אתגר הכוח בחקלאות מוקדמת

חקלאות מודרנית מסתמכת על רשת צפופה של חיישנים שעוקבים אחר לחות אדמה, טמפרטורה, לחות, עלות רטובות ואפילו רמות תזונתיות.חיישנים אלה יוצרים עמוד השדרה של חקלאות מדויקת, המאפשרים החלטות מונעות נתונים על השקיה, הפריה, ובקרת המזיקים, אך אחד המכשולים המתמידים מגבילים את פריסת כוחם של אנרגיה יעילה, בשטחי מרוחק, מטעני, ופסים, לעתים קרובות, חשמל אינו זמין או בלתי צפוי להאריך את המקררים באופן קבוע, כמו סוללות אנרגיה, או חסימת, אך ורקמות אנרגיה מתוחכמות באופן קבוע.

כיצד גנרטורים הירומאלקטריים פועלים

אפקט ה-Seebeck ו-TEG Architecture

גנרטורים הירומאלקטריים הם מכשירים מוצקים שמשתפים את אפקט ה-Seebeck, שהתגלה בשנת 1821 על ידי תומאס יוהאן Seebeck. כאשר שני מתכות דיסימיות או מוליכים למחצה מצטרפים בשני צמתים, הבדל טמפרטורה בין הצומת מייצר מתח.במודול TEG טיפוסי, זוגות רבים של p-type ו- n-ntype Semiconductor pellets מחוברים חשמלית בסדרה תרמית ו-Ricer in aricericer in a Circlee-a-fine) הוא זרם חשמלי (מחץ חום חיצוני).

מכיוון של-TEGs אין חלקים נעים - לא פימונים, טורבינות או דחוסים - הם אמינים לחלוטין ודורשים לא אימונים או תחזוקה מכנית.זה הופך אותם אידיאליים עבור פעולה בלתי מושכת במסגרות חקלאיות מרוחקות, שבו ביקורים בשירות הם יקרים ובלתי צפויים.מודולים סטנדרטיים TEG זמינים בטווח של גדלים ותפוקה, ממילימטרים עבור חיישנים קטנים לחיישנים עבור ציוד דורש יותר.

טמפרטורה של הסביבה החקלאית

המפתח לתפוקה של כוח TEG הוא הבדל הטמפרטורה ( ⁇ T) בין שני הצדדים שלה. בתחומי החקלאות, קיימים מספר רב של ⁇ טבעיים:

  • (ב) ⁇ :0) ⁇ סולל: 1 {\displaystyle \ Soil}} הוא לעתים קרובות שונה מטמפרטורת אוויר מסובבת, במיוחד בלילה.הקרקע שומרת חום מהיום ויכולה להיות כמה מעלות חם יותר מהאוויר, יצירת ⁇ T.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ :0 (ב) ⁇ : ⁇ : ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ :0 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

בעוד ⁇ אלה הם לעתים קרובות צנוע (בדרך כלל 5-20 מעלות צלזיוס), התקדמות בחומרים תרמואלקטריים - כגון ⁇ אספרוריד דו-תתת - אפשרו TEGs לייצר כוח ניתן להשגה אפילו מהבדלים בטמפרטורה קטנה.לדוגמה, ⁇ T של 10 מעלות C יכול לייצר כמה מילימטרים לסנטימטר רבוע, מספיק כדי לספק חיישנים בעלי עוצמה נמוכה שיכולה להעביר נתונים כל כמה דקות.

היתרונות של גנרטורים אנדרומואלקטריים עבור חיישן מרוחק

חידושים ותמיד על אנרגיה

בניגוד ללוחות סולאריים, הדורשים אור שמש ישיר, TEGs יכול לפעול ברציפות כל עוד קיים סגסוגת טמפרטורה.היום-ולילה יכולת היא יתרון משמעותי בחקלאות, שבו קידוד נתונים נדרש סביב השעון. Soil-air ⁇ s נמשך גם בימים מעוננים או מתחת לתותחי היער, מתן מקור אנרגיה יציב, אם קטן, יישומים רבים, TEG יכול לטעון מטען קטן או זמני סוללה קצרים יותר, או זמני סוללה, במהלך תקופות זמן קצר יותר חם יותר, או ריצוף, במהלך תקופות זמן קצר יותר חם יותר, או קצר יותר, או קצר יותר, או סוללת חום, תוך כדי להבטיח זמני סוללה.

תחזוקה נמוכה ותוחלת חיים ארוכה

ללא חלקים נעים, TEGs עמידים מאוד ללבוש.מערכת TEG מעוצבת כראוי יכול לפעול במשך עשרות שנים ללא תחזוקה, מוגבל רק על ידי ההידרדרות הדרגתית של חומרים מוליכים למחצה בטמפרטורות גבוהות. תוחלת החיים הזו הרבה יותר עולה על זה של סוללות חד פעמיות (שצריך להחליף כל כמה חודשים) ואפילו סוללות רבות נוספות (אשר לאבד יכולת מעל 2-5 שנים).

עמידות סביבתית

סביבות חקלאיות הן קשות: אבק, לחות, חומרי הדברה, קרינת UV, ותנודות טמפרטורה קיצוניות. TEGs, כאשר מלוטשים בדיור עמיד (למשל, epoxy או מקטינגס מתכת), יכולים לעמוד בתנאים אלה.הם עמידים ברטט, יכולים לפעול לחות גבוהה, ולא לסבול מקורטוזיון במהירות כמו מגעים חשמליים רבים.

עלויות-אווירה על פני סולם

למרות שעלות העלייה של מודול TEG יכולה להיות גבוהה יותר מאשר פאנל סולארי קטן, העלות הכוללת של בעלות עלות במשך מספר שנים היא לעתים קרובות נמוכה יותר.חיסול החלפת סוללות, צמצום העבודה לתחזוקה, ולהימנע מתשתית מתפתלת כל לתרום לעלויות ארוכות טווח נמוכות יותר.עבור פריסות גדולות - כגון רשת של אלף חיישנים קרקע בחווה של 500 דונם - החיסכון הופך משמעותי, בנוסף TE יכול להיות משולב עם מקורות אנרגיה נוספים (ה)

יישום מעשי: TEG-Powered Sensor Networks

עקבו אחרי Soil Moisture

אחת האפליקציות הנפוצות ביותר היא כוח בחיישנים לחות הקרקעיים.חיישנים אלה מותקנים לעתים קרובות בעומק של 10-30 ס"מ, שבו הטמפרטורה משתנה פחות מאשר על פני השטח. על ידי הצבת הצד החם של TEG ליד החיישן (בקרקע) ואת הצד הקר המתבהג מעל הקרקע או מחובר לחום, ⁇ T של 5 ° C בדרך כלל זמין אנרגיה זו, כמו גם עם חיישן אוויר WAN, או אפילו על פני שטח אלקטרוניקה ארוך, או WAN, עם שינויים WAN, עם שינויים WAN.

מיקרו-קליד ו-Crop Health Sensors

משטח חיישן אלחוטי לפקח על טמפרטורת האוויר, לחות יחסית, על רטובות, ולחץ אטמוספירי יכול להיות מופעל על ידי TEGs ניצול ההבדל הטמפרטורה בין עלים מוארים או בין צמחי canopy לבין הקרקע. לדוגמה, חיישן המצורף trellis בכרמים עשוי להשתמש הבדל הטמפרטורה בין צמר חום וקרקע קרירה מתחת נתונים אלה עוזר לזהות תנאים קפואים, כמו תזמון מתון, כמו תזמון, כמו תזמון, כמו תזמון.

Livestock Tracking and Off-Grid Wearables

במבצעים מצופים, בקר או כבשים עשויים להיות מצוידים צווארוןי GPS או תגי אוזניים ניטור בריאות. Powering אלה עם סוללות הוא בעייתי בגלל משקל ועלויות חלופיות. A TEG המשולב צווארון יכול לקצור חום מהגוף של החיה ( ⁇ 37°C) ולדחות אותו באוויר המבלבל, ויצרו זרם קטן אך יציב.

איכות המים והמשך זרימת המים

חיישנים המשמשים תעלות השקיה, בריכות, או זרמים יכולים גם ליהנות מ TEGs. מים בטמפרטורה קבועה (למשל, 10-15 מעלות צלזיוס ב התעלה מפוספס) יכול לשמש גם את הצד הקר, בעוד צלחת מתכת שחורה מקודמת בשמש פועל כמו הצד החם.

אתגרים ומגבלות

כוח נמוך בחוץ

המגבלה המשמעותית ביותר של TEGs היא צפיפות הכוח הנמוכה יחסית שלהם.מודול טיפוסי מדידת 4 ס"מ × 4 ס"מ מייצרת רק 10-100 mW עם ⁇ T של 20 מעלות צלזיוס, זה מספיק עבור חיישני IoT לסירוגין, אבל לא עבור מכשירים בעוצמה גבוהה כמו מצלמות או זרמה אלחוטית מתמשכת. מעצבים חייבים להתאים בזהירות את התקציב האנרגיה של חיישן ותדירות לתפוקת ה-GTE.

המונחים: Efficiency Constraints

יעילות ה-rmoelectric נשלטת על ידי הדמות הממדת של המודולים המסחריים של ZT יש ערכי ZT סביב 1-1.2, מה שממיר רק 5–8% מהזרם החום לחשמל, בעוד שזה מספיק לרגישות כוח נמוך, זה אומר שרוב החום עובר דרך לא בשימוש.שיפור ZT באמצעות חומרים מתקדמים (למשל, skutterites, חצי-Heusulsulsuls, סגסוגת או שטח ננו-Z) הוא עדיין מאתגר את זה עובד עלות- ZT) אך הוא עדיין מאתגר את זה עובד.

טמפרטורה לא עקבית Gradients

טמפרטורת החקלאות משתנה עם מזג אוויר, עונות, וזמן של יום.בימים מצופים ה ⁇ T עשוי לרדת לכמעט אפס, מה שגורם החיישן ללכת רדום אלא אם סוללה גיבוי או supercapacitor מספק עיצוב מערכת חייב לכלול אחסון אנרגיה בגודל של תנאי הגרוע ביותר, אשר מוסיף עלות ונפח.

אינטגרציה וחום Sinking

עבור TEG כדי לתפקד, הצד הקר חייב להיות מגניב.חום יעיל כיור הוא קריטי - לעתים קרובות דורש תנור מלוטש כי יכול להיות גדול. ב יישומים קבור הקרקע, הצד הקר עשוי להיות צריך protrude מעל הקרקע או להיות מחובר למיסה תרמית גדולה.זה מגביר את טביעת הרגל של החיישן ועשוי להפריע לפעילות חקלאית (למשל, עד קצירה או לקציר).

פיתוחים עתידיים ודרכים מחקר

חומרים נורמטיביים מתקדמים

חוקרים בוחנים חומרים עם ערכי ZT גבוהים יותר, כגון tin סלנדיד (SnSe) גבישים בודדים, אשר הוכיחו ZT > 2.5 בתנאים אופטימליים.דרכים מבטיחות אחרות כוללות thermoelectrics אורגניים ו inks thermoelectric שניתן להדפיס שיכולים לאפשר עלויות נמוכות, TEG גמישים התואמים משטחים מעוקלים כמו צמח או רחפנים.

מערכות אנרגיה היברידיות

מערכות החיישן המרוחקות החזקות ביותר משלבות טכנולוגיות קציר מרובות.לדוגמה, TEG יכול לטעון סוללה במהלך הלילה (באמצעות ⁇ קרקע-אוויר) בעוד פאנל סולארי קטן מאשים אותו במהלך היום. קציר אדזואלקטרי המחובר לקו גדר יכול ללכוד תנודות המושרה רוח.

ניהול חשמל חכם וכוח נמוך

בעוד ICs להיות יותר יעיל אנרגיה, כוח הסף הנדרש לחישה ותקשורת ממשיך לרדת. Ultra-low-power microcontrollers (למשל, Arm Cortex-M0+ ליבות לצרוך 1 μA במצב שינה) ורדיו משדרים 0 dBm עם זרמי סטנדבי עכשיו לאפשר חיישנים לפעול על מנת של עשרות מיקרו-וואט זה מתאים יותר ויותר לתאים של פונקציות עתידיות.

מחקרים סביבתיים וכלכליים

כמה אוניברסיטאות וסטארט-אפים של Ag-tech מנהלים ניסויים בתחום כדי לכמת את העלות הכוללת של בעלות על חיישנים המופעלים על ידי TEG בהשוואה לחלופה בלבד או סולרית. תוצאות ראשוניות מניסויים בעמק המרכזי של קליפורניה והסראדו הברזילאי מראה כי מערכות מבוססות TEG יכולות לשלם עבור עצמם בתוך 2–3 שנים בהחלפת סוללות מופחתות ועלויות של פחמן הופך חשוב יותר למאות דונם כדי למנוע סוללות אלטריום.

הנחיות עיצוב עבור TEG-Powered Sensors

עבור מהנדסים ומנהלי החווה שוקלים TEGs, השלבים הבאים מומלץ:

1 תכונות הטמפרטורה Gradient

השתמש בגליוני נתונים כדי למדוד את המינימום, הממוצע, ואת המקסימום ⁇ T זמין במיקום החיישן המיועד מעל שנה מלאה.זה מודיע לתקציב הכוח.אל תסמכו על ערכים ממוצעים בלבד - ⁇ מזוודה לקבוע את אחסון האנרגיה הנדרשת.

בחרו את המודול הנכון

בחר מודול אשר ממדים להתאים את נוזל חום זמין ואת מגבלות מכניות. מודולים מסחריים מן היצרנים כמו Marlow (II-VI), Krytherm, או Tegpro מציעים מגוון של גדלים וטמפרטורות דירוגים. עבור שימוש חקלאי, מודול עם טמפרטורה הפעלה מקסימלית של 150-200 מעלות צלזיוס והחזקה חום משולב הוא נקודת התחלה טובה.

3.הגדלה של אחסון אנרגיה Appropriately

סוללה של supercapacitor או לי-ion קטן חייב להיות בגודל כדי לכפות את החיישן במהלך תקופות כאשר ⁇ T הוא רשלני (למשל, במהלך הלילה אם ה ⁇ הוא יום בלבד, או על ימים מצופים) כלל טיפוסי הוא לאחסן מספיק אנרגיה עבור 24 עד 48 שעות של פעולה בהתבסס על הצריכה הממוצעת של החיישן.

4 הגנה על המערכת

TEG ואלקטרוניקה במתחם עמיד למזג אוויר (IP67 ומעלה) השתמש בציפויים תואמים על לוחות מעגלים.וודא כי החום (צד קר) אינו מבודד על ידי פסולת או בוץ. עבור חיישנים מוכוונים הקרקע, כלוב מתכתי מחוסן או mesh יכול להגן על TE ממוטנטים ונזק מכני.

5. Monitor

כולל מתח ו ניטור נוכחי בקושחה של החיישן כדי לעקוב אחר פלט קציר ומצב סוללה.אזהרות עבור כוח נמוך או ביצועים TEG מוזנח יכול להוביל בדיקה תחזוקה.

מסקנה

הגנרטורים של ה-rmoelectric אינם פתרון בגודל אחד, אלא לרוב המכריע של תרחישים חקלאיים מרוחקים, שהם מציעים גידול אמין, נמוך יותר ויותר, מקור כוח יעיל יותר, על ידי הפחתה לתוך טמפרטורות אורכימיות כי קיים באופן טבעי בסביבה - בין אדמה ואוויר, אור וצל, או חיה וספקית - GET - מאפשר לזרם חשמלי חזק יותר, כמו גם חומרים סביבתיים יציבים, ללא כוח.

לקריאה נוספת, ראה (FLT:0) מחלקת האנרגיה של סקירה כללית של הדור התרמואלקטרי של דור תרמואלקטרי 1, סקירה של אנרגיה קצירת מזון עבור IoT חקלאיים בחיישנים FLT 3: ו-FLT:4case מחקר על TEG-Powerקרקע חיישן:5 .