik módja a vércukrok oxidációja. Ezeket az energiaszedőket bioakkumulátoroknak nevezik . Használhatók a beültetett elektronikus eszközök áramellátására (pl. Pacemakerek, beültetett bioszenzorok cukorbetegek számára, beültetett aktív RFID -eszközök stb.). Jelenleg a Saint Louis Egyetem Minteer Groupja olyan enzimeket hozott létre, amelyek felhasználhatók a vércukrokból származó energia előállítására. Az enzimeket azonban néhány év múlva ki kell cserélni. 2012 -ben a pacemakert beültethető bioüzemanyag -cellák hajtották meg a Clarkson Egyetemen Dr. Evgeny Katz vezetésével.

Fa alapú

A fák metabolikus energiagyűjtése a bioenergia-kitermelés egyik fajtája. A Voltree kifejlesztett egy módszert, amellyel energiát gyűjthetnek a fákról. Ezeket az energiatakarítókat távérzékelők és hálóhálózatok táplálására használják, alapul véve egy hosszú távú telepítési rendszerhez, amely figyelemmel kíséri az erdőtüzeket és az erdei időjárást. A Voltree honlapja szerint egy ilyen eszköz hasznos élettartamát csak annak a fának az élettartama szabhatja meg, amelyhez rögzítve van. Egy kis teszthálózatot telepítettek a közelmúltban egy amerikai nemzeti park erdőjében.

A fákból származó egyéb energiaforrások közé tartozik a fa fizikai mozgásának generátorban történő rögzítése. Ennek az energiaforrásnak az elméleti elemzése ígéretesnek bizonyul a kis elektronikus eszközök áramellátásában. Erre az elméletre épülő gyakorlati eszköz épült, és egy évig sikeresen táplálja az érzékelőcsomópontot.

Metamaterial

A metamaterialapú eszköz vezeték nélkül átalakítja a 900 MHz-es mikrohullámú jelet 7,3 voltos egyenáramra (nagyobb, mint egy USB-eszközé). Az eszköz úgy is beállítható, hogy más jeleket, például Wi-Fi jeleket, műholdjeleket vagy akár hangjeleket rögzítsen. A kísérleti eszköz öt üvegszálas és rézvezető sorozatot használt . A konverziós hatékonyság elérte a 37 százalékot. Ha a hagyományos antennák közel vannak egymáshoz a térben, akkor zavarják egymást. De mivel az RF teljesítmény csökken a távolság kockájával, az energia mennyisége nagyon kicsi. Míg a 7,3 voltos igény nagy, a mérés nyitott áramkörre vonatkozik. Mivel a teljesítmény olyan kicsi, szinte nem lehet áram, ha bármilyen terhelést csatlakoztatnak.

A légköri nyomás változása

A légköri nyomás idővel természetesen változik a hőmérsékletváltozások és az időjárási viszonyok miatt. A lezárt kamrával rendelkező eszközök felhasználhatják ezeket a nyomáskülönbségeket az energia kinyerésére. Ezt arra használták, hogy áramot biztosítsanak a mechanikus órákhoz, például az Atmos órához .

Óceán energia

Az energiatermelés viszonylag új koncepciója az óceánokból történő energiatermelés. A vizeken nagy tömegek vannak jelen a bolygón, amelyek nagy mennyiségű energiát hordoznak magukkal. Az energiát ebben az esetben árapályok, óceánhullámok, sótartalom és hőmérsékletkülönbség generálhatja. 2018 -tól folynak az erőfeszítések az energia ilyen módon történő betakarítására. Az Egyesült Államok haditengerészete a közelmúltban képes volt villamos energiát termelni az óceánban lévő hőmérsékleti különbségek felhasználásával.

Az egyik módszer a hőmérsékletkülönbség használatára az óceán termoklin különböző szintjein az, ha olyan hőenergia -betakarítót használnak, amely olyan anyaggal van felszerelve, amely fázist változtat a különböző hőmérsékletű régiókban. Ez tipikusan polimer alapú anyag, amely képes reverzibilis hőkezelések kezelésére. Amikor az anyag fázisban változik, az energiakülönbség mechanikai energiává alakul. A felhasznált anyagoknak képesnek kell lenniük a fázisok megváltoztatására folyadékról szilárdra, a termoklin víz alatti helyzetétől függően. Ezek a fázisváltó anyagok a hőenergia -gyűjtő egységeken belül ideális módot jelentenek egy pilóta nélküli víz alatti jármű (UUV) feltöltésére vagy áramellátására, mivel ez a nagy víztestekben már jelen lévő meleg és hideg vízre támaszkodik; minimálisra csökkenti a szabványos akkumulátor -újratöltés szükségességét. Ennek az energiának a begyűjtése hosszabb távú küldetéseket tesz lehetővé, mivel a gyűjtés vagy a töltés visszaszállításának szükségessége kiküszöbölhető. Ez egy nagyon környezetbarát módszer a víz alatti járművek áramellátására is. A fázisváltó folyadék használata nem okoz kibocsátást, és valószínűleg hosszabb élettartamú lesz, mint egy normál akkumulátoré.

Jövőbeli irányok

Elektroaktív polimereket (EAP) javasoltak az energia gyűjtésére. Ezek a polimerek nagy töréssel, rugalmas energiasűrűséggel és nagy energiakonverziós hatékonysággal rendelkeznek. Az EAP -k (elektroaktív polimerek) alapú rendszerek össztömege lényegesen alacsonyabb, mint a piezoelektromos anyagoké.

A nanogenerátorok , például a Georgia Tech által gyártott, új módot jelenthetnek az akkumulátorok nélküli eszközök áramellátására. 2008 -tól csak néhány tucat nanowattot termel, ami túl alacsony minden gyakorlati alkalmazáshoz.

Az olaszországi NiPS Laboratory javaslatot tett a zajra, hogy széles spektrumú, alacsony skálájú rezgéseket gyűjtsön össze egy nemlineáris dinamikus mechanizmussal, amely akár 4 -szeresére növelheti a betakarítógép hatékonyságát a hagyományos lineáris kombájnokhoz képest.

A különböző típusú betakarítók kombinációi tovább csökkenthetik az akkumulátoroktól való függőséget, különösen olyan környezetekben, ahol a rendelkezésre álló környezeti energia típusok időszakosan változnak. Ez a fajta kiegészítő kiegyensúlyozott energiagyűjtés növelheti a vezeték nélküli érzékelőrendszerek megbízhatóságát a szerkezeti állapotfigyelés érdekében.

Lásd még

Hivatkozások

Külső linkek

• Callendar, Hugh Longbourne (1911). "Hőelektromosság"  . Encyclopædia Britannica . 26 (11. kiadás). 814–821.