Tavanomaisen pariston ympäristövaikutukset

Akun avulla toimivat laskurit ovat kaikkialla käytössä, ja ne tarjoavat kriittisiä mittauksia tuotantolinjoissa, logistiikassa ja kenttätoiminnoissa. Kuitenkin laaja-alainen riippuvuus primaarisista (häirintäisistä) akuista on aiheuttanut merkittävän ympäristörasituksen. Joka vuosi heitetään pois miljardeja kertakäyttöisiä akkuja, monet sisältävät raskasmetalleja, kuten kadmiumia, elohopeaa ja lyijyä. Nämä toksiinit voivat valua pohjaveteen, saastuttaa maaperää ja pysyä ekosysteemissä vuosikymmeniä. Valmistusprosessi itsessään on resurssiin perustuva prosessi, joka vaatii suuria määriä litiumia, kobolttia ja nikkeliä. Usein ne puretaan ympäristön kannalta tuhoisilla kaivoskäytännöillä.

Tyypillisen akkukäyttöisen laskurin elinkaarianalyysi paljastaa, että suurin ympäristövaikutus tapahtuu raaka-aineiden poisto- ja hävittämisvaiheessa. Jopa tehokkain emäksinen solu kuluttaa noin 50 kertaa oman painonsa fossiilisissa polttoaineissa tuotannon aikana. Siirtymällä uusiutuviin tai kierrätettäviin energialähteisiin insinöörit voivat vähentää merkittävästi näitä ulkoisvaikutuksia. Haasteena on ylläpitää luotettavuutta ja huippuaikaa, joita teolliset sovellukset vaativat samalla kun ottavat käyttöön ympäristöystävällisempiä teknologioita.

Ekoystävällisten Power Solutions -ratkaisujen keskeiset vaatimukset

Akkukäyttöisten laskureiden vaihtoehtoisen voimanlähteen on täytettävä useita ei- neuvoteltavissa olevia kriteerejä: johdonmukainen jännite, korkea energiatiheys, pitkä käyttöikä ja kyky toimia vaikeissa ympäristöissä (lämpötilan ääriarvot, tärinä, kosteus). Lisäksi ratkaisun on minimoitava jätteet ja helpotettava käytöstä poiston kierrätystä. Seuraavassa tarkastellaan teknologioita, jotka parhaiten tasapainottavat nämä vaatimukset ekologisen vastuun kanssa.

Ladattavat akkuteknologiat

Litium-ion ja litium Rautafosfaatti

Ladattavat litium-ion (Li-ion) -akut ovat tulleet kannettavien elektroniikan standardiksi ja yhä enemmän teollisuuslaskureissa. Nykyaikaiset Li-ion-kennot tarjoavat suuren energiatiheyden (250.300 Wh/kg) ja kestävät satoja lataus-purkaussykliä, vähentävät merkittävästi jätettä verrattuna yhden käyttökerran soluihin. [[]Litiumrautafosfaatti (LFP)[] -muunnokset ovat erityisen houkuttelevia teknisten sovellusten kannalta, koska ne ovat lämpövakautta, kestävät pidempään (2000+-sykliä) eikä niissä ole kobolttia, lieventäviä eettisiä ja ympäristöön liittyviä huolenaiheita kaivostoiminnan alalla. Edistykset -batterin hallintajärjestelmissä (BMS)[[] mahdollistaa nyt laskureiden optimoinnin, latauksen käytön, pidentämisen ja pakkauselämän pidentämisen.

Kiinteän tilan paristot

Näkymässä ovat solid-state-paristot, jotka korvaavat nestemäisen elektrolyyttin kiinteällä keraamisella tai polymeeriseparaattorilla. Nämä lupaavat vieläkin suurempia energiavälejä (400+ Wh/kg), nopeampaa latausta ja parempaa turvallisuutta. Vaikkakin ne ovat vielä kalliita laajalle käyttöönotolle, varhaiset kaupalliset tuotteet ovat pulassa teollisissa sensoreissa. Laskimissa kiinteät tilakennot voisivat mahdollistaa viikkoja tai kuukausia ilman lataamista, vaikka ne olisivat täysin kierrätettävissä.

Nikkeli-metalhydridi (NiMH)

Sovelluksissa, joissa kustannusherkkyys on tärkeintä, nikkelimetallihydridi on edelleen elinkelpoinen ladattava vaihtoehto. NiMH-kennot ovat laajalti saatavilla, sisältävät vähemmän myrkyllistä materiaalia kuin nikkelikadmium (NiCd), ja tarjoavat hyvän syklin (500...1000 sykliä). Niiden energiatiheys (60...120 Wh/kg) on alempi kuin litiumpohjaiset solut, mutta pienitehoisille laskureille ne voivat olla taloudellisesti ympäristöystävällisiä.

Energian talteenotto laskimille

Ehkäpä kaikkein mullistavin lähestymistapa on poistaa akut kokonaan kaivamalla ympäristöenergiaa. Energiantalteenottoteknologiat vievät pieniä määriä energiaa ympäröivästä ympäristöstä suoraan käyttää laitteita tai tikka ladata pieni varastointikenno. Akkukäyttöisten laskureiden osalta useat menetelmät ovat erityisen sopivia:

Valovoltainen (Solaarinen) sadonkorjuu

Sisäaurinkokennot, kuten ]dye-sensitisoidut aurinkokennot (DSSC)[ tai ohutkalvoa amorfinen piipaneelit, voivat muuntaa keinotekoisen valon sähköksi. Jopa tyypillisellä toimisto- tai varastovalaistuksella (200...500 lux) pieni paneeli voi tuottaa kymmeniä mikrowattia. Tämä riittää usein matalatehoisille laskureille, joissa on e-ink näyttöjä tai ultra-low-tehoisia mikro-ohjaimia. Edistyneet maksimitehopisteen seuranta (MPPT)[[] piirit optimoivat energian talteenoton valon voimakkuudesta riippumatta.

Piezoelectric Sadonkorjuu

Laskurit asennetaan värähtelykoneisto, kuljetinhihnat, tai lähellä ajoneuvon moottorit voivat hyötyä pietsosähköiset generaattoreita. Nämä laitteet käyttävät kiteitä tai keramiikkaa, jotka tuottavat jännitettä mekaanisesti stressaantunut. Yksi tärinän harvesteri voi tuottaa 1..10 mW teho. Tarpeeksi lisätä laskurin tai lähettää langattoman signaalin. Tutkijat ovat osoittaneet [] itsekäytetyt laskurit [ teollisuuden pumput, jotka toimivat loputtomasti ilman paristoja.

Lämpösähköntalteenotto

Jos lämpötilagradientteja on (esim. kuuman moottorin kotelon ja ilman välillä), lämpösähkögeneraattorit (TEG) käyttävät Seebeckin tehoa sähkön tuottamiseen. Nykyaikaiset TEG-moduulit ovat kompaktit ja voivat tuottaa jopa useita milliwattia 10...20 °C:n erosta. Tämä tekee niistä ihanteellisia LVI-järjestelmien, moottoreiden tai aurinkolämpölaitosten laskureille.

Kineettinen ja RF-sato

Kannettavien tai kannettavien laskureiden kineettiset harvesterit, jotka muuntavat liikkeen (kävely, työkalujen käsittely) sähköksi, ovat kehittymässä. Myös radiotaajuuksia (RF) kerätään Wi-Fi:stä tai solusignaaleista, mutta ne rajoittuvat hyvin pienitehoisiin (mikrowattinen) tehoihin. Nämä teknologiat voivat täydentää ladattavia akkuja pidentäen latausjaksojen väliä.

Hybridijärjestelmät ja älykkäät voimanhallintajärjestelmät

Mikään yksittäinen ympäristöystävällinen voimanlähde ei ole täydellinen jokaiseen käyttökuntoon. Vahvimmat mallit käyttävät hybridilähestymistapaa: primaarienergian harvesteri (esim. aurinkopaneeli), joka on yhdistetty pieneen puskurivarastoon (superkapasittori tai litiumkenno). älykäs virranhallinta integroitu piiri (PIC)[]], valvoo jatkuvasti saatavilla olevaa ympäristön energiaa, kytkimet sadonkorjuun ja akun tehon välillä ja estää varastointielementtien syvän tyhjentämisen. Tällaiset järjestelmät voivat saavuttaa lähes kokoaikaisen toiminnan matalatehoisten syklien laskureiden osalta, mikä vähentää merkittävästi akkujätettä.

Superkondensaattorit ansaitsevat erityismaininnan. Ne tarjoavat erittäin korkean syklin (500 000+ sykliä), nopean latauksen/purkaustoiminnan ja toimivat laajalla lämpötila-alueella (...40 °C-85 °C). Kun niihin yhdistetään pieni ladattava akku tai polttokenno, superkapasitorit käsittelevät ohimeneviä suuria vaatimuksia (esim. moottoroidut laskurit tai langattomat lähetykset), samalla kun akku käsittelee vakaata tilaa. Tämä synergia parantaa järjestelmän kokonaishyötysuhdetta ja pitkäikäisyyttä.

Kestävän kehityksen suunnittelu: Materiaalit ja loppukäyttö

Itse virtalähteen lisäksi laskurin suunnittelun on edistettävä kierrätystä ja vähennettävä sulautettua energiaa. Insinöörien olisi priorisoitava [ vähätehoinen elektroniikka[]. ...kuten ARM Cortex-M0+ mikroohjaimet, joissa on syvään lepotilaan, e-ink-näytöt, jotka säilyttävät kuvia ilman tehoa, ja langattomat protokollat kuten Bluetooth Low Energy tai LoRaWAN, jotka kuluttavat vähän energiaa. [ Moduuleja rakenne [] mahdollistaa akkupaketin tai korjuulaitteen helposti poistamisen ja korvaamisen hylkäämättä koko laskurikokoonpanoa.

Kierrätettävien tai biohajoavien materiaalien käyttö koteloissa ja piirilevyissä vähentää ympäristövaikutuksia entisestään. [ Biopohjaiset muovit (PLA, PHA) ja kierrätetty alumiini saavat vetovoimaa teollisuuslaitekoteloissa. Merkintöjen ja merkintöjen tulisi osoittaa materiaalin koostumus, joka helpottaa lajittelua käyttöiän lopussa. Jotkut valmistajat tarjoavat nyt takaisinmyyntiohjelmia käytetyille akkupakkauksille, jotka varmistavat litiumin, koboltin ja harvinaisten maa-elementtien asianmukaisen talteenoton.

Tapaustutkimukset: Eco-Ystävälliset vastatekijät käytännössä

Useat insinöörit ovat jo ottaneet käyttöön kestäviä sähköratkaisuja. Logistiikkaan asennetuissa []-varaskäyttöisissä pakettilaskureissa käytetään ympäristövaloa ja pientä superkondensaattoria, jonka avulla voidaan seurata varaston inventaariota ilman akkujätettä. Auton kokoonpanolinjoissa []pietsosähköiset vääntömomenttilaskurit[]] -energian talteenottoa paineilmatyökalujen tärinästä, jolloin akun vaihdosten tarve poistuu. Eurooppalainen valmistaja ilmoitti hiljattain, että akun loppukäsittelykustannukset ovat 90 prosenttia pienemmät vaihtamalla CFP-pohjaisiin ladattaviin laskureihin tuotantolaitoksissaan.

Ympäristönseurantaverkostoissa on käytössä tuhansia akkukäyttöisiä laskureita ilmanlaadun tai veden virtauksen mittaamiseksi. Integroimalla [termosähköiset harvesterit[], jotka toimivat laitteen elektroniikan ja ilman lämpötilaeron avulla, jotkin asemat ovat toimineet yhtäjaksoisesti yli viiden vuoden ajan ilman paristojen vaihtoa. Nämä esimerkit osoittavat, että ympäristöystävällinen sähkö ei ole tulevaisuuden konsepti vaan nykypäivän toteuttamiskelpoinen vaihtoehto.

Tulevaisuuden Suunnat ja tutkimusrajat

Seuraava vuosikymmen tuo mukanaan uusia innovaatioita. [] Langattomat ja painetut paristot [ voidaan upottaa suoraan vastakoteloihin, jotka vastaavat monimutkaisia muotoja ja tuottavat tehoa minimaalisen lisäpainon kanssa. [] Biopolttoainekennot[[], jotka tuottavat sähköä orgaanisista yhdisteistä (esim. glukoosista tai jätevesistä) on tutkittu kapea-alaisissa sovelluksissa, joissa laskurit ovat käytössä biologisesti aktiivisissa ympäristöissä. Lisäksi johdoton voimansiirto[[] (induktiivinen, resonoiva tai jopa laserpohjainen) voisi mahdollistaa laskurit toimivat ilman mitään lautaa olevaa akkua, joka saa sähköä keskustukiasemalta.

Teollisten anturien energiantalteenoton syvällisempää teknistä tarkastelua varten IEEE-paperissa "Energy Harvesting for Wireless Sensor Networks"[ tarjoaa arvovaltaisen yleiskatsauksen. U.S. Energyn energiaministeriön resurssi kestävästä paristojen valmistuksesta tarjoaa ohjeistusta materiaaleista ja parhaista käytännöistä kierrätykseen. Käytännön toteutuksesta kiinnostuneet insinöörit voivat tutustua kansalliseen instrumenttivalkoiseen paperiin akkukäyttöisten laitteiden tehonhallinnasta [.

Päätelmät

Ympäristöystävällisten sähköratkaisujen kehittäminen akkukäyttöisille laskureille on sekä ympäristöllinen välttämättömyys että kilpailuetu. Ladattavien kemistien, energiantalteenottotekniikoiden, älykkään energianhallinnan ja kestävien suunnitteluperiaatteiden avulla insinööritiimit voivat vähentää merkittävästi jätettä, alentaa käyttökustannuksia ja mukautua maailmanlaajuisiin hiilestä irtautumiseen liittyviin tavoitteisiin. Teknologiat ovat kypsiä, hyödyt ovat selkeitä ja siirtymä on jo käynnissä. Jäljellä oleva haaste on yksi laajasta integraatiosta.