Table of Contents
מבוא
טכנולוגיות קציר אנרגיה מעצבות מחדש את הדרך בה מכשירים מבוזרים של הדור הנמוך מופעלים.על ידי לכידת אנרגיה ממתחת מהסביבה, מערכות אלה מציעות אלטרנטיבה בת קיימא, לעתים קרובות ללא תחזוקה לסוללות מסורתיות ואספקת חשמל מחווטלת.מחיישנים תעשייתיים במקומות מרוחקים כדי לפקחי בריאות לב, קצירי אנרגיה מאפשרים לפעול באופן אוטונומי במשך שנים.
מה זה אנרגיה קצירת טכנולוגיות?
קצירת אנרגיה, הידוע גם כאנרגיה מתפתלת, מתייחס לתהליך של לכידת כמויות קטנות של אנרגיה מלוכדת מן הסביבה וממירה אותה לחשמל שניתן להעלות על הדעת.המקורות העיקריים כוללים קרינה סולארית, ⁇ תרמיים, רטטים מכניים וגלי רדיו אלקטרומגנטיים.מקורות אלה זמינים באופן נרחב - אפילו בהגדרות פנימיות או סגורות - שהופכים אותם ליעילות של מכשירים אלקטרוניים בעלי עוצמה נמוכה כגון חיישנים, מיקרו-חיים אלחוטיים, ולהפחית את הנקה.
הטכנולוגיה מסתמכת על טרנספורים מיוחדים: תאים פוטו-וולטאיים עבור גנרטורים סולאריים, תרמואלקטריים (TEGs) עבור תרמי, אדזואלקטרי או אלקטרומגנטיים עבור רטט, ו-Retennas עבור RF.הכוח המנוסס הוא בדרך כלל מיקרו-וואט לטווח מילימטריאט, אשר מספיק עבור מכשירים מבוזרים רבים כוח נמוך, בשילוב עם מעגלים ניהול חשמל יעילים ומחסני אנרגיה (למשל סוללות סופר-סרט).
טכנולוגיות אנרגיה
אנרגיה סולארית
תאים סולק משתמש photovoltaic (PV) כדי להמיר את השמש לחשמל. בעוד תאים PV מבוססי סיליקון מסורתיים יעילים תחת אור שמש ישיר, סרטים דקים וטכנולוגיות פוטו-וולטאיות אורגניות הפכו את האור הפנימי קצירת כפיים.עבור מכשירים בעלי עוצמה נמוכה, אפילו כמה סנטימטרים של חומר PV יכול להניב עשרות עד מאות מיקרווואט תחת תאורה משרדית טיפוסית.
אנרגיה מתחדשת
קצירת האנרגיה הארומית מנצלת את אפקט ה-Seebeck, שבו הבדל טמפרטורה על פני גנרטור תרמואלקטרי (TEG) מייצר מתח.אפילו ⁇ טמפרטורה קטנה - נמוך כמו 5-10 מעלות צלזיוס - יכול לייצר כוח שימושי עבור צניפים.יישומים כוללים התאוששות חום פסולת מציוד תעשייתי, חום הגוף קציר עבור לבישים, ובקרת טמפרטורה במבנים.
אנרגיה מתחדשת
קצירת הוויברציה הופכת את התנועה המכנית לאנרגיה חשמלית באמצעות שלושה מנגנונים עיקריים: ⁇ , אלקטרומגנטית ואלקטרוסטטית. Piezoelectric קצירים, לעתים קרובות עשויים PZT או PVDF, לייצר מטען כאשר מתוחים.הם נפוצים במכונות ניטור תעשייתיות ותשתיות תחבורה. יצרניות אלקטרומגנטיות משתמשות ב-Coil נעים בשדה מגנטי, בדומה גנרטור מיניאטורה, והם יעילים בתדרים נמוכים.
רדיו ⁇ אנרגיה קציר
רדיו ⁇ (RF) אנרגיה קצירת לכידת קרינה אלקטרומגנטית ממקורות כמו נתבי Wi-Fi, מגדלי הסלולר, ורדיו הטלוויזיה.כוח RF שנאסף הוא נסוג ל- DC באמצעות מעגל מהדהד (rectenna) למרות רמות הכוח הנמוכות מאוד (לעתים קרובות ננואטים למיקרו-וואט), קצירת RF היא אטרקטיבית לעוצמה אולטרה-חמצני בחיישנים צפופים (rectennas) ללא יכולת לזהות חיישנים קלים.
שיטות נוספות של יבול
מעבר לארבעת הסוגים הקלאסיים, החוקרים חוקרים בוחנים את אנרגיית הרוח באמצעות מיקרו-טרגנטינים או גנרטורים המבוססים על פלוטר, איסוף אנרגיה אקוסטי מרעש, ואפילו אנרגיה ביוכימית מסוכר או תאי דלק מיקרוביאליים. בעוד אלה נשארים נישה, מערכות היברידיות המשלבות שני או יותר שיטות קציר (למשל, סולרי + רטט) צוברות מערכת עבור יישומים שבהם מקור יחיד הוא I.
יישומים של קציר אנרגיה בדור חסר כוח
מכשירים מבוזרים של כוח נמוך בדרך כלל יש תקציבי חשמל החל מכמה מיקרווואט למספר מילימטרים. יבול אנרגיה הוא התאמה טבעית למכשירים כאלה, המאפשרים ניתוח מופעל על ידי עצמי.
רשתות חיישן אלחוטיות (WSNs)
חיישניים אלחוטיים לניטור סביבתי (temperature, לחות, איכות אוויר), ניטור בריאות מבני של גשרים ובניינים, וחיישנים קרקע חקלאית נהנים מאוד מקצירת אנרגיה. חיישנים המופעלים על ידי השמש יכולים לפעול במשך שנים ללא שינויים סוללה. יבולי Vibration משמשים משאבות תעשייתיות ומנועים כדי כוח-תנאי-הגנה על חיישנים.RF הוא נחקר עבור חיישנים סביבתיים בתוך בית שבו אור וריקבון הם בקושי.
מכשירים רפואיים
מסלולי כושר ללבוש, כתמים רפואיים, וצופים חכמים יותר משלבים את האנרגיה קצירת להאריך את חיי הסוללה או לחסל את הטעינה לחלוטין. גנרטורים הירומאלקטריים שחוקים על העור יכולים לקצור חום גוף, בעוד שאטואלקטרי מבודדים לוכדים את התאים הסולאריים המוטבעים בבגדים או בפסים יכולים לחיישנים כוח במהלך השימוש בשעות היום.האתגר נשאר מספיק כוח במהלך תקופות של פעילות נמוכה או במצבים אפלים / למרות זאת, הם הופכים לגישות חום.
תשתיות חכמות וטכנולוגיות בנייה
מבנים חכמים משתמשים במאות חיישנים אלחוטיים עבור בקרת תאורה, אופטימיזציה HVAC, וגילוי דיקור אנרגיה מבטל את העלות ואת העבודה של החלפת סוללות.לדוגמה, FLT:0 Energy Harvesting מתגים FLT:1 אשר להמיר כפתור לחץ לתוך אות רדיו הפך פעיל, החלפת מתגי אור חוט על צינורות לספק כוח עבור זרימת מטרים, וחיישנים קטנים על לוחות יום על גבי גלגלים.
תחנות איסוף נתונים מרחוק
בסביבה מרוחקת – מעלים, אוקיינוסים, מדברי מים – סוללות משתנות הן בלתי מעשיות. יבול אנרגיה הופך חיוני.תחנות מזג אוויר המופעלות על ידי השמש, צגים ברמת הנהר, וצווארוני מעקב חיות בר הם דוגמאות נפוצות.כמה חיישנים עמוקים-אוקיינוסים משתמשים ב ⁇ תרמיים בין שכבות מים כדי ליצור כוח. בחלל, לווינים קטנים (CubeSats) להסתמך על לוחות סולאריים ומדורגמנים כדי לפעול במשך שנים.
כלכלה תעשייתית ותחזוקה חיזוי
גורמים לפרוס אלפי חיישנים על מכונות רוטות, חגורות, צינורות.וייברציה אנרגיה קצירים על ציוד יכול ישירות חיישנים כוח המדידה טמפרטורה, רטט, מהירות סיבובית, זה מאפשר תחזוקה חיזוי ללא עלות של קלינג או החלפת סוללות.סביבה התעשייתית הקשה - חום גבוה, שמן, אבק - מנקה מבזבזנים ללא חלקים נעים, כגון ⁇ חשמליות כגון: Flasted מכשירים מסחריים (R) כמו ALT1F.
יתרונות והטבות
איסוף אנרגיה מספק מספר יתרונות משכנעים עבור מכשירים מבוזרים של הדור הנמוך:
- (FLT:0) קיימות: FLT:1 באמצעות אנרגיה מכוננת, מכשירים להפחית את התלות בסוללות חד פעמיות ופסולת סביבתית נמוכה יותר.זה תואם את הדחף העולמי לאלקטרוניקה מעגלית ולניטרליות פחמן.
- (FLT:0) תחזוקה: 1FLT (התקנים המופעלים על ידי עצמי) יכולים לפעול במשך חודשים או שנים ללא התערבות אנושית, קריטי עבור מתקנים בלתי נגישים.זה מפחית באופן דרסטי את העלויות התפעוליות בפריסה בקנה מידה גדול של IoT.
- (FLT:0) calScalability: יבולים 1FLT הם זולים יחסית לייצור בכמויות גדולות ויכולים להשתלב בגורמים קטנים של צורות.מיליוני צניפים ניתן לפרוס עם תשתיות מינימליות.
- (FLT:0) קופקט-אווירה: FIRLT:1, למרות שעלויות החומרה הראשוניות עשויות להיות גבוהות יותר מפתרונות המופעלים על ידי סוללות, חיסול החלפת סוללות ועלויות העבודה מוביל לירידה של בעלות עלות הכוללת במשך מספר שנים.
- (FLT:0)Autonomy: FLT:1 קצירי אנרגיה מאפשרים אוטונומיה אמיתית למכשיר, פתיחת יישומים במערכות קריטיות בטיחות שבהן כשל כוח עלול לגרום לסיכון (למשל, אזעקה אש, צגים מבניים).
אתגרים ומגבלות
למרות היתרונות ברורים, יש לטפל במספר אתגרים לפני איסוף האנרגיה הופך להיות ברירת המחדל עבור הדור בעל כוח נמוך:
הכחשה אנרגיה נמוכה ועקשנות
מקורות אנרגיה Ambient הם לעתים קרובות diffuse ומשתנה.כוח השמש אינו זמין בלילה; רטט עשוי להפסיק במהלך הפסקות מכונה; אותות RF להשתנות עם שימוש ברשת. צפיפות הכוח המנוסחת היא בדרך כלל בטווח של 10-100 מיקרו-W / ס"מ עבור סוללות סולאריות מקורה 1-10 μW / ס"מ עבור רטט ו- RF.זה פקודות של גודל נמוך יותר מאשר סוללה טיפוסית (כ 2h) הם צורך אנרגיה יעילה (p) ו-pvpvpvpvpv).
מורכבות ניהול כוח
המרת משתנים, מתח נמוך, קלטות קבועות נמוכה ל- DC דורש מעגלים משולבים של ניהול חשמל מתוחכם (PMICs) אלה חייבים לכלול מעקב מקסימלי נקודת כוח, מתח להגביר, ותקנה.עיצוב PMICs אשר צורכת quiescent quiescent הנוכחי (למשל, <10 nA) נשאר אתגר.
אינטגרציה ו- Form Factor
קצירת טרנסנפורים לעתים קרובות דורשים פרמטרים פיזיים ספציפיים - אזור גדול עבור PV, נתיב תרמי ⁇ עבור TEG, התחדשות מכנית עבור רטט. integrating אלה לתוך קומפקטי, זול עלות נמוכה התקנים ללא ביצועים חיישן הצטברות הוא לא טריוויאלי. לדוגמה, קציר רטט חייב להיות מכוון לתדירות הדומיננטית של המכונה המארחת שלה, אשר יכול להשתנות עם תנאים תפעוליים.
אחריות וחיים
בעוד הקצירים מבטלים את רכיבה על סוללות, הם מציגים מצבי כישלונ חדשים: הצטברות אבק על תאים סולאריים, עייפות באלמנטים אדזואלקטריים, השפלה של חומר תרמואלקטרי בטמפרטורות גבוהות.חומרים מחקר ממשיכים לשפר את העוצמה ולשמור על יעילות לאורך עשרות שנים של פעילות.
תקנים והתאמה
מערכת האקולוגית של IoT חסרה סטנדרטים אוניברסליים עבור ממשקי קציר אנרגיה, מה שמקשה על מכשירים מיצרנים שונים לשתף פעולה. Efforts כגון תקן IEEE 21451 עבור טרנספורים חכמים במטרה לענות על זה, אבל אימוץ נשאר מוגבל.
מגמות מחקר ודרכים לעתיד
תחום קציר האנרגיה מתקדם במהירות, מונע על ידי הרחבה של מחשוב IoT, קצה קצה, ואלקטרוניקה בת קיימא. מגמות מחקר מפתח כוללים:
מערכות קציר היברידיות
שילוב של שיטות איסוף מרובות (למשל, שמש + תרמי או רטט + RF) במכשיר יחיד יכול לשפר את זמינות החשמל על פני תנאים סביבתיים שונים. חוקרים הם מערכות משולבות prototyping המתגבות בין מקורות או לסכם את תפוקת החשמל שלהם. לדוגמה, בעל כורת לב בעל כורך בעל כורך יכול לקצור חום גוף באמצעות TEG ואנרגיה קינטית באמצעות קמצואלקטרית.
שיפור היעילות באמצעות ננו-חומרים
חומרים מבנים - כגון dots קוונטי עבור תאים סולאריים, ננווט מערך עבור thermoelectrics, וננו-tubes פחמן עבור תרכובות אדזואלקטריות - שיפור יעילות דרמטית. Perovskite תאים סולאריים הם ליד יכולת מסחרית, בעוד חומרים thermoelectric עם FLT:0form של ZT > 2Fve 1 הוכח בהגדרות מעבדה.
שילוב עם אחסון אנרגיה
Supercapacitors עם צפיפות אנרגיה גבוהה וחיי מחזור ארוכים הם יחד עם קצירים כדי לטבול אנרגיה. סוללות מוצק המדינה, אשר הם בטוחים יותר ויש צפיפות אנרגיה גבוהה יותר מאשר ליתיום-יון, הם גם להיות מקטין עבור יישומים איסוף אנרגיה. Integrated Power Management שבבים אשר מטפלות הן קציר והן אחסון טעינה הופכת יעילה יותר.
העברה אלחוטית כ-Comlement
ביישומים מסוימים, אנרגיה מתפתחת אינה מספקת, אך העברת חשמל אלחוטית ייעודית (למשל, הפיכה מחדש או מכוונת RF) יכולה לספק מקור אנרגיה מבוקר.השורה בין קצירת אנרגיה וכוח אלחוטי מטשטשת כאשר מערכות נועדו לפעול מתפתל או מאנרגיה מתוכננת.
בינה מלאכותית וציר חיזוי
אלגוריתמי למידת מכונות יכולים לחזות זמינות אנרגיה עתידית המבוססת על דפוסים היסטוריים (למשל, מחזורי שמש יומיים, לוח זמנים של רטט ציוד) זה מאפשר למכשירים להתאים את מחזורי החובה שלהם ואת אסטרטגיות תקשורת כדי למקסם את הזמן.מודלים של TinyML פועל על חומרה ברמת מיקרו-בקר הם פרושים כדי להתאים את השימוש באנרגיה באופן דינמי.
בסביבה הקרובה של Biodegradable Harvesters
כאשר פסולת אלקטרונית הופכת לדאגה גלובלית, החוקרים מפתחים קצירים ביו-דידים שנעשו מתאים, משי וחומרים טבעיים אחרים.המכשירים האלה יבוטלו לאחר חייהם הפונקציונליים, תוך חיסול הצורך באיסוף ומחזור בפריסות IoT מסיביות.
מסקנה
טכנולוגיות קציר אנרגיה התבגרו ממקריות אקדמיות למקורות כוח מעשיים עבור מגוון רחב של מכשירים מבוזרים כוח נמוך כוח ייצור חשמל.שמש, תרמי, רטט, ו- RF לקצור כל אחד יש נקודות חוזק המתאימות לסביבות ספציפיות, ומערכות היברידיות יכולות להציע ביצועים אמינים על פני תנאים משתנים.בעוד אתגרים - צפיפות אנרגיה, יכולת תחזוקה, אינטגרציה, קיימות, המשך התקדמות בחומרים, חשמל, אלקטרוניקה ועיצוב הם בהתמדה לאורך עשור של טכנולוגיות חסימתיות, אלקטרוניקה, וסטנדרטיות, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה מתקדמת, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה אמיתית, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, עיצוב, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, , , , , , אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, , אלקטרוניקה, , אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, , אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, עיצוב,