Събиране на енергия: Захранване на бъдещето чрез събиране на енергия от околната среда

В свят, все по-фокусиран върху устойчивостта и ефективността, събирането на енергия се очертава като ключова технология. Известно още като събиране на енергия от околната среда или оползотворяване на отпадна енергия, това е процесът на улавяне на малки количества енергия от околната среда и преобразуването ѝ в използваема електрическа енергия. Тази статия ще разгледа принципите, технологиите, приложенията и бъдещия потенциал на тази вълнуваща област.

Какво е събиране на енергия?

Събирането на енергия улавя отпадна енергия от заобикалящата среда. Тя може да бъде под формата на светлина, топлина, вибрации или радиовълни. За разлика от традиционните източници на енергия, които разчитат на ограничени ресурси, събирането на енергия използва леснодостъпна енергия от околната среда. Събраната енергия след това се преобразува в електрическа, за да захранва малки електронни устройства, безжични сензори и други приложения с ниска мощност, като потенциално елиминира нуждата от батерии или кабелни източници на захранване.

Защо е важно събирането на енергия?

Значението на събирането на енергия се крие в потенциала му да:

• Намали зависимостта от батерии: Батериите изискват честа подмяна, допринасят за електронните отпадъци и могат да бъдат вредни за околната среда. Събирането на енергия предлага устойчива алтернатива.
• Даде възможност за безжични и автономни устройства: Събирането на енергия захранва устройства на отдалечени или недостъпни места, позволявайки непрекъсната работа без поддръжка.
• Насърчи устойчивостта: Чрез използването на отпадна енергия, събирането на енергия намалява нашата зависимост от изкопаеми горива и допринася за по-чиста околна среда.
• Подобри ефективността: Самозахранващите се устройства и системи повишават оперативната ефективност и намаляват консумацията на енергия в различни приложения.

Видове технологии за събиране на енергия

Използват се няколко технологии за събиране на енергия от околната среда, всяка от които е подходяща за различни източници на енергия и приложения. Ето преглед на най-често срещаните видове:

1. Събиране на слънчева енергия

Събирането на слънчева енергия използва фотоволтаични (PV) клетки за преобразуване на слънчевата светлина в електричество. Дори вътрешното осветление може да бъде събирано, макар и с по-ниска ефективност. Напредъкът в технологията на слънчевите клетки ги прави по-ефективни и гъвкави, което позволява интегрирането им в различни устройства и повърхности.

Пример: Захранвани със слънчева енергия калкулатори, външно осветление и безжични сензори за мониторинг на околната среда.

2. Пиезоелектрично събиране на енергия

Пиезоелектричните материали генерират електричество, когато са подложени на механично напрежение или вибрации. Тази технология може да събира енергия от човешко движение, автомобилен трафик или промишлени машини.

Пример: Самозахранващи се сензори в мостове за наблюдение на структурната цялост, монтирани в обувки събирачи на енергия за захранване на носима електроника и сензори, базирани на вибрации, в промишлено оборудване.

3. Термоелектрично събиране на енергия

Термоелектрическите генератори (ТЕГ) преобразуват температурни разлики в електричество въз основа на ефекта на Зеебек. Отпадната топлина от промишлени процеси, изгорели газове от превозни средства или дори телесната топлина могат да бъдат използвани с помощта на ТЕГ.

Пример: Захранване на сензори в тръбопроводи, използвайки температурната разлика между флуида и околната среда, системи за възстановяване на отпадна топлина в автомобили и носими устройства, захранвани от телесна топлина.

4. Събиране на радиочестотна (RF) енергия

Събирането на RF енергия улавя електромагнитни вълни от радиосигнали, Wi-Fi рутери и други безжични комуникационни устройства. Събраната енергия може да захранва електронни устройства с ниска мощност.

Пример: Безжични сензорни мрежи, захранвани от околни RF сигнали, интелигентни етикети за управление на инвентара и безжично зареждане на устройства в зони със силни RF сигнали.

5. Събиране на кинетична енергия

Събирането на кинетична енергия преобразува механичното движение в електричество. Това може да включва вибрации, ротации или линейни движения. За това преобразуване се използват различни техники, като електромагнитна индукция или трибоелектричен ефект.

Пример: Събиране на енергия от океанските вълни, захранване на сензори във вятърни мелници чрез ротационна енергия и използване на сензори за движение в пейсмейкъри.

Приложения на събирането на енергия

Събирането на енергия има широк спектър от приложения в различни индустрии. Ето някои забележителни примери:

1. Безжични сензорни мрежи (БСМ)

БСМ са ключова област на приложение за събирането на енергия. Тези мрежи се състоят от множество малки сензори с ниска мощност, които наблюдават различни параметри като температура, налягане, влажност и вибрации. Събирането на енергия може да захранва тези сензори, елиминирайки необходимостта от подмяна на батерии и позволявайки дългосрочна, автономна работа.

Пример: Мониторинг на условията на околната среда в отдалечени гори, проследяване на влажността на почвата в селскостопански полета и наблюдение на структурната цялост на мостове и сгради.

2. Интернет на нещата (IoT)

Екосистемата на IoT разчита на огромна мрежа от взаимосвързани устройства. Събирането на енергия може да захранва много от тези устройства, намалявайки зависимостта от батерии и давайки възможност за нови приложения. От интелигентни домашни устройства до системи за промишлена автоматизация, събирането на енергия може да играе критична роля в захранването на IoT.

Пример: Интелигентни термостати, захранвани от околна светлина, самозахранващи се камери за сигурност и безжични сензори във фабрики за предсказуема поддръжка.

3. Носима електроника

Носимите устройства, като смарт часовници, фитнес тракери и медицински сензори, стават все по-популярни. Събирането на енергия може да захранва тези устройства, удължавайки живота на батерията им и давайки възможност за нови функционалности. Телесната топлина, движението и околната светлина могат да бъдат събирани за захранване на носима електроника.

Пример: Смарт часовници, захранвани от телесна топлина, фитнес тракери, захранвани от движение, и медицински сензори, които непрекъснато следят жизненоважни показатели.

4. Мониторинг на инфраструктурата

Събирането на енергия позволява непрекъснат мониторинг на инфраструктурни активи като мостове, сгради, тръбопроводи и железопътни линии. Безжичните сензори, захранвани чрез събиране на енергия, могат да откриват структурни повреди, корозия и други потенциални проблеми, което позволява навременна поддръжка и предотвратяване на катастрофални повреди.

Пример: Мониторинг на структурната цялост на мостове с помощта на сензори, захранвани от вибрации, откриване на течове в тръбопроводи с помощта на сензори, захранвани от температура, и наблюдение на състоянието на железопътните релси с помощта на сензори, захранвани от вибрации.

5. Медицински импланти

Събирането на енергия може да захранва медицински импланти, като пейсмейкъри и невронни стимулатори, елиминирайки необходимостта от подмяна на батерии и намалявайки риска от усложнения. Телесната топлина, движението и дори кръвният поток могат да бъдат събирани за захранване на тези устройства.

Пример: Пейсмейкъри, захранвани от сърдечния ритъм, невронни стимулатори, захранвани от телесна топлина, и глюкозни монитори, захранвани от ензимни реакции.

6. Автомобилна индустрия

Събирането на енергия може да подобри ефективността и устойчивостта на превозните средства. Отпадната топлина от двигателя и изпускателната система може да бъде възстановена с помощта на термоелектрически генератори. Вибрационната енергия от системата на окачването също може да бъде събирана.

Пример: Термоелектрически генератори, които преобразуват отпадната топлина в електричество, вибрационни амортисьори, които генерират електричество от вибрациите на превозното средство, и системи за следене на налягането в гумите, захранвани от въртенето на колелата.

Предизвикателства и бъдещи насоки

Въпреки огромния си потенциал, събирането на енергия е изправено пред няколко предизвикателства:

• Ниска енергийна мощност: Количеството събрана енергия от околната среда често е малко, което ограничава приложенията, които могат да бъдат захранени.
• Ефективност на преобразуването на енергия: Ефективността на преобразуване на енергията от околната среда в използваема електрическа енергия се нуждае от подобрение.
• Съхранение на енергия: Необходими са ефективни решения за съхранение на енергия, за да се компенсира непостоянният характер на енергийните източници от околната среда.
• Цена: Цената на устройствата за събиране на енергия може да бъде висока, което ограничава тяхното широко разпространение.
• Фактори на околната среда: Енергийните източници от околната среда могат да бъдат повлияни от условията на околната среда, като времето и времето от деня.

Въпреки това, продължаващите изследвания и развойни дейности се справят с тези предизвикателства. Ключовите области на фокус включват:

• Напреднали материали: Разработване на нови материали с по-висока ефективност на преобразуване на енергия.
• Миниатюризация: Намаляване на размера и теглото на устройствата за събиране на енергия.
• Решения за съхранение на енергия: Разработване на устройства за съхранение на енергия с голям капацитет и дълъг живот, като суперкондензатори и микробатерии.
• Хибридно събиране на енергия: Комбиниране на множество технологии за събиране на енергия за увеличаване на енергийната мощност и надеждността.
• Оптимизационни алгоритми: Разработване на алгоритми, които оптимизират производителността на събирането на енергия въз основа на условията на околната среда и изискванията на устройството.

Глобални перспективи за събирането на енергия

Изследванията и развитието в областта на събирането на енергия се извършват в световен мащаб, със значителен принос от различни страни и региони:

• Северна Америка: Водещи университети и изследователски институции в САЩ и Канада активно участват в изследванията за събиране на енергия, фокусирайки се върху напреднали материали, съхранение на енергия и разработване на приложения.
• Европа: Европейският съюз е финансирал множество проекти за събиране на енергия чрез своите програми за научни изследвания и иновации, като „Хоризонт 2020“. Тези проекти се фокусират върху разработването на решения за събиране на енергия за различни приложения, включително безжични сензорни мрежи, носима електроника и промишлена автоматизация.
• Азия: Страни като Япония, Южна Корея и Китай инвестират сериозно в изследвания и развитие на събирането на енергия. Тези страни са особено фокусирани върху разработването на решения за събиране на енергия за IoT устройства, интелигентни градове и електрически превозни средства.
• Австралия: Изследователските институции в Австралия проучват технологии за събиране на енергия за приложения за дистанционно наблюдение и управление на ресурси, възползвайки се от обширните и слабо населени ландшафти на страната.

Тези глобални усилия стимулират иновациите в събирането на енергия и ускоряват приемането на тази технология в различни индустрии.

Заключение

Събирането на енергия е обещаваща технология, която има потенциала да революционизира начина, по който захранваме електронни устройства и системи. Чрез оползотворяване на енергията от околната среда, събирането на енергия може да намали зависимостта ни от батерии, да даде възможност за безжични и автономни устройства и да насърчи устойчивостта. Въпреки че предизвикателствата остават, продължаващите изследвания и развойни дейности проправят пътя за широкото приемане на събирането на енергия в различни приложения. Тъй като търсенето на устойчиви и ефективни енергийни решения продължава да расте, събирането на енергия е готово да играе все по-важна роля в захранването на бъдещето.