פיתוח טכניקות איסוף אנרגיה למכשירים אוטונומיים

קידום של מכשירים מכניים אוטונומיים מציג דילמה אנרגיה מתמשכת.בטרי מציגה דרישות תפעוליות סופיות ותחזוקתיים כי הם בלתי-מעשיים עבור מכשירים פרוסים על פני תשתיות מרוחקות, מוטבעים במפרקים, או מושתלים בתוך הגוף האנושי. קציר אנרגיה מספק פתרון הנדסי חזק על ידי לכידת אנרגיה סביבתית מלוכדת וממיר אותה לאנרגיה חשמלית מוסדרת.

עקרונות קצירת אנרגיה שאפתנית

קצירת אנרגיה, המכונה גם אנרגיה מתפתלת, היא התהליך שבו כמויות קטנות של חשמל נגזר מקורות אנרגיה הסביבה נוכח בסביבת התפעול של המכשיר.זה ניגודים בחדות עם הדור הקונבנציונלי, אשר מסתמך על דלק מאוחסן או חיבור ישיר לרשת החשמל. המקורות הטיפוסיים הם דיפוזה ולעתים קרובות לסירוגין: קרינה אלקטרומגנטית מהשמש או תאורה מלאכותית, אנרגיה מרטטים תנועה או אותות תרמיים, אותות רדיו מגנטיים, על פני קרינת רדיו אקוסטית (Ric) על פני קרינת רדיו מוצקה, בתדרים).

הפלט החשמלי של transducer קציר הוא צנוע אופייני, החל nanoוואטס ל מיליוואטס. המטרה ההנדסית העיקרית, ולכן, הוא לא להחליף מלאי כוח אבל כדי לקיים פעולה ארוכת טווח, לטעון סוללות קטנות, או כוח מחונן כמות ממוחזרת כוח והפעלה של מערכת משנה אוטונומית, יעיל קציר אנרגיה הופך את המקור לחיים סופיים, לטווח ארוך, לסכן סוללות אנרגיה מתחדשת של סביבת ניהול אנרגיה, במקום תפקוד קבוע של כוח מרפאה.

מושג מכריע בתחום זה הוא FLT:0power צפיפות משתנה 1 , בדרך כלל באינטנסיבי מיקרו-וואט לסנטימטר מעוקב (μW / ס"מ3) לעוצמה מקור. , מהירויות השמש בחוץ יכול להציע מעל 15 mW / ס"מ2, בעוד תאורה פנימית מספקת עשרות של μW / 2. Vibration מקורות להשתנות באופן נרחב, פחות מ 1 מיקרו-W / 3 בשקט למאות ימים של מכונות טמפרטורה הכרחית.

שיטות איסוף אנרגיה

מגוון רחב של טכנולוגיות טרנסדוקציה פותח כדי להתחבר זרמי אנרגיה מסוימים.הבחירה של טכניקת קציר עיקרי מוכתבת על ידי המאפיינים של סביבת היעד ואת דרישות הכוח של העומס mechatronic.כל אחד מודוליות נושאות סחר נפרדות בתפוקה כוח, טביעת רגל פיזית, תחזוקה וקנה מידה.

ההרחבה Photovoltaic Energy Harvesting

ההמרה Photovoltaic (PV) נשארת המודוליסטית הבוגרת ביותר והפורצת באופן נרחב.פאנלים של Monocrystalline סיליקון לספק יעילות גבוהה (יותר מ 26% בתאי מעבדה, 20-22% במודולים מסחריים) תחת אור שמש ישיר, מה שהופך אותם אידיאליים עבור ניטור תשתיות חיצוניות ורשתות חיישן חקלאיות.עבור מערכות mechatronic אוטונומיות הדורשות אינטגרציה, טכנולוגיות דקות כגון נחושת בסרום גליום גלניום (CIm) ו-Extraicemcentiadus) לגורמי טקסטיל מתאימים (Tolic) או חומרים גמישים, לדוגמה, תכונות טקסט ניידים (Tolicoxy) ללבוש תבניות טקסטוכותלים, מגנטיות, מגנטיות, מגנטיות, תכונות).

הופעתה המהירה של תאים סולאריים perovskite מציגה התקדמות משמעותית עבור יישומים מקורה.עם efficiities soaring את פני 25% תאים חד פעמיים טונה, perovskites יכול להשיג ביצועים גבוהים תחת המאפיינים ספקטרליים של ריצוף מקורה תאורה LED, המאפשר חיישנים מופעלים על ידי כוח עצמי במפעלים ובניינים חכמים.

אנרגיה מכנית ו Kinetic אנרגיה קציר

חיתוך אנרגיה קינטית מרטטים, השפעות, או תנועה ליניארית מציעה מקור כוח חזק במסגרות תעשייתיות, תחבורה וביוטכנולוגיה.שלוש מנגנוני ההקצאה הדומיננטיים הם ⁇ אלקטריים, אלקטרומגנטיים ואלקטרוסטטיים.

(FLT:0) יבולים חשמליים (PZT), פוליווינילidene fluoride (PVDF), ו-Diroped Variable Materialss כגון ראשי Zirconate titanate titanate (PZT), פוליווינליד פלואוריד (PVDF), ו-Vir-freeקרמיקה ללא קרמיקה, כמו ניטראטיום משותף (KN) משתמש באפקטים אופייניים עם הוכחה מעוקבת, מעוקבת, מקוטבת של סנטימטרים, כאשר הם בעלי מבנה מכניים, כלומר, באופן מכניים, כאשר הם יכולים לספק קיבולת מכנית, באופן מכנית, כאשר הם מספקים יותר ממריצים, באופן מכנית, כלומר, באופן מכנית, על ידי זרם אופטימנטלי, כאשר הם יכולים לספק קיבולת גבוהה יותר, על ידי זרם אופטימנטלי, על ידי זרם אופטימנטלי, על ידי זרם אופטית, על ידי זרם אופטימנטלי, בין היתר, בין תאים, באופן קבוע, בין היתר, באופן מכני, באופן קבוע, בין היתר, ל-מתאים, על ידי מיקרו-מנטלי, בין היתר, על ידי קיבולת של מיקרו-מנטלי, על ידי מילימטרי, 000, 000, 000, 000,

מקורות רטט בעולם האמיתי הם לעתים קרובות פס רחב או משתנים בתדירות לאורך זמן.כדי לענות על זה, החוקרים פיתחו טכניקות פס רחב כולל כוונון תדירות, תדירות עלייה של סטיות, ולא לינארית oscillators דו-פעפיים אלה להרחיב את רוחב הפס התפעולי היעיל, אך גורם להם להיות יותר בר-קיימא בסביבות בלתי צפויות.

אנרגיה מתחדשת

גנרטורים ה-TEGs (TEGs) להמיר את הבדל הטמפרטורה מרחבי ישירות לחשמל DC באמצעות אפקט Seebeck. A TEG מודול מורכב ממערך של זוגות מוליכים למחצה, בדרך כלל עשוי מ- bismuth Telluride (Bi2Te3) עבור יישומים לטווח קצר-חדר-זמן, כריכים בין צלחות צד חם קר.

סביבות תעשייתיות מספקות הזדמנויות רבות לפריצת TEG. Clamping a TEG על פני השטח חם, כגון צינורות exhaust, קו קיטור, או קיר פרווה, בנוכחות אוויר קריר יותר יכול לייצר מילימטרים עד מאות של חומרים מ"מ-FVicate של כוח מתמשך.

רדיו Frequency Energy Harvesting

אספקת אנרגיית RF לוכדת קרינה אלקטרומגנטית מכל מקום שידור אלחוטי, כולל Wi-Fi, תחנות בסיס סלולרי, טלוויזיה ומכשירי Bluetooth. אנטנה מהדהדת, או FLT:0rectennaFLT:1, מיירט את אות RF וממיר אותו ל- DC Power ממקורות גמישים מאוד, בדרך כלל ב nanoוואטים למגוון נמוך יותר, מה שמוביל ליישומים אולטרה-אטים ליישומים אלה, כמו גלאיים.

למרות הכוח הנמוך, מקורות RF ייעודיים יכולים להמריץ את הצמתים במערכת של העברת חשמל אלחוטית מבוקרת (WPT) אשר צוברת מתחים ברשתות החיישן הצפופות ובתכנון תעשייתי.מודרני של רטנה הפועלת ב-2.4 GHz או 900 להקות ISM מ"מ-ISM" הראו השפעות קומפקטיות יותר, עלייה של 50% מכוחות נמוכות כמו dBm 20.

טכניקות מתפתחות ו Niche Harvesting

כמה טכנולוגיות מבטיחות מרחיבות את הגבולות של קצירת אנרגיה.FLT:0 (Triboelectric nanogenerators) (TENGs) ⁇ 1 זוג מגע עם אינרציה אלקטרוסטטית להמיר תנועה מכנית לתוך הדופק החשמלי: קיבול של אנרגיה מלקיחה, חיתוך, סיבוב, ואפילו רוח או זרימה, ניתן לייצר ממתחים גמישים, גמישים והופכים אותם למשטחים של אנרגיה גמישים, לכיסוי עצמי גבוה, ל-F2, לכיסויים, לכיסויים, לכיסוי עצמי גבוה, לכיסויים, לחיישנים חדשים, ולחדשניים.

(ב) לדוגמה:0) קצירים חשמליים מ-FLT:1ir מנצלים תנודות טמפרטורה זמניות (dT/dt) כדי לייצר מטען, לכידת אנרגיה ממחזורי לילה או קרבה למקורות חום.FLT:2Bioelectrochemical מיוחדים במיוחד, כולל גלי חשמל עטורמטיים ומיקרוביים, אנרגיה כימית ממקורות גלוקוז אורגניים (Flowic) כגון:

מערכת-שלבי אינטגרציה וניהול כוח

כוח מקציב רק לעתים רחוקות תואם את המתח ואת הדרישות הנוכחיות של אלקטרוניקה מודרנית. ממשק ניהול חשמל מתוחכם נדרש כדי לקבוע את הפלט transducer. ממשק זה חייב לבצע מספר פונקציות קריטיות: תיקון AC-DC (עבור ⁇ electric, אלקטרומגנטי ומקורות RF), מתח צעד או צעד לאחור אל מעבר לאוטובוס מוסדר, ומניעה התאמה כדי להבטיח העברת כוח מקסימלית מן הקציר.

(PMICs) ייעודי ניהול חשמל ICs (PMICs) עבור איסוף אנרגיה משלב פונקציות אלה חבילות יחיד, נמוך כוח.מכשירים כגון Analog מכשירים ADP5091 או טקסס Instruments BQ25570 כוללים תכונות חיוניות כגון FLT:0cold-start-FLT 1 (הפעלת אפס אנרגיה), FLT2imum נקודת מעקב (MP) לעתים קרובות להורדת נפח של תאים נמוכים (FG) ו-FSTDITREC) עם מספר , אשר נועדו ל-FDRECDRECDRESTGRECDRESTS.

(הופנה מהדף ההרחבה של אנרגיה (Ironal Energy) היא הכרחית לייצור פסולת מצריכה.האפשרויות העיקריות לאחסון אנרגיה הן סוללות משניות, סוללות חד-סרטיות מוצקות, ו- Supercapacitors (חשמל כפול-layer) או EDLCs (בקיצור של מערכת אחסון עצמי) המכילה מחזורי אחסון עצמיים (FLT) ו-250 ק"ג) אך בטווח הארוך ביותר (R) של מחזורי-FDV)

שיטות עיצוב עבור אנרגיה-Neutral

השגת פעילות אוטונומית באמת, ללא תחזוקה דורשת מתודולוגיה עיצוב קפדנית המתמקדת בתפיסה של ההרחבה:0 Energy-neutral stateFLT:1, שבו האנרגיה המנוסחת או עולה על האנרגיה הממוצעת הנצרכים על ידי המערכת על מחזור תפעולי מוגדר, תהליך העיצוב מתחיל עם אופי יסודי של סביבת היעד.זה כרוך מדידת עוצמת אור ממוצעת, ספק מרכזי 24 קפיצה, טמפרטורה ספציפית של נתונים בטווח זמן קצר, ברזולוציה של תדרים, לפחות, ברזולוציה סולרית, ברזולוציה של זמן קצר של זמן הפעלה.

(ב) עם המקור מאופיין, השלב הבא הוא פרופיל צריכת החשמל של המכשיר.המערכות Mechatronic לעתים קרובות יש מצבים תפעוליים נפרדים: כוח נמוך כוח-עוצמה:0sleep ModeFLT בצורת 1 צריכת ננואמפים, תזמון:2active sensing המדינה 3FLT) צריכת מיקרו-אמפרים, ו-FLT:4Ralconalmentally FLT5;

כמה שיקולים מעשיים אחרים הם קריטיים.גורם הטופס של הקציר חייב לא לעכב את הפונקציה המכנית העיקרית של המכשיר. Components חייב להיות נבחר עבור אמינות לאורך החיים המיועדים של המכשיר, חשבונאות עבור השפלה כגון photovoltaic cell צהוב, עייפות אדזואלקטרית או קיבולת סוללה ספציפית ירידה.HLC, כולל הגנה יתר על פני השטח, הגנה עמוקה וטעינה עבור סוללות חיוניות עבור יצרני אנרגיה לטווח ארוך, כגון אופטימיזציה לטווח ארוך (C) או פונקציונליות אבטחה פונקציונליות אבטחה לטווח ארוך (Ric) או מערכת אבטחה חלקית.

יישומים מתקדמים בתעשיות

איסוף אנרגיה עובר ממעבדות מחקר ועד יישומים מעשיים, בעלי השפעה גבוהה על פני תעשיות מגוונות.

(FLT:0)Industrial Internet of Things (IIoT) ותעשייה 4.0:Felove:1 Wireless מצב-monitoringחיישנים על מנועים, משאבות, ומעבירים הם מועמדים ראשוניים. , קצירים Piezoelectric מכוון לתדרים חזקים של דלקות לחץ אפילו על ידי שימוש בדלקים חשמליים על ערימות ממצה טמפרטורה אלחוטית, המאפשרים חיזוי תחזוקה יעילה כי יש להפחית את צריכת דלקים ולהפחית את צריכת דלקים קיצוניים או ירידה במשקל של דלקים או מתחליפים של דלקים.

(FLT:0) ניטור בריאותי של ⁇ (SHM): irFLT:1 Bridges, טורבינות רוח, צינורות מצוידים עם accelerometers ומדני זנים מופעלים על ידי רטט הדו"ח באופן אלחוטי, תוך חיסול הצורך בבדיקות ידניות תקופתיות במקומות מסוכנים.לדוגמה, Millau Viaduct בצרפת משתמש חיישנים מופעלים כדי לפקח על רטט הרוח, בעוד בחו"ל להפעיל חיישנים על חיישנים על חיישנים על גבי תיבות של הילוך.

(FLT:0) מכשירים רפואיים הניתנים למניעה: FLT:1 סולרי מעקב וצופים חכמים להאריך זמן תפעולי באופן דרמטי.התאיים הרפואיים הירומאלקטריים מנצלים חום גוף למפקחי גלוקוז מתמשכים ו- ECG, שיפור תאימות המטופל וצמצום הפסולת הרפואית.בשתלי צ'לאר וקצבים, אבטיפוסי מחקר באמצעות ⁇ אלקטריקציות או תאים דלק הם בניסויים של סוללות קליניות.

(FLT:0) חקלאות חכמה ו ניטור סביבתי: FLT:1 רשתות חיישן מבודד בחוות גדולות להשתמש לוחות סולאריים קטנים או TEGs מונחה הקרקע לחות אדמה, חומרים מזינים ומיקרו-קלידיים חיישנים. נתונים אלה מאפשרים השקיה מדויקת והפריה, שימוש במשאבי משאבים ויבול.

(FLT:0) מרחב והגנה מרחוק: FLT:1 בלתי מאויש כלי רכב אוויריים (UAVs) ופלטפורמות רגישות מרחוק משלימים את מאגרי הסוללה שלהם עם עור סולארי גמיש, מרחיבים את משך המשימה במהלך סיור ארוך טווח ארוך טווח או ניטור סביבתי. בחלל, גנרטורים תרמואלקטריים באמצעות מקורות חום רדיואיזוטופ (Gs) הם סטנדרטיים עבור משימות עמוקות, אך קוד אנרגיה נמוך כמו גם עבור קוצר רוח - נקבובית - כמו גם עבור מערכות אוויריות - מטבולית - כגון חיתוך אנרגיה - מטבולית - משוחררים - אך מאנרגיה משולשת - משוחררת - משוחררת - מאנרגיה משולשת - כמו גם שימוש במקורות עבור מערכות אנרגיה - משוחררת - מאנרגיה משולשת - משוחררת - משוחררת - מאנרגיה משולשת - משוחררת - - - - - מאנרגיה משולשת - - - - - - - - - מאנרגיה משולשת עבור מערכות חום רדיואקטיבית - מאנרגיה משולשת - - - - - - - - - - מאנרגיה משולשת של מערכות חום רדיואקטיבית עבור מקורות חום רדיואקטיבית - מאנרגיה משולשת עבור מערכות חום רדיואקטיבית - מאנרגיה משולשת - מטבולית - מאנרגיה משולשת - מאנרגיה משולשת -

ניווט גבולות וכיוונים עתידיים

אנרגיה קציר עדיין מתמודדת עם מחסומים פיזיים וכלכליים בסיסיים.ההיקף הנמוך והארוך של מקורות הסביבה דורש המרה יעילה מאוד כוח ותקציב אנרגיה זהיר, אשר מוסיף מורכבות ועלות למערכת.ההיקף הייצור של קצירים מיוחדים (TENGs, TEGs בטמפרטורה גבוהה עדיין קטן, שמירה על עלויות יחידה גבוה בהשוואה לסוללות סטנדרטיות.

למרות האתגרים הללו, מסלול המחקר מבטיח מאוד. חומרים מתקדמים ⁇ FLT:1 נמצאים בחזית ההתקדמות הזו. nanostructured thermoelectrics עם ZT גבוה יותר (החליפה 2.0 בהפגנות מעבדה), השתלות רחב של פס רחב ללכוד אינפרא אדום אולטרה סגול, ושרירים ללא טמפרטורה גבוהה משפרים ביצועים אלקטרו-מיים של מערכת אחסון יחיד-סולקינטית (Si) כולל של תאים חד-עצמיים, כולל של תאים חד-סולקים (S-סולקים) ו-סולקים, כולל של תאים חד-עצמיים, ו-עצמיים, כולל, כולל, ו-עצמיים-מיים-עצמיים, כולל של תאים חד-עצמיים, כולל, ו-מיים, ו-מיים-מיים, ו-מיים-מיים-עצמיים, ו-עצמיים-עצמיים-מיים-מיים, ו-מיים, כולל, ו-עצמיים, כולל, ו-מיים-מיים-מיים-עצמיים-עצמיים-עצמיים-עצמיים-עצמיים-עצמיים-עצמיים-עצמיים-עצמיים-עצמיים, ו-עצמיים-עצמיים-מיטיביים-עצמיים

(FLT:0) אינטליגנציה מלאכותית (AI) ולמידה מכונה (MLIRFLT) 1 הם מתעוררים ככלי רב עוצמה לניהול אנרגיה.מערכת ניהול אנרגיה הסתגלותית יכולה ללמוד את ייצור האנרגיה ואת דפוסי הצריכה של סביבת הפריסה הספציפית שלה לאורך זמן.שימוש באלגוריתמים חיזוייים - כגון ארוך טווח קצר טווח זיכרון אנרגיה (LSTM) עבור תחזית אחסון אדג'רטיבית סולארית - המכשיר יכול לקבוע משימות בצורת גבוהה (כמו הפעלת נתונים מורכבים) ומחזור זמן קצר של זמן קצר של אחסון לטווח קצר של זמן קצר של זמן קצר של זמן קצר של אחסון אנרגיה (pV) ומחזור זמן קצר של זמן קצר של אחסון לטווח קצר של מערכת אחסון לטווח ארוך טווח, כאשר הוא רק עבור אחסון לטווח ארוך טווח ראייה (pV) עבור אחסון לטווח ארוך טווח ראייה, כאשר הוא מאפשר אחסון לטווח ארוך טווח ראייה (LS) עבור אחסון לטווח ארוך טווח ראייה לטווח ארוך טווח ראייה לטווח ארוך טווח ראייה לטווח ארוך (p) עבור אחסון אנרגיה מתחדשת) עבור אחסון לטווח ארוך טווח ראייה לטווח ארוך של מערכת אחסון לטווח ארוך טווח ראייה לטווח ארוך (LS) עבור אחסון לטווח ארוך של מערכת אחסון לטווח ארוך של מערכת אחסון לטווח ארוך (LS) עבור אחסון לטווח ארוך (LS) עבור חיזוי מערכת אחסון אנרגיה מתחדשת) עבור אחסון אנרגיה מתחדשת) עבור אחסון לטווח ארוך (LS

ההבשלה של סטנדרטים עבור העברת חשמל אלחוטית ופרוטוקולים תקשורתיים בעלי אנרגיה (כגון אלה בתוך איגוד תקני IEEE ו-FLT:0EnOcean AllianceveFLT:1) יזרז עוד יותר אימוץ. כמו טכנולוגיות אלה מתלכדות, החזון של מכשירים עמידים על-ידי עצמם - ללא הפסקה של עשרות שנים של פעילות בלתי-מפופרת, תחזוקה ללא טיפול בתקופות סבירות של מציאות מתקדמת, לא ניתן יהיה לראות את ההתמחות של מציאות מתקדמת יותר, ולא-לדוגמא, מעבר למומחה-המציאות-לדוגמא, ולא-טבעית-לדוגמא, מעבר להתמחות-לדוגמא, ולא-לדוגמא, אל-לדוגמא, אל-לדוגמא, אל-לדוגמא, אל-לדוגמא, אל-לדוגמא, אל-לדוגמא, אל-לדוגמא, אל-לדוגמא, אל-לדוגמא, אל-לדוגמא, אל-לדוגמא, אל-לדוגמא, אל-לדוגמא, אל-מחדשנית-לדוגמא, אל-לדוגמא, של מערכות טכנולוגיות חדשניות-ידי מערכת אנרגיה רחב-לדוגמא, אל-ידי מערכת-לדוגמא, של מערכות-ידי-ידי-מחדשנית-ידי-לדוגמא, אל-ידי-ידי-עצמי