Екологічний вплив конвенційних батарей

Збудники акумулятора мають малогабаритні в технічних налаштуваннях, забезпечуючи критичні вимірювання в виробничих лініях, логістиці та польових операціях. Однак поширена залежність від первинних (одноразових) батарей створювала значну екологічну тягар. Щороку відхилені мільярди однокористувних батарей, багато що містять важкі метали, такі як кадмій, ртуті та свинець. Ці токсини можуть проходити в грунтову воду, забруднюючи ґрунт, а стійкий до екосистем протягом десятиліть. Сам процес виробництва є ресурсно-інтенсивним, що вимагає великої кількості літію, кобальту та нікель-матеріали, часто видобувих машинних машин.

Аналіз життєвого циклу типової лічильника акумулятора показує, що найбільший вплив навколишнього середовища відбувається під час видобутку сировини та проведення фази. Навіть найефективніша лужна клітина споживає приблизно в 50 разів свою вагу в викопних паливах під час виробництва. Зміщення до відновлюваних або перероблених джерел енергії інженери можуть різко знизити ці зовнішність. Завдання полягає в тому, що збереження надійності та часу, коли промислові додатки вимагають при прийнятті зелених технологій.

Основні вимоги до екологічно чистих енергетичних рішень

Будь-який альтернативний джерело живлення для лічильників акумуляторів повинен відповідати декількох незгодних критеріїв: послідовна напруга виходу, висока щільність енергії, тривалий термін експлуатації, і можливість функції в суворих умовах (температурні екстремальні, вібраційні, вологості). Крім того, розчин повинен мінімізувати відходи і полегшувати переробка кінцевого терміну експлуатації. Нижче ми розглянемо технології, які краще балансувати ці вимоги з екологічною відповідальністю.

акумуляторні технології акумулятора

Літієв-Іон і літієвий залізофосфат

Акумулятори літієво-іонні (Li-ion) стали стандартом для портативної електроніки та все частіше приймають в промислових лічильниках. Сучасні ліоіонні клітини пропонують високу щільність енергії (250–300 Вт / кг) і можуть витримати сотні циклів заряду, різко зменшуючи відходи порівняно з однокористувацькими клітинами. / Літієвий залізофосфат (LFP)]], варіанти є особливо привабливими для інженерних додатків, оскільки вони термостійкі, мають більш тривалий цикл життя (2,000+ циклів), і не містять кобальт, знежирюючи етичні та екологічні проблеми навколо гірничодобувного виробництва.

Твердотільні акумулятори

На горизонті є твердотільні акумулятори, які замінюють рідкий електроліт з твердим керамічним або полімерним сепаратором. Ці обіцянки навіть вище енергозберігаючість (400+ Вт / кг), більш швидка зарядка, а також підвищення безпеки — не ризик теплового ходу. Хоча все ще дорогий для широкого розгортання, ранньоторгові вироби з'являються в ніші промислових датчиків. Для лічильників твердотільні клітини можуть увімкнути тижні або місяці роботи без перезарядки, при цьому повністю перезаряджаються.

Nickel-Metal Hydride (NiMH)

Для додатків, де чутливість до вартості є параmount, нікель-металевий гідрат залишається життєздатним варіантом. НіМГ клітини широко доступні, містять менш токсичний матеріал, ніж нікель-кадмій (NiCd), і забезпечують хороший термін служби циклу (500–1,000 циклів). Їх щільність енергії (60–120 Вт/кг) нижче літієвих клітин, але для малопотужних лічильників, які використовуються міжмітентно, вони можуть бути економічним екологічно чистим вибором.

Енергетичне збирання для лічильників

Можливо, найбільш трансформативний підхід полягає в тому, щоб повністю виключити акумулятори, розсіяні ембієнтні енергії. Технології збирання енергії захоплення невеликої кількості електроенергії з навколишнього середовища для безпосередньо діючих пристроїв або застосувань невеликої накопичувальної комірки. Для лічильників акумулятора особливо підходять кілька способів:

Фотоелектрична (Сонячна) Збирання

Внутрішні сонячні клітини, такі як dye-sensitized сонячні клітини (DSSC) або тонко-фільтровані аморфні панелі кремнію, можуть конвертувати штучне світло в електрику. Навіть в типовому офісі або складі рівень освітлення (200–500 lux), невелика панель може генерувати десятки мікроватів. Це часто достатньо для низькопотужних лічильників з електронними дисплеями або ультра-низьковими мікроконтролерами. Розширені maximum powerpoint tracking (MPPT) контури оптимізації видобутку енергії незалежно від інтенсивності світла.

П'єзоелектрична збирання

Контракти, встановлені на вібрующій машині, конвеєрних стрічок або біля машинних двигунів, можуть скористатися з пекарні генератори. Ці пристрої використовують кристали або кераміка, які виробляють напругу при механічно напружених умовах. Одиночна вібраційна ваброварка може виробляти 1–10 мВт потужності—достатньо підсилювати лічильник або передавати бездротовий сигнал. Дослідники показали , самонасичені лічильники] на промислових насосах, які працюють в невизначений час без батарей.

Термоелектрична збирання

Де існують температурні градієнти (наприклад, між корпусом гарячого двигуна та атмосферним повітрям), термоелектричні генератори (ТЕГ) використовують ефект Seebeck для виробництва електроенергії. Сучасні модулі TEG компактні і можуть доставити до декількох міліватів від різниці 10-20 °C. Це робить їх ідеальними для лічильників в системах HVAC, двигунах або сонячних установок.

Кинтичне та RF Збирання

Для портативних або портативних лічильників, кінетичних зернових комбайнів, які перетворюють рух (посадка, обробка інструменту) в електроенергію. Радіочастотний (RF) збирання енергії від Wi-Fi або стільникових сигналів також з'являється, хоча обмежений дуже низькою потужністю (мікроват діапазон). Ці технології можуть доповнювати акумуляторні батареї, що розширюють інтервали між циклами зарядки.

Гібридні системи та інтелектуальне управління живленням

Без єдиного екологічно чистого джерела живлення ідеально підходить для кожного операційного стану. Найнадійнішим дизайном використовують гібридний підхід: первинний енергозберігаючий апарат (наприклад, сонячна панель) попарюється невеликим блоком зберігання буфера (суперконденсатор або літій-клітин). , інтегрований контур управління потужністю (PMIC)]], безперервно монітори доступні ембіентні енергії, вимикачі між збиранням та живленням акумулятора, і запобігає глибокому розряду елементів зберігання. Такі системи можуть досягатися в автономній роботі для низько-дит-циклових лічильників, різко зменшуючи відходи акумулятора.

Суперконденсатори заслуговують особливу згадку. Вони пропонують надзвичайно високий термін служби (500,000 + цикли), швидкий заряд / розряд, і працюють над широким діапазоном температур (-40 °C до 85 °C). При поєднанні з невеликою акумуляторною акумуляторною батарейкою або паливною коміркою, суперконденсатори ручать постійними високоточні вимоги (наприклад, моторизовані лічильники або бездротові передачі) при цьому акумулятор ручить стаціонарне навантаження. Ця синергія покращує загальну ефективність системи і довголіття.

Дизайн для зберігання: Матеріали та кінцеві досягнення

За межами джерела живлення, конструкція лічильника повинна сприяти рециркуляції та зменшити вбудовану енергію. Інженери повинні попередньо модернізувати низькі електроніки] - так, як мікроконтролери ARM Cortex-M0 + з режимами глибокого сну, електронні дисплеї, що зберігають зображення без потужності, а бездротові протоколи, такі як Bluetooth Low Energy або LoRaWAN, які споживають мінімальну енергію. Modular Construction] дозволяє акумуляторний пакет або збирач легко знімати і замінити без перевантаження всієї лічильника збірки.

Використання перероблених або біорозкладних матеріалів для житлових та друкованих плат, додатково зменшує вплив навколишнього середовища. Біофіль пластмас (PLA, PHA) і переробленого алюмінію, набирають тяговий вплив в промислових пристроях. Етикетки та маркування повинні вказувати матеріал композиції для полегшення сортування в кінцевому житті. Деякі виробники тепер пропонують програми повернення коштів для використовуваних акумуляторних пакетів, забезпечуючи належне відновлення літієвих, кобальтових і рідкісних елементів землі.

Кейс-практикум: Еко-одинні лічильники в практиці

Кілька інженерних секторів вже прийняли рішення про стійке живлення. У логістиці сонально-потужних лічильників посилок, встановлених на складних стелях, використовують амбік світла і невеликий суперконденсатор для відстеження інвентаризації з нульовими відходами акумулятора. У автомобільних лініях, piezoелектричні точкові лічильники] збирання енергії від вібрації пневматичних інструментів, усунення потреби в змінах акумулятора. Європейський виробник нещодавно повідомив 90% зниження витрат на зберігання акумуляторів, переключаючи на основі LFP зарядних лічильників по його виробничих потужностей.

Мережа екологічного моніторингу розгортається тисячі лічильників акумуляторів, які вимірюють якість повітря або потік води. За допомогою інтеграції thermoелектричних комбайнів], які зумовили різницю температури між електромережами пристрою та атмосферним повітрям, деякі станції працюють безперервно протягом п'яти років без заміни акумулятора. Ці приклади демонструють, що екологічно чиста потужність не є майбутнім поняттям, але теперішній варіант в'язується.

Майбутні напрямки та наукові Frontiers

Наступного десятиліття буде довести подальші інновації. Гнучка і друковані батареї можуть бути вбудовувані безпосередньо в лічильники корпусів, що відповідають складним формам і забезпечуючи потужність з мінімальною доданою вагою. Biofuel Cell, які генерують електроенергію з органічних сполук (наприклад, глюкози або стічних вод) досліджуються для нішевих додатків, де лічильники розгортаються в біологічно активних середовищах. Крім того, безкоштовне передавання електроенергії (індукційна, резонансна або лазерна батарея, навіть лазерна, що дозволяє лазерна, що приймача, навіть лазерна, що приймача, що дозволяє лазерна батарея, що приймача, що , що , навіть лазерна, що приймача, що , що використовується для роботи, що дозволяє працювати, що , що , що дозволяє працювати, що , що , що , що дозволяє, що використовується в автономна, що дозволяє, що дозволяє, що , що , що ,

Для більш глибокого технічного огляду енергозберігаючих для промислових датчиків, пап.ЄЕЄЕ НА "Енергозберігання для бездротових сенсорних мереж" забезпечує авторитетний огляд. U.S. Відділ ресурсу енергії на стійке виробництво акумулятора пропонує настановку на матеріали та рециркуляція кращих практик. Інженери, зацікавлені в практичному виконанні, можуть звернутися до Національні інструменти білого паперу на управління живленням для акумуляторних інструментів.

Висновок

Розробка екологічно чистих енергетичних рішень для лічильників акумуляторів є як екологічністю, так і конкурентною перевагою. При прийнятті акумуляторних хіміків, технологій збору енергії, інтелектуального управління потужністю та сталих принципів проектування, інженерні команди можуть значно зменшити витрати, знизити експлуатаційні витрати, а також вирівняти з глобальними показниками декарбонізації. Технології зрілі, переваги чіткі, а перехід вже підлягає. Решта виклику є одним з поширених інтеграцій, а інженерна громада добре позиціонується, щоб привести шлях.