Energihøst - Energy harvesting

Energihøstning (også kendt som krafthøstning eller energioptagelse eller omgivelseskraft ) er den proces, hvormed energi stammer fra eksterne kilder (f.eks. Solenergi , termisk energi , vindenergi , saltholdighedsgradienter og kinetisk energi , også kendt som omgivende energi ), fanget og gemt til små, trådløse autonome enheder, som dem, der bruges i bærbar elektronik og trådløse sensornetværk .

Energihøstere giver en meget lille mængde strøm til lavenergi-elektronik. Selvom inputbrændstoffet til en storstilet produktion koster ressourcer (olie, kul osv.), Er energikilden til energihøstere til stede som omgivende baggrund. For eksempel eksisterer temperaturgradienter fra driften af ​​en forbrændingsmotor og i byområder er der en stor mængde elektromagnetisk energi i miljøet på grund af radio- og fjernsynsudsendelser.

En af de tidligste anvendelser af omgivende effekt indsamlet fra omgivende elektromagnetisk stråling (EMR) er krystalradioen .

Principperne for energihøst fra omgivende EMR kan demonstreres med grundlæggende komponenter.

Operation

Energioptageapparater, der konverterer omgivende energi til elektrisk energi, har tiltrukket stor interesse i både den militære og den kommercielle sektor. Nogle systemer konverterer bevægelse, såsom havbølger, til elektricitet, der skal bruges af oceanografiske overvågningssensorer til autonom drift. Fremtidige applikationer kan omfatte højeffektudstyrsenheder (eller arrays af sådanne enheder), der er installeret fjerntliggende steder for at fungere som pålidelige kraftværker til store systemer. En anden applikation er inden for bærbar elektronik, hvor energiindsamlingsenheder kan drive eller genoplade mobiltelefoner, mobile computere, radiokommunikationsudstyr osv. Alle disse enheder skal være tilstrækkeligt robuste til at udholde langvarig udsættelse for fjendtlige miljøer og have en bred vifte af dynamisk følsomhed over for at udnytte hele spektret af bølgebevægelser.

Akkumulerende energi

Energi kan også høstes for at drive små autonome sensorer som dem, der er udviklet ved hjælp af MEMS -teknologi . Disse systemer er ofte meget små og kræver lidt strøm, men deres applikationer er begrænset af afhængigheden af ​​batteristrøm. Rensning af energi fra omgivende vibrationer, vind, varme eller lys kan gøre det muligt for smarte sensorer at fungere på ubestemt tid.

Typiske effekttætheder, der er tilgængelige fra energiindsamlingsanordninger, er stærkt afhængige af den specifikke anvendelse (påvirker generatorens størrelse) og selve høstgeneratorens design. Generelt for bevægelsesdrevne enheder er typiske værdier et par µW/cm³ for applikationer, der drives af mennesker og hundredvis af µW/cm³ for generatorer, der drives fra maskiner. De fleste energisparende enheder til bærbar elektronik genererer meget lidt strøm.

Opbevaring af strøm

Generelt kan energi lagres i en kondensator , superkondensator eller batteri . Kondensatorer bruges, når applikationen skal levere enorme energispidser. Batterier lækker mindre energi og bruges derfor, når enheden skal levere en jævn strøm af energi. disse aspekter af batteriet afhænger af den type, der bruges. En almindelig batteritype, der bruges til dette formål, er blysyre- eller lithiumionbatteriet, selvom ældre typer såsom nikkelmetalhydrid stadig er meget udbredt i dag. I forhold til batterier har superkondensatorer praktisk talt ubegrænsede opladnings- og afladningscyklusser og kan derfor fungere for evigt, hvilket muliggør en vedligeholdelsesfri drift i IoT og trådløse sensorenheder.

Brug af strømmen

Nuværende interesse for lav effekt energi høst er for uafhængige sensor netværk. I disse applikationer sætter et energihøstskema strøm lagret i en kondensator og derefter boostet/reguleret til en anden lagerkondensator eller et batteri til brug i mikroprocessoren eller i datatransmissionen. Strømmen bruges normalt i en sensorapplikation , og dataene gemmes eller transmitteres muligvis via en trådløs metode.

Motivering

Historien om energiindsamling går tilbage til vindmøllen og vandhjulet. Folk har søgt efter måder at gemme energien fra varme og vibrationer i mange årtier. En drivkraft bag søgen efter nye energiindsamlingsenheder er ønsket om at drive sensornetværk og mobile enheder uden batterier. Energihøstning er også motiveret af et ønske om at behandle spørgsmålet om klimaændringer og global opvarmning.

Energikilder

Der er mange små energikilder i almindelighed, der generelt ikke kan skaleres op til industriel størrelse med hensyn til sammenlignelig output til industriel størrelse sol-, vind- eller bølgekraft:

• Nogle armbåndsure drives af kinetisk energi (kaldet automatiske ure ), i dette tilfælde bruges bevægelse af armen. Armbevægelsen forårsager vikling af dens hovedkilde . Et nyere design introduceret af Seiko ("Kinetic") bruger bevægelse af en magnet i den elektromagnetiske generator i stedet for at drive kvartsbevægelsen. Bevægelsen giver en ændring af flux, hvilket resulterer i nogle inducerede emf på spolerne. Begrebet er relateret til Faradays lov .
• Fotovoltaik er en metode til at generere elektrisk strøm ved at konvertere solstråling (både indendørs og udendørs) til jævnstrøm ved hjælp af halvledere, der udviser den fotovoltaiske effekt . Fotovoltaisk elproduktion anvender solpaneler sammensat af et antal celler, der indeholder et fotovoltaisk materiale. Bemærk, at solceller er blevet skaleret op til industriel størrelse, og at der findes store solcelleanlæg.
• Termoelektriske generatorer (TEG'er) består af krydset mellem to forskellige materialer og tilstedeværelsen af ​​en termisk gradient. Store spændingsudgange er mulige ved at forbinde mange kryds elektriske i serie og termisk parallelt. Typisk ydelse er 100–300 μV/K pr. Kryds. Disse kan bruges til at fange mW.s energi fra industrielt udstyr, strukturer og endda menneskekroppen. De er typisk forbundet med kølelegemer for at forbedre temperaturgradienten.
• Mikrovindmøller bruges til at høste vindenergi, der er let tilgængelig i miljøet i form af kinetisk energi til at drive elektroniske enheder med lav effekt, såsom trådløse sensorknudepunkter. Når luft strømmer hen over turbinens vinger, udvikles der en nettotrykforskel mellem vindhastighederne over og under vingerne. Dette vil resultere i en løftekraft, der igen roterer knivene. I lighed med solceller er vindmølleparker konstrueret i industriel skala og bruges til at generere betydelige mængder elektrisk energi.
• Piezoelektriske krystaller eller fibre genererer en lille spænding, når de deformeres mekanisk. Vibrationer fra motorer kan stimulere piezoelektriske materialer, ligesom en skos hæl eller tryk på en knap.
• Særlige antenner kan opsamle energi fra vildfarne radiobølger, dette kan også gøres med en Rectenna og teoretisk set ved endnu højere frekvens EM -stråling med en Nantenna .
• Strøm fra tasterne, der trykkes ned under brug af en bærbar elektronisk enhed eller fjernbetjening, ved hjælp af magnet- og spole- eller piezoelektriske energiomformere, kan bruges til at hjælpe strømmen til enheden.
• Vibration energi høst baseret på elektromagnetisk induktion, der bruger en magnet og en kobberspiral i de mest enkle versioner til at generere en strøm, der kan konverteres til elektricitet.

Kilder til omgivende stråling

En mulig energikilde kommer fra allestedsnærværende radiosendere. Historisk set er det enten nødvendigt med et stort indsamlingsområde eller tæt på den udstrålende trådløse energikilde for at få nyttige effektniveauer fra denne kilde. Den nAntennekabel er en foreslået udvikling, som vil overvinde denne begrænsning ved at gøre brug af den rigelige naturlige stråling (såsom solstråling ).

En idé er bevidst at sende RF-energi til strøm og indsamle oplysninger fra eksterne enheder: Dette er nu almindeligt i passive radiofrekvensidentifikationssystemer (RFID), men Safety and US Federal Communications Commission (og tilsvarende organer verden over) begrænser den maksimale effekt der kan overføres på denne måde til civil brug. Denne metode er blevet brugt til at drive individuelle noder i et trådløst sensornetværk

Væskestrøm

Luftstrømmen kan høstes af forskellige turbine- og ikke-turbine generatorteknologier. Tårnede vindmøller og luftbårne vindenergisystemer (AWES) udvinder luftstrømmen. For eksempel fanger Zephyr Energy Corporation's patenterede Windbeam -mikrogenerator energi fra luftstrøm til genopladning af batterier og strømforsyning af elektroniske enheder. Windbeams nye design gør det muligt at køre lydløst i vindhastigheder så lave som 2 mph. Generatoren består af en letvægtsstråle ophængt af holdbare fjedre med lang levetid inden for en ydre ramme. Strålen svinger hurtigt, når den udsættes for luftstrøm på grund af virkningerne af flere væskestrømfænomener. En lineær generatoranordning konverterer oscillerende strålebevægelse til brugbar elektrisk energi. Mangel på lejer og gear eliminerer friktionsineffektivitet og støj. Generatoren kan fungere i miljøer med lavt lys, der ikke er egnede til solpaneler (f.eks. HVAC-kanaler) og er billig på grund af billige komponenter og enkel konstruktion. Den skalerbare teknologi kan optimeres til at opfylde energikravene og designbegrænsningerne for en given applikation.

Blodstrømmen kan også bruges til at drive enheder. For eksempel bruger pacemakeren udviklet ved universitetet i Bern blodstrømmen til at afvikle en fjeder, som igen driver en elektrisk mikrogenerator.

Fotovoltaisk

Fotovoltaisk (PV) trådløs teknologi til høst af energi giver betydelige fordele i forhold til kablede eller udelukkende batteridrevne sensorløsninger: praktisk talt uudtømmelige energikilder med ringe eller ingen negative miljøvirkninger. Indendørs PV -høstløsninger har til dato været drevet af specielt tunet amorft silicium (aSi), en teknologi, der mest bruges i solcalkulatorer. I de senere år er nye PV -teknologier kommet i spidsen inden for energihøst, f.eks. Farvestoffølsomme solceller ( DSSC ). Farvestofferne absorberer lys meget som klorofyl gør i planter. Elektroner, der frigives ved stød, undslipper til laget af TiO ₂ og diffunderer derfra gennem elektrolytten, da farvestoffet kan indstilles til det synlige spektrum, der kan produceres meget højere effekt. Ved 200 lux en DSSC kan give mere end 10 pW per cm ² .

Piezoelektrisk

Den piezoelektriske effekt omdanner mekanisk belastning til elektrisk strøm eller spænding. Denne stamme kan komme fra mange forskellige kilder. Menneskelig bevægelse, lavfrekvente seismiske vibrationer og akustisk støj er dagligdags eksempler. Undtagen i sjældne tilfælde fungerer den piezoelektriske effekt i AC, hvilket kræver tidsvarierende input ved mekanisk resonans for at være effektiv.

De fleste piezoelektriske elektricitetskilder producerer strøm i størrelsesordenen milliwatt, for lille til systemapplikation, men nok til håndholdte enheder såsom nogle kommercielt tilgængelige selvoprindelige armbåndsure. Et forslag er, at de bruges til mikroskalaenheder, f.eks. I en enhed, der høster mikrohydraulisk energi. I denne anordning driver strømmen af ​​hydraulisk væske under tryk et frem- og tilbagegående stempel understøttet af tre piezoelektriske elementer, der omdanner trykudsvingene til en vekselstrøm.

Da høstning af piezo -energi kun er blevet undersøgt siden slutningen af ​​1990'erne, er det stadig en ny teknologi. Ikke desto mindre blev der foretaget nogle interessante forbedringer med den selvdrevne elektroniske switch på INSA engineering school, implementeret af spin-off Arveni. I 2006 blev beviset for konceptet med en batteriløs trådløs dørklokke-trykknap oprettet, og for nylig viste et produkt, at klassisk trådløs vægkontakt kan drives af en piezo-mejetærsker. Andre industrielle applikationer dukkede op mellem 2000 og 2005 for at høste energi fra f.eks. Vibrationer og forsyningssensorer eller for at høste energi fra stød.

Piezoelektriske systemer kan omdanne bevægelse fra menneskekroppen til elektrisk kraft. DARPA har finansieret bestræbelser på at udnytte energi fra ben- og armbevægelser, skopåvirkning og blodtryk for lavt niveau til implanterbare eller bærbare sensorer. Nanobrushes er et andet eksempel på en piezoelektrisk energioptager. De kan integreres i tøj. Flere andre nanostrukturer er blevet udnyttet til at bygge en energi-høstningsanordning, for eksempel blev et enkelt krystal PMN-PT nanobælte fremstillet og samlet til en piezoelektrisk energihøster i 2016. Omhyggeligt design er nødvendigt for at minimere ubehag for brugerne. Disse energihøstkilder ved forening påvirker kroppen. Vibration Energy Scavenging Project er et andet projekt, der er sat op for at forsøge at fjerne elektrisk energi fra omgivende vibrationer og bevægelser. Mikrobælte kan bruges til at opsamle elektricitet fra vejrtrækning. Desuden, da bevægelsens vibration fra mennesker kommer i tre retninger, skabes der en enkelt piezoelektrisk cantilever-baseret omni-directional energihøster ved hjælp af 1: 2 intern resonans. Endelig er der også allerede skabt en piezoelektrisk energioptager i millimeterskala.

Brugen af piezoelektriske materialer til at høste strøm er allerede blevet populær. Piezoelektriske materialer har evnen til at omdanne mekanisk belastningsenergi til elektrisk ladning. Piezo -elementer bliver indlejret i gangbroer for at genvinde "folks energi" i fodspor. De kan også være indlejret i sko for at genvinde "gående energi". Forskere ved MIT udviklede den første mikroskala piezoelektriske energihøstere ved hjælp af tyndfilm PZT i 2005. Arman Hajati og Sang-Gook Kim opfandt Ultra-Wide-Bandwidth mikroskala piezoelektrisk energiindsamlingsenhed ved at udnytte den ikke-lineære stivhed af et dobbeltklemt mikroelektromekanisk system ( MEMS'er ) resonator. Strækningsbelastningen i en dobbeltklemt stråle viser en ikke-lineær stivhed, som giver en passiv feedback og resulterer i amplitude-afstivet Duffing mode resonans. Typisk er piezoelektriske cantilevers vedtaget til det ovennævnte energihøstningssystem. En ulempe er, at den piezoelektriske cantilever har gradient -belastningsfordeling, dvs. den piezoelektriske transducer er ikke fuldt ud udnyttet. For at løse dette problem foreslås trekantede og L-formede udliggere til ensartet belastningsfordeling.

I 2018 rapporterede forskere fra Soochow University om hybridisering af en triboelektrisk nanogenerator og en silicium solcelle ved at dele en indbyrdes elektrode. Denne enhed kan opsamle solenergi eller konvertere den mekaniske energi fra faldende regndråber til elektricitet.

Energi fra smarte veje og piezoelektricitet

Brødrene Pierre Curie og Jacques Curie gav begrebet piezoelektrisk effekt i 1880. Piezoelektrisk effekt omdanner mekanisk belastning til spænding eller elektrisk strøm og genererer elektrisk energi fra bevægelse, vægt, vibrationer og temperaturændringer som vist på figuren.

I betragtning af piezoelektrisk effekt i tyndfilm blyzirconat titanat PZT, er mikroelektromekaniske systemer ( MEMS ) kraftgenererende enhed blevet udviklet. Under den seneste forbedring inden for piezoelektrisk teknologi diffunderede Aqsa Abbasi ) to tilstande kaldet og i vibrationskonvertere og re-designet til at resonere ved specifikke frekvenser fra en ekstern vibrationskilde og derved skabe elektrisk energi via den piezoelektriske effekt ved hjælp af elektromekanisk dæmpet masse. Aqsa videreudviklede imidlertid strålestrukturerede elektrostatiske enheder, der er vanskeligere at fremstille end PZT MEMS-enheder versus en lignende, fordi generel siliciumbehandling involverer mange flere masketrin, der ikke kræver PZT-film. Piezoelektriske typen sensorer og aktuatorer har en udliggerbjælke struktur, der består af en membran bund elektrode , film, piezoelektriske film, og øvre elektrode. Mere end (3 ~ 5 masker) masketrin er påkrævet til mønstring af hvert lag, mens de har meget lav induceret spænding. Pyroelektriske krystaller, der har en unik polarakse og har spontan polarisering, langs hvilken den spontane polarisering eksisterer. Disse er krystallerne i klasse 6mm , 4mm , mm2 , 6 , 4 , 3m , 3 , 2 , m . Den særlige polare akse - krystallofysisk akse X3 - falder sammen med akserne L6 , L4 , L3 og L2 i krystallerne eller ligger i det unikke lige plan P (klasse "m") . Følgelig forskydes de elektriske centre for positive og negative ladninger af en elementær celle fra ligevægtspositioner, dvs. den spontane polarisering af krystalændringerne. Derfor har alle betragtede krystaller spontan polarisering . Da piezoelektrisk effekt i pyroelektriske krystaller opstår som følge af ændringer i deres spontane polarisering under ydre effekter ( elektriske felter , mekaniske spændinger). Som et resultat af forskydning indførte Aqsa Abbasi ændringer i komponenterne langs alle tre akser . Antag, at det er proportionalt med de mekaniske spændinger, der forårsager i en første tilnærmelse, hvilket resulterer, hvor Tkl repræsenterer den mekaniske spænding, og dikl repræsenterer de piezoelektriske moduler. ${\ 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}$

PZT tynde film har tiltrukket opmærksomhed til applikationer som kraftsensorer, accelerometre , gyroskoper, motorer, der kan indstilles, mikropumper, ferroelektrisk RAM, displaysystemer og smarte veje, når energikilder er begrænsede, energihøstning spiller en vigtig rolle i miljøet. Smarte veje har potentiale til at spille en vigtig rolle i elproduktion. Indlejring af piezoelektrisk materiale på vejen kan omdanne tryk, der udøves ved at flytte køretøjer til spænding og strøm.

Smart transport intelligent system

Piezoelektriske sensorer er mest nyttige i smart-road-teknologier, der kan bruges til at oprette systemer, der er intelligente og forbedrer produktiviteten i det lange løb. Forestil dig motorveje, der advarer bilister om en trafikprop, før den dannes. Eller broer, der rapporterer, når de risikerer at kollapse, eller et elektrisk net, der løser sig selv, når blackouts rammer. I mange årtier har forskere og eksperter argumenteret for, at den bedste måde at bekæmpe overbelastning på er intelligente transportsystemer, f.eks. Vejsensorer til måling af trafik og synkroniserede trafiklys til at kontrollere køretøjets strøm. Men udbredelsen af ​​disse teknologier har været begrænset af omkostninger. Der er også nogle andre smarte teknologier, der er klar til skovl , der kan implementeres ret hurtigt, men de fleste teknologier er stadig på udviklingsstadiet og er muligvis ikke praktisk tilgængelige i fem år eller mere.

Pyroelektrisk

Den pyroelektriske effekt omdanner en temperaturændring til elektrisk strøm eller spænding. Det er analogt med den piezoelektriske effekt , som er en anden type ferroelektrisk adfærd. Pyroelektricitet kræver tidsvarierende input og lider under små effektudbytter i energihøstapplikationer på grund af dets lave driftsfrekvenser. Imidlertid er en vigtig fordel ved pyroelektri frem for termoelektrisk , at mange pyroelektriske materialer er stabile op til 1200 ⁰C eller højere, hvilket muliggør høst af energi fra høje temperaturkilder og dermed øger den termodynamiske effektivitet .

En måde at direkte omdanne spildvarme til elektricitet er ved at udføre Olsen -cyklussen på pyroelektriske materialer. Olsen-cyklussen består af to isotermiske og to isoelektriske feltprocesser i diagrammet over elektrisk forskydning-elektrisk felt (DE). Olsen -cyklussens princip er at oplade en kondensator via køling under lavt elektrisk felt og aflade den under opvarmning ved højere elektrisk felt. Flere pyroelektriske omformere er blevet udviklet til at implementere Olsen -cyklussen ved hjælp af ledning, konvektion eller stråling. Det er også teoretisk blevet fastslået, at pyroelektrisk omdannelse baseret på varmegenerering ved hjælp af et oscillerende arbejdsvæske og Olsen -cyklussen kan nå Carnot -effektivitet mellem et varmt og et koldt termisk reservoir. Desuden har nylige undersøgelser etableret polyvinylidenfluorid trifluorethylen [P (VDF-TrFE)] polymerer og bly lanthan zirconat titanat (PLZT) keramik som lovende pyroelektriske materialer til brug i energiomformere på grund af deres store energitætheder genereret ved lave temperaturer. Derudover blev der for nylig introduceret en pyroelektrisk renseanordning, der ikke kræver tidsvarierende input. Energihøstningsanordningen anvender det kant-depolariserende elektriske felt i et opvarmet pyroelektricum til at omdanne varmeenergi til mekanisk energi i stedet for at trække elektrisk strøm fra to plader fastgjort til krystalfladerne.

Termoelektrisk

I 1821 opdagede Thomas Johann Seebeck , at en termisk gradient dannet mellem to forskellige ledere producerer en spænding. Kernen i den termoelektriske effekt er, at en temperaturgradient i et ledende materiale resulterer i varmestrøm; dette resulterer i spredning af ladningsbærere. Strømmen af ​​ladningsbærere mellem de varme og kolde områder skaber igen en spændingsforskel. I 1834 opdagede Jean Charles Athanase Peltier , at kørsel af en elektrisk strøm gennem krydset mellem to forskellige ledere, afhængigt af strømmen, kunne få den til at fungere som en varmelegeme eller køler. Den absorberede eller producerede varme er proportional med strømmen, og proportionalitetskonstanten er kendt som Peltier -koefficienten. På grund af viden om Seebeck og Peltier -effekterne kan termoelektriske materialer i dag bruges som varmeapparater, kølere og generatorer (TEG'er).

Ideelle termoelektriske materialer har en høj Seebeck -koefficient, høj elektrisk ledningsevne og lav varmeledningsevne. Lav varmeledningsevne er nødvendig for at opretholde en høj termisk gradient ved krydset. Standard termoelektriske moduler fremstillet i dag består af P- og N-dopede vismut-tellurid-halvledere, der er klemt mellem to metalliserede keramiske plader. De keramiske plader tilføjer stivhed og elektrisk isolering til systemet. Halvlederne er forbundet elektrisk i serie og termisk parallelt.

Der er udviklet miniature termoelementer, der omdanner kropsvarme til elektricitet og genererer 40  μ W ved 3  V med en 5-graders temperaturgradient, mens i den anden ende af skalaen bruges store termoelementer i nukleare RTG- batterier.

Praktiske eksempler er finger-hjertemåler ved Holst Center og termogeneratorer fra Fraunhofer-Gesellschaft.

Fordele ved termoelektrisk:

1. Ingen bevægelige dele tillader kontinuerlig drift i mange år.
2. Termoelektriske materialer indeholder ingen materialer, der skal efterfyldes.
3. Opvarmning og køling kan vendes.

En ulempe ved termoelektrisk energiomsætning er lav effektivitet (i øjeblikket mindre end 10%). Udviklingen af ​​materialer, der er i stand til at fungere i højere temperaturgradienter, og som kan lede elektricitet godt uden også at lede varme (noget, der indtil for nylig blev antaget umuligt), vil resultere i øget effektivitet.

Fremtidens arbejde inden for termoelektrisk kan være at konvertere spild af varme, f.eks. Ved forbrænding af biler, til elektricitet.

Elektrostatisk (kapacitiv)

Denne type høst er baseret på den ændrede kapacitans af vibrationsafhængige kondensatorer. Vibrationer adskiller pladerne på en ladet variabel kondensator, og mekanisk energi omdannes til elektrisk energi. Elektrostatiske energihøstere har brug for en polarisationskilde for at arbejde og konvertere mekanisk energi fra vibrationer til elektricitet. Polarisationskilden skal være i størrelsesordenen omkring nogle hundrede volt; dette komplicerer kraftstyringskredsløbet i høj grad. En anden løsning består i at bruge elektroder , der er elektrisk ladede dielektrikere, der kan holde polarisationen på kondensatoren i årevis. Det er muligt at tilpasse strukturer fra klassiske elektrostatiske induktionsgeneratorer, som også udvinder energi fra variable kapacitanser, til dette formål. De resulterende enheder er selvstændige og kan oplade batterier direkte eller kan producere eksponentielt voksende spændinger på lagerkondensatorer, hvorfra der periodisk kan udvindes energi af DC/DC-omformere.

Magnetisk induktion

Magnetisk induktion refererer til produktionen af ​​en elektromotorisk kraft (dvs. spænding) i et magnetfelt i forandring . Dette ændrede magnetfelt kan skabes ved bevægelse, enten rotation (dvs. Wiegand -effekt og Wiegand -sensorer ) eller lineær bevægelse (dvs. vibration ).

Magneter, der vakler på en cantilever, er følsomme over for selv små vibrationer og genererer mikrostrømme ved at bevæge sig i forhold til ledere på grund af Faradays induktionslov . Ved at udvikle en miniatureapparat af denne art i 2007 muliggjorde et team fra University of Southampton plantning af en sådan enhed i miljøer, der forhindrer enhver elektrisk forbindelse til omverdenen. Sensorer på utilgængelige steder kan nu generere deres egen strøm og overføre data til eksterne modtagere.

En af de største begrænsninger ved den magnetiske vibrationsenergihøster, der blev udviklet ved University of Southampton, er generatorens størrelse, i dette tilfælde cirka en kubikcentimeter, som er alt for stor til at integreres i nutidens mobile teknologier. Den komplette generator inklusive kredsløb er en massiv 4 cm x 4 cm med 1 cm næsten samme størrelse som nogle mobile enheder, såsom iPod nano. Yderligere reduktioner i dimensionerne er mulige ved integration af nye og mere fleksible materialer som udliggerbjælkekomponent. I 2012 udviklede en gruppe ved Northwestern University en vibrationsdrevet generator ud af polymer i form af en fjeder. Denne enhed var i stand til at målrette de samme frekvenser som University of Southampton grupperer siliciumbaseret enhed, men med en tredjedel af strålekomponentens størrelse.

En ny tilgang til magnetisk induktionsbaseret energiindsamling er også blevet foreslået ved anvendelse af ferrofluider. Tidsskriftartiklen "Elektromagnetisk ferrofluidbaseret energihøster" diskuterer brugen af ​​ferrofluids til at høste lavfrekvent vibrationsenergi ved 2,2 Hz med en effekt på ~ 80 mW pr. G.

For nylig er ændringen i domænevægsmønster med anvendelse af stress blevet foreslået som en metode til at høste energi ved hjælp af magnetisk induktion. I denne undersøgelse har forfatterne vist, at den anvendte stress kan ændre domænemønsteret i mikrokabler. Omgivende vibrationer kan forårsage stress i mikrokabler, hvilket kan forårsage en ændring i domænemønsteret og dermed ændre induktionen. Effekt, i størrelsesordenen uW/cm2 er blevet rapporteret.

Kommercielt vellykkede vibrationsenergihøstere baseret på magnetisk induktion er stadig relativt få. Eksempler omfatter produkter udviklet af det svenske selskab ReVibe Energy , en teknologisk spin-out fra Saab Group . Et andet eksempel er produkterne udviklet fra de tidlige University of Southampton prototyper af Perpetuum. Disse skal være tilstrækkeligt store til at generere den strøm, der kræves af trådløse sensornoder (WSN), men i M2M -applikationer er dette normalt ikke et problem. Disse høstmaskiner leveres nu i store mængder til strømforsyning af WSN'er fremstillet af virksomheder som GE og Emerson og også til togbærende overvågningssystemer fremstillet af Perpetuum. Overhead powerline sensorer kan bruge magnetisk induktion til at høste energi direkte fra lederen, de overvåger.

Blodsukker

En anden måde at høste energi på er gennem oxidation af blodsukker. Disse energihøstere kaldes biobatterier . De kunne bruges til at drive implanterede elektroniske enheder (f.eks. Pacemakere, implanterede biosensorer til diabetikere, implanterede aktive RFID -enheder osv.). På nuværende tidspunkt har Minteer Group ved Saint Louis University skabt enzymer, der kan bruges til at generere strøm fra blodsukker. Enzymerne skulle dog stadig udskiftes efter et par år. I 2012 blev en pacemaker drevet af implanterbare biobrændstofceller ved Clarkson University under ledelse af Dr. Evgeny Katz.

Træbaseret

Træmetabolsk energihøstning er en form for bioenergihøstning. Voltree har udviklet en metode til at høste energi fra træer. Disse energihøstere bruges til at drive fjernsensorer og netværksnetværk som grundlag for et langsigtet implementeringssystem til overvågning af skovbrande og vejr i skoven. Ifølge Voltrees websted bør en sådan enheds levetid kun begrænses af levetiden for det træ, den er knyttet til. Et lille testnetværk blev for nylig indsat i en amerikansk nationalparkskov.

Andre energikilder fra træer inkluderer at fange træets fysiske bevægelse i en generator. Teoretisk analyse af denne energikilde viser noget løfte om at drive små elektroniske enheder. En praktisk enhed baseret på denne teori er blevet bygget og med succes drevet en sensorknude i et år.

Metamateriale

En metamaterialebaseret enhed konverterer trådløst et 900 MHz mikrobølgesignal til 7,3 volt jævnstrøm (større end for en USB-enhed). Enheden kan indstilles til at høste andre signaler, herunder Wi-Fi-signaler, satellitsignaler eller endda lydsignaler. Den eksperimentelle enhed brugte en serie på fem glasfiber- og kobberledere . Konverteringseffektiviteten nåede 37 procent. Når traditionelle antenner er tæt på hinanden i rummet, forstyrrer de hinanden. Men da RF -strøm går ned med afstandens terning, er mængden af ​​strøm meget meget lille. Selv om kravet på 7,3 volt er stort, er målingen for et åbent kredsløb. Da strømmen er så lav, kan der næsten ikke være strøm, når der lægges nogen belastning.

Atmosfærisk tryk ændres

Atmosfærens tryk ændres naturligt over tid fra temperaturændringer og vejrmønstre. Enheder med et forseglet kammer kan bruge disse trykforskelle til at udvinde energi. Dette er blevet brugt til at levere strøm til mekaniske ure såsom Atmos -uret .

Ocean Energy

Et relativt nyt begreb om at generere energi er at generere energi fra oceaner. Store masser af farvande er til stede på planeten, som bærer store mængder energi med sig. Energien i dette tilfælde kan genereres af tidevandsstrømme, havbølger, forskel i saltholdighed og også forskel i temperatur. Fra 2018 er der arbejdet på at høste energi på denne måde. United States Navy var for nylig i stand til at generere elektricitet ved hjælp af forskelle i temperaturer til stede i havet.

En metode til at bruge temperaturforskellen på tværs af forskellige niveauer af termoklinen i havet er ved at bruge en termisk energioptager, der er udstyret med et materiale, der ændrer fase i forskellige temperaturområder. Dette er typisk et polymerbaseret materiale, der kan håndtere reversible varmebehandlinger. Når materialet ændrer fase, omdannes energidifferentialet til mekanisk energi. De anvendte materialer skal være i stand til at ændre faser, fra flydende til fast, afhængigt af placeringen af ​​termoklinen under vandet. Disse faseændringsmaterialer inden for høstenheder til termisk energi ville være en ideel måde at genoplade eller drive et ubemandet undervandskøretøj (UUV) på, da det vil stole på det varme og kolde vand, der allerede findes i store vandmasser; minimere behovet for standard batteriopladning. Indfangning af denne energi ville give mulighed for længerevarende missioner, da behovet for at blive indsamlet eller returnere til opladning kan elimineres. Dette er også en meget miljøvenlig metode til at drive undervandsbiler. Der er ingen emissioner ved brug af en faseændringsvæske, og det vil sandsynligvis have en længere levetid end et standardbatteri.

Fremtidige retninger

Elektroaktive polymerer (EAP'er) er blevet foreslået til høst af energi. Disse polymerer har en stor belastning, elastisk energitæthed og høj energiomdannelseseffektivitet. Den samlede vægt af systemer baseret på EAP'er (elektroaktive polymerer) foreslås at være betydeligt lavere end dem, der er baseret på piezoelektriske materialer.

Nanogeneratorer , som den, der er fremstillet af Georgia Tech, kunne give en ny måde til at drive enheder uden batterier. Fra 2008 genererer den kun et dusin nanowatt, hvilket er for lavt til enhver praktisk anvendelse.

Støj har været genstand for et forslag fra NiPS Laboratory i Italien om at høste bredspektrede lavskala vibrationer via en ikke -lineær dynamisk mekanisme, der kan forbedre mejetærskerens effektivitet op til en faktor 4 sammenlignet med traditionelle lineære høstmaskiner.

Kombinationer af forskellige typer energihøstere kan yderligere reducere afhængigheden af ​​batterier, især i miljøer, hvor de tilgængelige omgivende energityper ændres periodisk. Denne form for komplementær afbalanceret energiindsamling har potentiale til at øge pålideligheden af ​​trådløse sensorsystemer til strukturel sundhedsovervågning.

Se også

Referencer

eksterne links

• Callendar, Hugh Longbourne (1911). "Termoelektricitet"  . Encyclopædia Britannica . 26 (11. udgave). s. 814–821.