אתגר הכוח לחיישנים מרוחקים

חיישנים מרוחקים הם עמוד השדרה של מערכות ניטור מודרניות, פרוסים בכל מקום מתחנות מזג אוויר עמוק הים עד תחנות מזג אוויר בעלות יכולת גבוהה, משדות חקלאיים ועד צינורות תעשייתיים.הם אוספים נתונים קריטיים על טמפרטורה, לחות, רטט, לחץ, וקומפוזיציה כימית.אבל המגבלה הגדולה ביותר לאימוץ נרחב שלהם, בטווח הארוך יש כוח.

הבנה של מהפכת האנרגיה המבוססת על Transducer

בליבתו, קצירת אנרגיה מבוססת טרנסדור מסתמכת על מכשירים שהופכים צורה אחת של אנרגיה לתוך אחר. בהקשר זה, טרנסנפורמטי לוקח אנרגיה מכוננת - מתח מכני, ⁇ טמפרטורה, פוטונים קלים, או גלים אקוסטיים - וממירים אותו לתוך זרם חשמלי מספיק של תאים גמישים, אופייני של קציר הוא היכולת שלו scavenge אנרגיה כי יהיה בדרך כלל בזבז גדול כמו חיישנים אנרגיה נמוכה, או קומפקטית, כמו מיקרו-אוויר, 000, 000, בדרך כלל, 000 כוח-אווירה, הוא מסוגל לעתים קרובות, 000 כוח-אוויר, 000 יעיל, 000 יעיל, 000 יעיל, 000 יעיל, 000 יעיל, 000 כוח קומפקטיים, הוא מסוגל קומפקטית, 000 כוח-אט, הוא מסוגל לעתים קרובות, 000 כוח-אווירה, 000 כוח-אט, 000 כוח-אט, 000 כוח-אוויר, 000 כוח-אוויר, 000 יעיל של כוח-אווירה, הוא מסוגל לעתים קרובות, 000 יעיל של קומפקטית, 000 כוח-אווירה, 000 כוח-אווירה, 000 כוח-אווירה, הוא מסוגל, הוא מסוגל קומפקטית, 000 כוח-אווירה, 000 כוח-אווירה, 000 כוח-אווירה, 000 כוח-אט-

המנגנונים הנפוצים ביותר כוללים ⁇ electric (vibration / אימון), pyroelectric / thermoelectric (שינוי זמני / ⁇ ), photovoltaic (אור), אלקטרומגנטי (שדה מגנטי), ו triboelectric (חשמל מגע) לכל אחד יש כוחות ייחודיים ומגבלות, נהיגה מחקר במערכות היברידיות המשלבות סוגים מרובים כדי למקסם את האנרגיה משינוי מקורות מורכבים.

פריצות דרך אחרונות בחומרים טרנסנפורמטריים ועיצוב

בחמש השנים האחרונות היו עדים להתקדמות טרנספורמטיבית בחומרים ובהנדסת אנרגיה של טרנסנפצים באנרגיה.החידושים האלה מתייחסים ישירות לחסמים היסטוריים: צפיפות כוח נמוכה, רוחב פס תפעולי צר, עמידות ירודה בתנאים של העולם האמיתי, ועלויות ייצור גבוהות.

החידושים המלוכלכים

(העברים המטומצים של צ'אזואלקטרי להמיר מתח מכני למטענים חשמליים.חומרים קרמיקה מסורתיים כמו PZT (lead zirconate titanate) מציעים פלט גבוה אבל הם שופעים ומכילים חומרים מורכבים חדשים, כגון פולימרים אדמצמיים אדמצמיים (למשל, צינורות חשמליים) ואביזרים חשמליים (למשל, KNN-based), מספקים כעת ביצועים דומים לשילובים גמישים של אבטחה ובטיחות גבוהה יותר של תרופות.

התקדמות משמעותית נוספת היא הרחבה של אנרגיה לרטטת יבול.מקצני רסן מסורתיים עובדים ביעילות רק בתדר מסוים.על ידי שימוש במעייןים לא ליניאריים, תותחים עם טיפ, וערכים של אלמנטים שונים מכווננים, קצירי טטאזואלקטריים מודרניים יכולים לפעול ביעילות בטווח תדר רחב יותר (10–500 הרץ), מה שהופך אותם מתאימים למכונות, כלי רכב, מבנים עם פרופילים רטט.

Pyroelectric ו- Thermoelectric Advances

חומרים Pyroelectric מייצרים חשמל מתנודות טמפרטורה לאורך זמן, בעוד גנרטורים thermoelectric (TEGs) לייצר כוח מסגסוגת טמפרטורה על פני המכשיר. שיפורים אחרונים בקרמיקה pyroelectric (למשל, ראשי תיבות בודדים PMN-PT) ופולימרים הגדילה את צפיפות האנרגיה על ידי יותר מ -300% במחקר.

הטכנולוגיה הירומאלקטרית ראתה גם חידוש עם התפתחות מודולים פילים בעלי ביצועים גבוהים באמצעות ⁇ אספרורייד דו-סמוט ו-skutterudites. TEGs מודפסים על תת-שכבות פולימרים יכול כעת להיות מחובר בהתאמה למקורות חום מעוקלים כמו צינורות או עור אנושי.

מערכות Photovoltaic ו Hybrid

תאים פוטו-וולטאיים פנימיים וחיצוניים נשארים אבן הפינה של איסוף אנרגיה עבור חיישנים מרוחקים.חידושים אחרונים כוללים תאים סולאריים perovskite עם יעילות מעל 25% בהגדרות מעבדה, גמישים, סמי- ⁇ מודולים שניתן לשלב בתוך חלונות, חזיתות בנייה, או אולמות חיישן. Bif תאים ללכוד אור משני הצדדים, שיפור אנרגיה בסביבות של אור כמו יערות או פנים תעשייתיות.

קצירים היברידיים המשלבים שני מנגנוני הפחתה או יותר הם מגמה גדולה.לדוגמה, מכשיר אחד יכול לשלב שכבה פוטו-וולטאית על גבי, שכבה pyroelectric באמצע (לתפוס תנודות תרמיות מהתחממות השמש), ושכבה אדזואלקטרית בבסיס (לקטרטטים מושרה רוח) אלה מגבירים את התפוקה הכוללת ולשפר את האמינות כאשר מקור אחד אינו זמין הוא דוגמה בולטת של ה-Fibretulated, אשר משלבת את התנועה האלקטרומגנטית של ג'ורג'ורג'ורג'ורג'יה 1D.

דרישות נהיגה

הערך המעשי של חידושים אלה הוא הבין ביותר באמצעות יישומים בעולם האמיתי שבו קצירת אנרגיה מבוססת טרנסנפורמטי כבר עושה את ההבדל:

פיקוח סביבתי

תחנות מזג אוויר מרוחקות, חיישני איכות האוויר, וצווארוני מעקב חיות בר יכולים לפעול ללא הגבלת זמן כאשר מצויד בשילוב של לוחות סולאריים קטנים רטט או קצירי חום תרמואלקטריים. ביערות הגשם של אמזון, חיישנים המופעלים על ידי ⁇ טמפרטורה של עץ ורטטים משדרים נתונים על מיקרוקליד ופחמן-פחמן-פחמן ללא שינויים סוללה.

מעקב אחר בריאות

גשרים, מנהרות, טורבינות רוח, צינורות מצוידים יותר ויותר ברשתות של חיישני רטט מופעלים. ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

אינטרנט תעשייתי של דברים (IIoT)

במפעלים ובזמינים, אלפי חיישנים לפקח על טמפרטורה, לחץ ותנאי ציוד.התחיל ממכשירים רטט, פירוק חום, או אפילו אור ממתח מאפשר לחיישנים אלה להיות מותקנים ללא היסוס, צמצום באופן דרסטי בעלויות ההתקנה. חברות כמו FLT:0EnceanFLT:1 יש מתגים אלחוטיים מופעלים מסחרית וחיישנים המשמשים אנרגיה מטמפרטורה פנימית או קטנה, עכשיו פרוסים מעל 100,000 מבנים ברחבי העולם.

חקלאות ודעה קדומה

חיישני לחות סוליליים, עוקבים בעלי חיים, ובקרי השקיה בתחומים מרוחקים הם מועמדים אידיאליים לקצירת אנרגיה.פאנל פוטו-וולטאי בשילוב עם גנרטור תרמואלקטרי קטן המופעל על ידי ⁇ טמפרטורה אווירית יכול לשמור על חיישנים תפעוליים באמצעות עונות רבות גדלות עם החלפת סוללה אפס.

מכשירים רפואיים ולבוש

חיישנים בעלי שתל (למשל, ג'ק צ'יפים, קוצים) ותיקונים בריאותיים שניתן להפעילם על ידי חום גוף (מתרמי) או תנועה (piezoelectric) לאחרונה אבטיפוסים של קוצני קצב מונעים על ידי עצמי באמצעות תנודות לב-ב-ב-ב-ב-ב-b אוכלת:0 עברו ניסויים בבעלי חיים מוקדמים, מצביעים לעבר עתיד ללא ניתוחי סוללות.

יתרונות של רשתות חיישן מרחוק

המעבר לצריכת אנרגיה מבוססת טרנסדור מציע יתרונות מוחשיים המשתרעים הרבה מעבר לחיי סוללה מורחבים:

  • (FLT:0)Extended Sensor Lifespan:FreaLT:1) על ידי השלמת סוללות או החלפת סוללות, קציר מאפשר חיישנים לתפקד במשך שנים או עשורים, התאמת החיים התפעוליים של המבנה או הציוד להיות במעקב.
  • (FLT:0) חיסכון: 1.FLT:1 ביטול שינויים בסוללה שגרתית מפחית את עלויות העבודה, הנסיעות וההסכמת - במיוחד קריטי עבור חיישנים בפלטפורמות offshore, שיאי הרים, או אזורים מסוכנים.
  • (FLT:0) שיפור ההשפעה הסביבתית: FLT:1 סוללות חד פעמיות פחות פירושו פחות פסולת רעילה וטביעת רגל פחמן קטנה יותר עבור רשת החיישן.
  • (FLT:0) ניתן להציב חיישנים של ההרחבה: 1:1 חיישנים ניתן להציב במקומות שלא היו אפשריים בעבר בשל מגבלות כוח - לצד בטון, בתוך מכונות מסתובבות, או עמוק מתחת למים.
  • מקורות אנרגיה שאפתניים (FLT:0) משופרים: מקורות אנרגיה אלמבינטיים הם לעתים קרובות יותר אמינים מאשר סוללות בטמפרטורות קיצוניות או סביבות רוח גבוהות שבהן ביצועי הסוללה מתפוגגות.

אתגרים טכניים

למרות ההתקדמות המרשימה, כמה אתגרים נותרו לפני שיבול האנרגיה מבוסס על טרנספור הופך להיות כל כך חיוני בחישה מרחוק:

אנרגיה הפיכה

בעוד יעילות מעבדה עלתה באופן משמעותי, ביצועים בעולם האמיתי לעתים קרובות לבלוטים. גנרטור תרמואלקטרי יעיל 10% בהגדרה מעבדה מבוקרת עלול לרדת ל-2% כאשר נחשפים לזרימה משתנה ולחות.אופטימיזציה של עיצוב קציר עבור תנאים טיפוסיים - לא תנאי מעבדה אידיאליים - הוא מוקד מתמשך. החוקרים בוחנים את למידת המכונה כדי לחזות ולתאם לסביבות אנרגיה דינמיות.

אפשרויות והתאמה של מקורות שאפתניים

מקורות אנרגיה כמו אי-רדיאנס סולארי, רוח או רטט הם לסירוגין לחלוטין.חיישנים חייבים לכלול מחסוני אחסון אנרגיה (למשל, supercapacitors) ועיגולים משולבים של ניהול חשמל מתוחכמות (PMICs) שיכולים להתמודד עם ספייק חשמל פתאומי ודיפסים.התקדמות במיקרו-בקרים אולטרה-נמוכים עם אנרגיה-מודע עכשיו לאפשר חיישנים לשחיתים במהלך הבצורת.

הסתמכות ארוכת טווח בסביבה החריפה

Transducers פרוס במדבר, אזורי קדחתניים, או סביבות ימיות חייבים לעמוד על אופניים תרמיים, לחות, קורוזיה, וטעינה פיזית. ציפויים הגנה חדשים, אריזה hermetic, משטחים מנקה עצמית (למשל, שכבות הידרופוביות על תאים פוטו-וולטאיים) מפותחים כדי להבטיח הפעלה רב שנתית ללא השפלה.

שילוב ומיניטוריזציה

מערכות קציר חייבות להיות קטנות מספיק כדי להתאים בתוך מתחם חיישן תוך יצירת מספיק כוח. MEMS (מערכות מיקרואלקטרוניקה) ייצור טכניקות ייצור עכשיו לייצר מ"מ בקנה מידה יכול עד כל קצירים אדזואלקטריים, ומודולים תרמואלקטריים דקים כמו שיער אנושי.האתגר נמצא בשילוב אלה עם אנטנה, חיישנים, ורדיו ללא התערבות הדדית.

סטנדרט והתאמה

היעדר תקני התעשייה למתח פלט, פרוטוקולי ממשק, ותחנות מכניות מעכבות אימוץ נרחב של ארגונים כמו IEEE ו-Internet Consortium פועלים על קווים מנחים למודולים של איסוף אנרגיה כדי להבטיח שניתן יהיה לקשור אותם בקלות לפלטפורמות הקיימות של IoT.

כיוונים עתידיים ו- Market Outlook

גל החדשנות הבא בקצירת אנרגיה מבוססת טרנסדור עשוי להיות מעוצב על ידי שלושה מגמות:

מערכות ריגול ו Multisources Harvesting

מקורות אנרגיה בודדים הם לעתים רחוקות אמינים לבד, אבל שילוב של שניים או יותר יכול לספק כוח ליד-constant. לדוגמה, חיישן על ההר עשוי לקצור אנרגיה סולארית בשעות היום ורוח לילה או אנרגיה סיבולת טמפרטורה.התקדמות ב- PMICs אשר יכול לשלב באופן חלקה קלטות ממודולים מרובים של טרנסנפצים הם סטארט-אפ קריטיים כמו FLT:0Energy Harvesting SolutionsFLT1 עכשיו להציע תמונות היברידיות, מודולים היברידית, עם , עם מחסנים היברידיים עם , עם מחסנים היברידיים עם דחוסים, ומודולים.

אינטליגנציה מלאכותית ושליטה הסתגלותית

אלגוריתמי למידת מכונות יכולים לחזות זמינות אנרגיה בהתבסס על נתונים היסטוריים ותחזיות מזג אוויר, המאפשרים לחיישנים לייעל את שיעור דגימת הנתונים שלהם, שימוש באחסון ותדירות השידור.לדוגמה, חיישן עשוי להגדיל את הדגימה במהלך תקופות אנרגיה גבוהות (סוני, רוחי) ולכנס לישון עמוק במהלך מחסור באנרגיה צפוי. אלגוריתמים אלה מוטבעים ישירות לתוך חומרת אנרגיה עבור קושחה אולטרה-עוצמה עבור מיקרו-פלומה.

הדפסה, גמישה, ו- Biodegradable Harvesters

הפיתוח של אלקטרוניקה מודפס מאפשר יבולים אנרגיה זולים, גדול דונם שניתן לשלב באריזה, תוויות, או אפילו חיישנים רפואיים בשימוש יחיד. biodegradable ⁇ electric חומרים (למשל, בהתבסס על צלולוז או משי) הם מחקר עבור צגים סביבתיים כי להיפטר לאחר השימוש, חיסול פסולת אלקטרונית לחלוטין.

על פי דוח של MarketsandMarketsFLT ( 1:1), שוק קציר האנרגיה העולמי צפוי להגיע ל-1.2 מיליארד דולר עד 2029, גדל ב- CAGR של 12.5%.הביקוש הגובר לרשתות חיישן אלחוטיות בבניינים חכמים, אוטומציה תעשייתית, ניטור סביבתי הוא הנהג הראשי.

מסקנה

החידושים בקצירת אנרגיה מבוססת טרנסדור מייצגים שינוי פרדיגמטי באופן שבו אנו מפעילים חיישנים מרוחקים.על ידי המרת אנרגיית פסולת מכוננת לחשמל הניתן להשגה, טכנולוגיות אלה מבטלות את פערי הסחר הישנים בין יכולת חיישן, תוחלת החיים ותחזוקה.על ידי הפעלת פריצות דרך חומרים עדכניות שיפרו באופן דרמטי את הביצועים והרחיבו את טווח מקורות הניתנים להשגה, בעוד מערכות היברידיות וניהול כוח אינטליגנטי פותרים את האתגרים שמוחזקים פעם בעשור האחרון, כמו יעילות חיצונית, כמו גם כן, כמו יעילות יציבה, אך ורק בתנאי יעילות עולמית, כמו גם כן, כמו גם בתנאי אבטחה, כמו גם בתנאי אבטחה יציבה יותר, אך ורק בתנאי יעילות כדור הארץ, אך ורק בתנאי אבטחה, כמו גם כן, בתנאי אבטחה, כמו גם כן, יציבה יותר, בתנאי יעילות גבוהה יותר, אך ורק בתנאי יעילותם של כדור הארץ, בעוד שעדיין גבוהה יותר, בעוד שעדיין גבוהה יותר, היא יעילה יותר, בתנאי יעילותם של מערכות סביבתית, בעוד שעדיין גבוהה יותר, בעוד שעדיין גבוהה יותר, בתנאי אבטחה, בתנאי אבטחה, בתנאי שעדיין גבוהה יותר, בתנאי שמערכת סביבתית, בעוד שעדיין גבוהה יותר, ככל שמערכת סביבתית, היא יעילה יותר, בעוד שמערכת סביבתית, היא יעילה יותר, בעוד שמערכת סביבתית