Giriş Giriş Giriş
Enerji üretimi teknolojileri düşük güç dağıtılmış nesil cihazlarının yeniden şekillendirilmesidir. Çevreden çevre enerjisini yakalamaya çalışarak, bu sistemler, geleneksel bataryalara ve kablolu güç malzemelerine sürdürülebilir, genellikle bakımsız bir alternatif sunar. Uzak konumlarda endüstriyel sensörlerden, enerji hasat cihazları yıllarca otonom bir şekilde çalışabilmelerini sağlar.
Enerji Teknolojileri Nedir?
Enerji üretimi, enerji kıvrımları olarak da bilinir, çevreden küçük miktarda çevresel enerjiyi yakalama ve bizi mümkün olan elektriksel güce dönüştürme sürecine atıfta bulunur. birincil kaynaklar güneş radyasyonu, termal gradients, mekanik vibrasyonlar ve elektromanyetik radyofretler, bu kaynaklar yaygın olarak kullanılabilir - kapalı veya kapalı ortamlarda bile - onları kablosuz sensörler, mikro kontroller gibi düşük güç elektronik cihazlar için uygulanabilir hale getirir ve giyilebilir aletler.
Teknoloji, özel transdüserlere dayanıyor: Güneş için fotovoltaik hücreler, termoelektrik jeneratörleri (TEGs) ısı, bzoelektrik veya elektromanyetik cihazlar için vibrasyon için ve ince film bataryaları için.
Enerji Üretimi Teknolojileri Türleri
Güneş Enerjisi
Güneş ışığı elektrik içine dönüştürmek için fotovoltaik (PV) hücreleri kullanır. Geleneksel silikon bazlı PV hücreleri doğrudan güneş ışığı altında verimliyken, yeni ince film ve organik fotovoltaik teknolojiler, iç ışık hasatını mümkün kılar. Düşük güç cihazlar için, hatta birkaç karelik PV malzemenin santimetresi bile tipik ofis aydınlatma altında onlarca mikrowatta mal olabilir.
Termal Enerji Enerjinin Enerjisi
Termal enerji, Seebeck etkisini, bir termoelektrik jeneratörü (TEG) arasındaki sıcaklık farkının bir gerilim yaratır.Mevcut TEG'lerin bile düşük verimini sağlar - 5-10°C - sensör düğümleri için yararlı bir güç üretir. Uygulamalar, endüstriyel ekipmandan boşanır, vücut ısısı için ısınırıklama için ısınır ve binalarda sıcaklık izleme sağlar.
Titreşim Enerjinin Enerjisi
Titreşimli hasat, üç birincil mekanizma kullanarak elektrik enerjisine mekanik hareket eder: bir manyetik alanda hareket eden bir anahtarlama, ve elektrostatik. Piezoelektrik hasatçılar, genellikle PZT veya PVDF'den yapılmış, şarj edildiğinde şarj edilir. Her yaklaşım, elektriksel makinelerde ve ulaşım altyapısında yaygındır. Elektromanyetik hasatçılar genellikle bir manyetik alanda bir akış bandı kullanır ve düşük frekanslılar için etkili olur. Elektrostatik hasatörler hareketle şarj sağlar.
Radyofrenleri Enerjinin
Radyofretleri (RF) enerji, Wi-Fi yönlendiricileri, hücresel kuleler ve yayın TV gibi kaynaklardan gelen çevresel elektromanyetik radyasyonu yakalamaya çalışır. toplanan RF güç, tespit edilen devreleri kullanarak DC'ye yeniden tanımlanabilir. Düşük güç seviyelerinde (örneğin nanowattlar için mikrowattlar) gelişmiştir, RF hasat, yoğun IoT dağıtımlarında 10 metreden 10 metreye kadar küçük sensörler için caziptir.
Diğer Gelişen Atık Yöntemleri
Dört klasik türün ötesinde, araştırmacılar rüzgar enerjisinin mikro-turbin veya flutter bazlı jeneratörler kullanarak hasatını keşfediyorlar ve hatta biyokimyasal enerjiler, şeker veya mikro yakıt hücrelerinden daha fazla üretim yapan niş, karma sistemler (örneğin, güneş + vibrasyon) genel bir kaynak sürekli olarak enerji tasarrufu sağlar.
Düşük Güç Dağılında Enerji Üretimi Uygulamaları
Düşük güç dağıtılmış nesil cihazları genellikle birkaç mikrowattdan birkaç miliwatta kadar değişen güç bütçelerine sahiptir. Enerji hasat, bu tür cihazlar için doğal bir uyumdur, kendi güçlü çalışma alanları içerir:
Kablosuz Sensör Ağları (WSNs)
Çevre izleme için kablosuz sensörler ( sıcaklık, nem, hava kalitesi), köprülerin ve binaların yapısal sağlığı izlemesi ve tarımsal toprak sensörleri enerji hasatlarından büyük ölçüde faydalanmaktadır. Güneş destekli sensör düğümleri, batarya değişiklikleri olmadan yıllarca çalışabilir. Titreşim hasatörleri endüstriyel pompalar ve motorlar için enerji tasarrufu sağlar.
Giysilenebilir Sağlık Cihazları
Giysi parçaları, tıbbi yamalar ve akıllı gözlemler, düşük aktivite dönemlerinde enerji hasatını giderek daha fazla dahil ediyor veya tamamen şarj edilebilir termoelektrik jeneratörleri vücut ısısını hasat edebilir, lazoelektrik insoles yakalama ayaklarını yakalarken, güneş hücreleri gün kullanımlarında gömülüyor. Düşük aktivite veya karanlık / yüksek koşullarda yeterli güç elde ediyor.
Akıllı Altyapı ve Bina Otomasyonu
Akıllı binalar aydınlatma kontrolü, HVAC optimizasyonu ve occupancy algılaması için yüzlerce kablosuz sensörler kullanıyor. Enerji, pilleri değiştirme maliyeti ve işçilikten yoksunyor. Örneğin, [[Döneticileri[Dönder)[Dönder)[Döneticileri dönüştürerek bir düğmeye basını bir radyo sinyaline dönüştürerek, telli ışık anahtar anahtarlarını yerine getiriyor.
Uzak Veri Koleksiyonu İstasyonları
Uzak ortamlarda - en üstler, okyanuslar, çöller - değişen bataryalar pratik hale gelir. Enerji hasat sistemi, nehir seviyesi monitörleri ve vahşi takip kutuları ortak örneklerdir. Bazı derin-ocean sensörler, deniz su tabakaları arasında güç üretmek için termal gradientler kullanır. Uzayda küçük uydular (CubeSats) güneş panelleri ve termoelektrik jeneratörleri yıllardır faaliyet göstermek için güneş panelleri ve termoelektrik jeneratörleri.
Endüstriyel IoT ve Tahminsel Bakım
Fabrikalar binlerce sensör, konveyörler ve boru hatları dağıtıyor. Titreşim enerji toplayıcıları doğrudan ekipmana monte edilen sensörler, ısı, vibrasyon ve rotasyon hızına sahip.Bu, taksi veya batarya yedek pahasına tahmin edilebilir bakım sağlar. - yüksek ısı, petrol, toz - yüksek ısı, toz - borular gibi sağlam hasatçılar.
Anahtar avantajları ve Faydaları
Enerji üretimi düşük güç dağıtılmış nesil cihazlar için birkaç çekici avantaj sağlar:
- [FONT:0)Sustainability:[Dönetici enerji kullanarak cihazlar tek kullanımlık bataryalara ve daha düşük çevresel atıklara bağımlılığı azaltır. Bu, küresel olarak elektronik ve karbon nötrite için iter.
- [Düzücüler:0) Düşük Bakım:[Dönetici:0)[Dönetici)[Dönetici)))[değiştir | kaynağı değiştirilemez yüklemeler için kritik bir süre boyunca çalışabilirler.
- [FONT:0]Scalability:[Döneticiler, yüksek oranda üretim yapmak için nispeten ucuz ve küçük form faktörlerine entegre edilebilir. Milyonlarca sensör düğümü minimum altyapı ile dağıtılabilir.
- [FONT:0]Cost-Effectiveness: İlk donanım maliyetleri batarya destekli çözümlerden daha yüksek olsa da, batarya yedeklerinin ortadan kaldırılması ve iş maliyetleri birkaç yıl boyunca toplam mülk maliyetine yol açıyor.
- [FONT:0)Autonomy:[Dönetici:[Dönetici: 0) Enerji hasatçılar gerçek cihaz özerkliğini sağlar, güç başarısızlığının tehlikelere neden olabileceği güvenlik-kırık sistemlerde uygulamalar açar (örneğin, yangın alarmları, yapısal monitörler).
Meydanlar ve Sınırlar
Açık faydalara rağmen, enerji hasat öncesi birkaç zorluk düşük güç nesli için varsayılan seçim haline gelir:
Düşük Enerji Konsülü ve Geçici
Orta enerji kaynakları genellikle gece boyunca yaygın ve değişkendir; titreşim makine kapanması sırasında durdurulabilir; RF sinyalleri ağ kullanımı ile dalgalanır. hasat edilen güç yoğunluğu genellikle 10-100 μW/cm2 kapalı güneş ve 1-10 μW /cm2 arasında titreşim ve RF için. Bu, tipik bir AA bataryasından daha düşük olan dereceler için (yaklaşık 2 Wh).
Güç Yönetimi Kompleksi
Değişken, düşük gerilim, düşük akım girişleri stabil DC için dönüştürmek, sofistike bir güç yönetimi bütünleşik devreleri gerektirir (PMICs). Bunlar maksimum güç izleme, gerilim güçlendirme ve düzenleme içerir. Tasarıming PMICs that use negable quiescent current (e.g., < 10 nA) bir meydan okumadır.
Bütünleşme ve Form Faktörü
Transducers'in çoğu zaman belirli fiziksel parametreleri gerektirir - örneğin, TEG için mekanik resonance for vibrasyon için mekanik olarak kontrol edilebilir.Buları, sensör performansı olmadan düşük maliyetli cihazlara entegre etmek, örneğin, bir titreşim hasat makinesinin baskın frekansına ayarlanmalıdır.
Güvenilirlik ve Yaşam Zamanları
Sualtınlar batarya bisikletini ortadan kaldırırken, yeni başarısızlık modlarını tanıtırlar: Güneş hücreleri üzerinde toz birikimi, pastazoelektrik elementlerinde yorgunluk, yüksek sıcaklıklarda termoelektrik materyalinin bozulması ve uzun yıllar boyunca verim sağlamak için devam etmektedir.
Standartlar ve Interoperability
IoT ekosistemi, enerji hasat arayüzleri için evrensel standartlardan yoksundur, farklı üreticilerden cihazlarla işbirliği yapmak zorlaşır. IEEE 21451 akıllı transducers için standart bu adresi ele almayı amaçlar, ancak kabul edilebilirlik sınırlı kalır.
Future Yol ve Araştırma Trendleri
Enerji hasat alanı, IoT, kenar bilişimi ve sürdürülebilir elektroniklerin genişlemesi ile hızla ilerliyor. Anahtar araştırma trendleri şunları içerir:
Hibrit Atık Sistemleri
Birden çok türe sahip modalleri (örneğin, güneş + termal veya vibrasyon + RF) tek bir cihazda güç kullanılabilirliğini farklı çevresel koşullarla artırabilir. Araştırmacılar, kaynak veya enerji çıktılarını oluşturan entegre sistemlere sahiptir. Örneğin, bir bileğin ısıtılabilir bir aşınması, TEG ve kinetik enerji ile bir pastanetik enerji ile dondurabilir.
Nanomalzemeler aracılığıyla geliştirilmiş olan Improv Verimliliği
Nanoyapılı malzemeler - güneş hücreleri için kuantum noktaları gibi, nanotel diziler termoelektrikler için ve karbon nanotüpler için zoelektrik kompozitler için - dramatik verimlilik kazanımlarını ortaya çıkarır. Perovskite güneş hücreleri ticari viability yakınındayken, termoelektrik malzemeleri ZT 2).
Enerji Depolama ile entegrasyon
Yüksek enerji yoğunluğu ve uzun döngü yaşamı olan Superkapors, hasat ve depolama şarjını ele alan tümleşik güç yönetimi çipleri daha verimli hale geliyor.
Kablosuz Güç Transferi Bir Uygulama Olarak
Bazı uygulamalarda, çevre enerjisi yetersizdir, ancak kablosuz güç aktarımı (örneğin, rezonansa veya yönlendirilen RF) kontrollü bir enerji kaynağı sağlayabilir. Enerji hasat ve kablosuz güç arasındaki çizgi, çevresel scavening veya periyodik planlanan güç kirişinden çalışmak için tasarlanmıştır.
AI ve Tahmin Edici
Makine öğrenme algoritmaları, gelecekteki enerji kullanılabilirliğini tarihsel desenlere göre tahmin edebilir (örneğin, günlük güneş döngüleri, ekipman titreşim programları). Bu, cihazların görev döngüleri ve iletişim stratejilerine zaman içinde en üst düzey donanıma sahip olması için optimize edilmesine olanak sağlar. Mikrokontrolcü seviyesindeki donanıma dayalı küçükML modelleri dinamik olarak optimize edilir.
Çevre ve Biyodegradable Harvesters
Elektronik atık küresel bir endişe haline gelirken, araştırmacılar hücrelilerden yapılan biyodegrad edilebilir hasatçılar geliştiriyorlar, ipek ve diğer doğal malzemeler. Bu cihazlar fonksiyonel yaşamlarından sonra, büyük IoT dağıtımlarında koleksiyon ve geri dönüşüm ihtiyacını ortadan kaldırırlar. Erken prototipler:0biodegradli pastaz jeneratörler).
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Enerji teknolojileri, akademik yaşamlardan geniş bir düşük güç dağıtımlı nesil cihazlar için pratik güç kaynaklarına olgunlaşmıştır. Güneş, termal, vibrasyon ve RF hasatçıların her biri belirli ortamlara uygun güçlü bir şekilde sahip olur ve hibrit sistemler değişken koşullarda güvenilir performans sunabilir - enerji yoğunluğu, içişmanlık, entegrasyon, maliyet-enerji teknolojileri, malzemedeki ilerlemeler, enerji elektronikleri ve sistem tasarımı sürekli olarak onları aşacaktır. Önümüzdeki on yıl boyunca enerji hasatını görecek, standart bir bina bloğu haline gelecektir.