電池の環境影響

電池式カウンターは、エンジニアリング設定の複雑で、生産ライン、物流、およびフィールド操作における重要な測定を提供します。しかし、第一次(使い捨て可能)電池の広範な信頼性は、重要な環境負荷を生み出しました。毎年、100億の単価電池は廃棄され、キャドミウム、水銀、鉛などの重金属を含む多くの。これらの毒物は、地下水にリーチすることができ、土壌を汚染し、そして資源が不足しているのは、燃料を削減するだけでなく、燃料を削減するだけでなく、燃料を削減するなど、さまざまな種類の燃料を削減する。

典型的な電池式カウンターのライフサイクル分析により、原材料抽出および廃棄フェーズにおいて最大の環境影響が起こることが明らかになりました。最も効率的なアルカリ電池でさえ、生産中に化石燃料に約50倍の体重を消費します。再生可能エネルギーまたは再生可能な電力供給に移行することで、エンジニアはこれらの外部性を劇的に低下させることができます。この課題は、グリーンテクノロジーを採用しながら、産業用途が要求する信頼性と稼働時間を維持しています。

環境に優しい電力ソリューションのための重要な要件

電池式のカウンターのための任意の代替電源は、いくつかの非交渉可能な基準を満たす必要があります:一貫性のある電圧出力、高エネルギー密度、長い運用寿命、および過酷な環境(温度の極端な、振動、湿度)で機能する能力。さらに、溶液は廃棄物を最小限に抑え、および終生リサイクルを容易にする必要があります。以下、当社は、これらの要求を環境責任でバランスよくバランスをとる技術を検討しています。

充電式バッテリー技術

リチウムイオンおよびリチウム鉄の隣酸塩

充電式リチウムイオン(Li-ion)電池は、ポータブルエレクトロニクスの規格となり、産業カウンターでますます採用されています。現代のリチウムイオン電池は、高エネルギー密度(250〜300 Wh / kg)を提供し、数百の充電サイクルに耐えることができ、一回の使用セルと比較して廃棄物を大幅に削減します。 []リチウム鉄酸塩(LFP)の変形は、エンジニアリングアプリケーションに特に魅力的で、それらは熱硬化性、寿命を延ばすために[FLT]を削減します。 [FLT]は、寿命を延ばすことはできません。 [FLT]

ソリッド ステート電池

地平線上には固体の電池で、固体陶磁器のまたはポリマー分離器が付いている液体の電解質を取り替えます。これらはより高いエネルギー密度(400+ Wh/kg)、より速い充満および改善された安全を約束します熱暴走の危険を。広い配置のためのまだ高価なが、商業早期プロダクトはニッチの産業センサーで現れます。反対のために、固体ステート セルは再充電なしで操作の週か月を、十分に再循環可能である間有効にできます。

ニッケル金属水素化物(NiMH)

コスト感度がパラマウントである用途では、ニッケルメタルの水化物は、可燃性充電式オプションのままです。NiMH細胞は広く入手可能であり、ニッケルカドミウム(NiCd)よりも毒性が少なく、良好なサイクル寿命(500〜1,000サイクル)を提供します。そのエネルギー密度(60〜120 Wh / kg)は、リチウムベースの細胞よりも低いが、低電力のカウンターでは、断続的に使用されて、それらは経済的に環境に優しい選択であることができます。

カウンターのエネルギー収穫

おそらく最も変化するアプローチは、周囲のエネルギーを流すことによって電池を完全に除去することです。エネルギー収穫技術は、周囲の環境からわずかな電力をキャプチャし、デバイスを直接操作したり、小さなストレージセルをトリコールチャージしたりすることです。バッテリー作動カウンターでは、いくつかの方法が特に適しています。

太陽光発電(ソーラー)収穫

屋内太陽電池()、ダイセンシタイズ太陽電池(DSSC))、または薄膜の非定形シリコンパネルは、人工光を電気に変換できます。 典型的なオフィスや倉庫の照明レベル(200〜500ルクス)でさえ、小さなパネルは10マイクロワットを生成することができます。 これは、多くの場合、E-inkディスプレイまたは超低電力マイクロコントローラを備えた低電力カウンターで十分です。 高度な[FLT:最大電力の強度][M]を最適化]:[M]:[M]を最適化]

圧電気の収穫

振動機械、コンベヤー ベルト、または近い車のエンジンに取付けられているカウンターは圧電気発電機から寄与できます。これらの装置は機械的に圧力をかけるとき電圧を作り出す水晶か陶磁器を使用します。単一の振動収穫機は1–10 mWの力を作り出すことができます–カウンターを増進するか、または無線信号を送信するために。研究者は()を自分自身動力を与えられたカウンターを電池なしで無期限に動く産業ポンプで示しました。

熱電収穫

温度勾配が(例えば、熱モーターハウジングと周囲の空気間)存在する場合、熱電発電機(TEG)は、Seebeck効果を電気を作り出すのに悪用します。 現代のTEGモジュールはコンパクトであり、10〜20 °Cの差から複数のミリワットまで届けることができます。 これは、HVACシステム、エンジン、またはソーラー熱熱取付けのカウンターに最適です。

運動とRF収穫

ポータブルまたはハンドヘルドカウンターでは、運動(歩行、工具処理)を電気に変換するキネティック収穫機が開発されています。無線周波数(RF)エネルギーはWi-Fiまたは細胞信号から収穫するエネルギーも発生しますが、非常に低い電力(マイクロワット範囲)に限定されます。これらの技術は、充電サイクル間の間隔を拡張する、充電式電池を補うことができます。

ハイブリッドシステムとスマートパワーマネジメント

単一の環境にやさしい電源は、すべての動作条件に最適です。最も堅牢な設計は、ハイブリッドアプローチを使用します。 第一次エネルギー収穫機(例えば、ソーラーパネル)は、小さなバッファストレージユニット(スーパーキャパシタまたはリチウム電池)とペアリングされます。 A ]]]スマートパワー管理集積回路(PMIC)は、利用可能な周囲エネルギーを継続的に監視し、収穫とバッテリーの電力間のスイッチを切り替え、ストレージ要素の深い排出を防止します。 そのようなシステムは、低域のバッテリーを削減する、低域の動作を削減することができます。

スーパーキャパシタは特別な言及に値します。それらは非常に高い周期の生命(500,000+周期)、速い充満/排出を提供し、電池が安定した州の負荷を処理する間広い温度較差(– 40 °Cへの85 °C)で作動します。小さい充電電池か燃料電池と結合されるとき、スーパーキャパシタは一時的な高現在の要求(例えば、モーターを備えられたカウンターか無線伝達)を扱います。この相乗効果は全体的なシステム効率および長寿を改善します。

サステナビリティのためのデザイン:素材と生活の終端

電源自体を超えて、カウンターのデザインは、リサイクルを促進し、埋め込まれたエネルギーを削減しなければなりません。エンジニアは、低電力電子を優先すべきである。ARM Cortex-M0 +マイクロコントローラなどのディープスリープモード、電力なしで画像を保持する電子シンクディスプレイ、および最小限のエネルギーを消費するBluetooth Low EnergyやLoRaWANなどのワイヤレスプロトコル。 モジュラー構造:XNUMX]は、バッテリーを交換したり、簡単に交換したり、バッテリーを交換したりすることができます。

ハウジングおよび回路板のための再生利用できるか、生物分解性の材料を使用して更に環境影響を減らします。 [] バイオ ベースのプラスチック (PLA、PHA)およびリサイクルされたアルミニウムは産業装置エンクロージャの牽引を得ています。 ラベルおよび印は終りの生命で分類を促進するために物質的な構成を示すべきです。 何人かの製造業者は今使用された電池のパックのためのテイクバック プログラムを提供し、適切な回復、地球およびまれな要素およびまれた要素を保障します。

事例: 実践における環境にやさしいカウンター

複数のエンジニアリング部門は、既に持続可能な電力ソリューションを採用しています。 物流では、の太陽光発電カウンター]]は、倉庫の天井に設置された周囲光と小さなスーパーキャパシタを使用して、ゼロバッテリー廃棄物で在庫を追跡しています。 自動車アセンブリラインでは、 []])、圧電トルクカウンターは、空気圧工具の振動からエネルギーを収穫し、電池の交換の必要性を排除します。 最近、LFPFは、欧州の工場で廃棄工場出荷時にLPFATを削減します。

環境モニタリングネットワークは、バッテリー作動カウンターの数千個を配し、空気の質や水の流れを測定します。 熱電収穫機]を統合することにより、デバイス電子機器と周囲の空気の温度差が変化する一方で、一部のステーションは、バッテリー交換なしで5年以上連続して作動しています。 これらの例は、環境に優しい電力が将来の概念ではないが、現在の一日の生存可能なオプションであることを実証しています。

未来の方向と研究のフロンティア

次の10年は、さらなる革新をもたらすでしょう。 ] 柔軟で印刷された電池は、複雑な形状に合わせ、最小限の体重で電力を供給する、カウンターエンクロージャに直接埋め込むことができます。 ] バイオ燃料電池[]は、有機化合物(例えば、グルコースまたは排水)から電気を生成し、カウンターがアクティブに電力を供給するニッチアプリケーションのために探索されています。 パワーは、必要な場所を移動させることができる。 中央電力を移動させるには、または、任意の場所を移動させることができる: [FLT]

産業用センサーのエネルギー収穫のより深い技術的レビューのために、 IEEE 紙「ワイヤレスセンサーネットワークのエネルギー収穫」]は、権威的な概要を提供します。 []]]U.S. 持続可能な電池製造に関するエネルギーの資源の部門は、材料とリサイクルのベストプラクティスに関するガイダンスを提供します。 実用的な実装に興味のあるエンジニアは、 国家楽器]をホワイトペーパー]を参照してください。 [FLT:]

コンテンツ

電池式のカウンターのための環境に優しい電力ソリューションを開発することは、環境の必要性と競争上の優位性です。 充電式化学、エネルギー収穫技術、インテリジェントな電力管理、および持続可能な設計原則を採用することにより、エンジニアリングチームは廃棄物を大幅に削減し、運用コストを削減し、世界的な脱炭素化目標と合わせることができます。 テクノロジーは成熟し、利点は明確であり、移行は既に進行中です。 残りの課題は、広範囲にわたる統合の1つであり、エンジニアリングチームは、多くの場合、方法につながると位置付けられます。