Sběr energie (Energy Harvesting): Napájení budoucnosti pomocí sběru okolní energie

Ve světě, který se stále více zaměřuje na udržitelnost a efektivitu, se sběr energie (energy harvesting) stává klíčovou technologií. Tento proces, známý také jako sběr okolní energie nebo získávání zbytkové energie (energy scavenging), spočívá v zachycování malých množství energie z okolního prostředí a jejich přeměně na využitelnou elektrickou energii. Tento blogový příspěvek se ponoří do principů, technologií, aplikací a budoucího potenciálu tohoto vzrušujícího oboru.

Co je to sběr energie (Energy Harvesting)?

Sběr energie zachycuje zbytkovou energii z okolí. Může se jednat o energii ve formě světla, tepla, vibrací nebo rádiových vln. Na rozdíl od tradičních zdrojů energie, které spoléhají na omezené zdroje, energy harvesting využívá snadno dostupnou okolní energii. Získaná energie je poté přeměněna na elektrickou energii pro napájení malých elektronických zařízení, bezdrátových senzorů a dalších nízkoenergetických aplikací, což potenciálně eliminuje potřebu baterií nebo kabelových zdrojů napájení.

Proč je sběr energie důležitý?

Význam sběru energie spočívá v jeho potenciálu:

• Snížit závislost na bateriích: Baterie vyžadují častou výměnu, přispívají k elektronickému odpadu a mohou být škodlivé pro životní prostředí. Sběr energie nabízí udržitelnou alternativu.
• Umožnit bezdrátová a autonomní zařízení: Sběr energie napájí zařízení na odlehlých nebo nepřístupných místech, což umožňuje nepřetržitý provoz bez údržby.
• Podporovat udržitelnost: Využitím zbytkové energie snižuje sběr energie naši závislost na fosilních palivech a přispívá k čistšímu životnímu prostředí.
• Zlepšit efektivitu: Samo-napájecí zařízení a systémy zvyšují provozní efektivitu a snižují spotřebu energie v různých aplikacích.

Typy technologií pro sběr energie

Pro sběr okolní energie se používá několik technologií, z nichž každá je vhodná pro různé zdroje energie a aplikace. Zde je přehled nejběžnějších typů:

1. Sběr solární energie

Sběr solární energie využívá fotovoltaické (PV) články k přeměně slunečního světla na elektřinu. Lze sbírat i energii z vnitřního osvětlení, i když s nižší účinností. Pokroky v technologii solárních článků je činí účinnějšími a flexibilnějšími, což umožňuje jejich integraci do různých zařízení a povrchů.

Příklad: Kalkulačky na solární pohon, venkovní osvětlení a bezdrátové senzory pro monitorování životního prostředí.

2. Piezoelektrický sběr energie

Piezoelektrické materiály generují elektřinu, když jsou vystaveny mechanickému namáhání nebo vibracím. Tato technologie může sbírat energii z lidského pohybu, dopravy vozidel nebo průmyslových strojů.

Příklad: Samo-napájecí senzory v mostech pro monitorování strukturální integrity, sběrače energie montované v botách pro napájení nositelné elektroniky a senzory založené na vibracích v průmyslových zařízeních.

3. Termoelektrický sběr energie

Termoelektrické generátory (TEG) přeměňují teplotní rozdíly na elektřinu na základě Seebeckova jevu. Pomocí TEG lze využít odpadní teplo z průmyslových procesů, výfukových plynů vozidel nebo dokonce tělesné teplo.

Příklad: Napájení senzorů v potrubích pomocí teplotního rozdílu mezi kapalinou a okolním prostředím, systémy rekuperace odpadního tepla v automobilech a nositelná zařízení napájená tělesným teplem.

4. Sběr vysokofrekvenční (RF) energie

Sběr RF energie zachycuje elektromagnetické vlny z rádiových signálů, Wi-Fi routerů a dalších bezdrátových komunikačních zařízení. Získaná energie může napájet nízkoenergetická elektronická zařízení.

Příklad: Bezdrátové senzorové sítě napájené okolními RF signály, chytré štítky pro správu zásob a bezdrátové nabíjení zařízení v oblastech se silnými RF signály.

5. Sběr kinetické energie

Sběr kinetické energie přeměňuje mechanický pohyb na elektřinu. Může se jednat o vibrace, rotace nebo lineární pohyby. Pro tuto přeměnu se používají různé techniky, jako je elektromagnetická indukce nebo triboelektrický jev.

Příklad: Sběr energie z mořských vln, napájení senzorů ve větrných turbínách pomocí rotační energie a použití pohybových senzorů v kardiostimulátorech.

Aplikace sběru energie

Sběr energie má širokou škálu aplikací v různých průmyslových odvětvích. Zde jsou některé významné příklady:

1. Bezdrátové senzorové sítě (WSN)

WSN jsou klíčovou oblastí pro aplikaci sběru energie. Tyto sítě se skládají z mnoha malých, nízkoenergetických senzorů, které monitorují různé parametry, jako je teplota, tlak, vlhkost a vibrace. Sběr energie může tyto senzory napájet, což eliminuje potřebu výměny baterií a umožňuje dlouhodobý, autonomní provoz.

Příklad: Monitorování podmínek prostředí v odlehlých lesích, sledování vlhkosti půdy v zemědělských polích a monitorování strukturální integrity mostů a budov.

2. Internet věcí (IoT)

Ekosystém IoT se spoléhá na rozsáhlou síť vzájemně propojených zařízení. Sběr energie může napájet mnoho z těchto zařízení, což snižuje závislost na bateriích a umožňuje nové aplikace. Od chytrých domácích zařízení po průmyslové automatizační systémy může sběr energie hrát klíčovou roli v napájení IoT.

Příklad: Chytré termostaty napájené okolním světlem, samo-napájecí bezpečnostní kamery a bezdrátové senzory v továrnách pro prediktivní údržbu.

3. Nositelná elektronika

Nositelná zařízení, jako jsou chytré hodinky, fitness náramky a lékařské senzory, jsou stále populárnější. Sběr energie může napájet tato zařízení, prodlužovat jejich životnost baterie a umožňovat nové funkce. K napájení nositelné elektroniky lze využít tělesné teplo, pohyb a okolní světlo.

Příklad: Chytré hodinky napájené tělesným teplem, fitness náramky napájené pohybem a lékařské senzory, které nepřetržitě monitorují životní funkce.

4. Monitorování infrastruktury

Sběr energie umožňuje nepřetržité monitorování infrastrukturních aktiv, jako jsou mosty, budovy, potrubí a železnice. Bezdrátové senzory napájené sběrem energie mohou detekovat strukturální poškození, korozi a další potenciální problémy, což umožňuje včasnou údržbu a předcházení katastrofickým selháním.

Příklad: Monitorování strukturální integrity mostů pomocí senzorů napájených vibracemi, detekce úniků v potrubích pomocí senzorů napájených teplotou a monitorování stavu železničních tratí pomocí senzorů napájených vibracemi.

5. Lékařské implantáty

Sběr energie může napájet lékařské implantáty, jako jsou kardiostimulátory a nervové stimulátory, což eliminuje potřebu výměny baterií a snižuje riziko komplikací. K napájení těchto zařízení lze využít tělesné teplo, pohyb a dokonce i průtok krve.

Příklad: Kardiostimulátory napájené srdečním tepem, nervové stimulátory napájené tělesným teplem a glukometry napájené enzymatickými reakcemi.

6. Automobilový průmysl

Sběr energie může zlepšit účinnost a udržitelnost vozidel. Odpadní teplo z motoru a výfukového systému lze rekuperovat pomocí termoelektrických generátorů. Lze také sbírat energii vibrací ze systému odpružení.

Příklad: Termoelektrické generátory, které přeměňují odpadní teplo na elektřinu, tlumiče vibrací, které generují elektřinu z vibrací vozidla, a systémy monitorování tlaku v pneumatikách napájené rotací kola.

Výzvy a budoucí směřování

Navzdory svému obrovskému potenciálu čelí sběr energie několika výzvám:

• Nízký energetický výstup: Množství energie získané z okolních zdrojů je často malé, což omezuje aplikace, které lze napájet.
• Účinnost přeměny energie: Účinnost přeměny okolní energie na využitelnou elektrickou energii je třeba zlepšit.
• Skladování energie: Jsou zapotřebí efektivní řešení pro skladování energie, která by vyrovnávala přerušovanou povahu okolních zdrojů energie.
• Náklady: Náklady na zařízení pro sběr energie mohou být vysoké, což omezuje jejich široké přijetí.
• Environmentální faktory: Okolní zdroje energie mohou být ovlivněny environmentálními podmínkami, jako je počasí a denní doba.

Probíhající výzkumné a vývojové úsilí se však těmito výzvami zabývá. Klíčové oblasti zájmu zahrnují:

• Pokročilé materiály: Vývoj nových materiálů s vyšší účinností přeměny energie.
• Miniaturizace: Snižování velikosti a hmotnosti zařízení pro sběr energie.
• Řešení pro skladování energie: Vývoj vysokokapacitních a dlouhotrvajících zařízení pro skladování energie, jako jsou superkondenzátory a mikrobaterie.
• Hybridní sběr energie: Kombinace více technologií sběru energie pro zvýšení energetického výstupu a spolehlivosti.
• Optimalizační algoritmy: Vývoj algoritmů, které optimalizují výkon sběru energie na základě environmentálních podmínek a požadavků zařízení.

Globální pohledy na sběr energie

Výzkum a vývoj v oblasti sběru energie probíhá po celém světě, s významnými příspěvky z různých zemí a regionů:

• Severní Amerika: Přední univerzity a výzkumné instituce ve Spojených státech a Kanadě se aktivně podílejí na výzkumu sběru energie, zaměřují se na pokročilé materiály, skladování energie a vývoj aplikací.
• Evropa: Evropská unie financovala četné projekty v oblasti sběru energie prostřednictvím svých výzkumných a inovačních programů, jako je Horizont 2020. Tyto projekty se zaměřují na vývoj řešení pro sběr energie pro různé aplikace, včetně bezdrátových senzorových sítí, nositelné elektroniky a průmyslové automatizace.
• Asie: Země jako Japonsko, Jižní Korea a Čína masivně investují do výzkumu a vývoje v oblasti sběru energie. Tyto země se zvláště zaměřují na vývoj řešení pro sběr energie pro IoT zařízení, chytrá města a elektrická vozidla.
• Austrálie: Výzkumné instituce v Austrálii zkoumají technologie sběru energie pro aplikace dálkového monitorování a správy zdrojů, přičemž využívají rozsáhlé a řídce osídlené krajiny země.

Tyto globální snahy pohánějí inovace v oblasti sběru energie a urychlují přijetí této technologie v různých průmyslových odvětvích.

Závěr

Sběr energie je slibná technologie, která má potenciál revolučně změnit způsob, jakým napájíme elektronická zařízení a systémy. Využitím okolní energie z prostředí může sběr energie snížit naši závislost na bateriích, umožnit bezdrátová a autonomní zařízení a podpořit udržitelnost. Ačkoli výzvy přetrvávají, probíhající výzkumné a vývojové snahy dláždí cestu pro široké přijetí sběru energie v různých aplikacích. Jak poptávka po udržitelných a efektivních energetických řešeních neustále roste, je sběr energie připraven hrát stále důležitější roli v napájení budoucnosti.