دنیای برداشت انرژی یا جمع‌آوری انرژی محیطی را کاوش کنید. با فناوری‌ها، کاربردها و پتانسیل آینده مهار انرژی از محیط اطرافمان آشنا شوید.
برداشت انرژی: تأمین نیروی آینده با جمع‌آوری انرژی محیطی
در دنیایی که به طور فزاینده‌ای بر پایداری و کارایی متمرکز شده است، برداشت انرژی به عنوان یک فناوری حیاتی در حال ظهور است. این فرآیند که با نام‌های جمع‌آوری انرژی محیطی یا جمع‌آوری انرژی زائد (energy scavenging) نیز شناخته می‌شود، به معنای جذب مقادیر اندک انرژی از محیط و تبدیل آن به نیروی الکتریکی قابل استفاده است. این پست وبلاگ به بررسی اصول، فناوری‌ها، کاربردها و پتانسیل آینده این حوزه هیجان‌انگیز می‌پردازد.
برداشت انرژی چیست؟
برداشت انرژی، انرژی‌های هدررفته از محیط اطراف را جذب می‌کند. این انرژی می‌تواند به شکل نور، گرما، ارتعاش یا امواج رادیویی باشد. برخلاف منابع انرژی سنتی که به منابع محدود متکی هستند، برداشت انرژی از انرژی محیطی که به راحتی در دسترس است، استفاده می‌کند. انرژی جمع‌آوری شده سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود تا دستگاه‌های الکترونیکی کوچک، حسگرهای بی‌سیم و سایر کاربردهای کم‌مصرف را تغذیه کند و به طور بالقوه نیاز به باتری یا منابع برق سیمی را از بین ببرد.
چرا برداشت انرژی مهم است؟
اهمیت برداشت انرژی در پتانسیل آن برای موارد زیر نهفته است:
- کاهش وابستگی به باتری‌ها: باتری‌ها نیاز به تعویض مکرر دارند، به تولید زباله‌های الکترونیکی کمک می‌کنند و می‌توانند برای محیط زیست مضر باشند. برداشت انرژی یک جایگزین پایدار ارائه می‌دهد.
- امکان‌پذیر ساختن دستگاه‌های بی‌سیم و خودکار: برداشت انرژی دستگاه‌ها را در مکان‌های دورافتاده یا غیرقابل دسترس تغذیه می‌کند و امکان عملکرد مداوم بدون نیاز به نگهداری را فراهم می‌آورد.
- ترویج پایداری: با استفاده از انرژی‌های هدررفته، برداشت انرژی وابستگی ما به سوخت‌های فسیلی را کاهش داده و به محیط زیستی پاک‌تر کمک می‌کند.
- بهبود کارایی: دستگاه‌ها و سیستم‌های خودتأمین، کارایی عملیاتی را افزایش داده و مصرف انرژی را در کاربردهای مختلف کاهش می‌دهند.
انواع فناوری‌های برداشت انرژی
فناوری‌های متعددی برای برداشت انرژی محیطی به کار می‌روند که هر کدام برای منابع انرژی و کاربردهای مختلف مناسب هستند. در اینجا مروری بر رایج‌ترین انواع آن ارائه می‌شود:
۱. برداشت انرژی خورشیدی
برداشت انرژی خورشیدی از سلول‌های فتوولتائیک (PV) برای تبدیل نور خورشید به الکتریسیته استفاده می‌کند. حتی نور داخلی نیز می‌تواند، هرچند با کارایی کمتر، برداشت شود. پیشرفت‌ها در فناوری سلول‌های خورشیدی، آنها را کارآمدتر و انعطاف‌پذیرتر کرده و امکان ادغام در دستگاه‌ها و سطوح مختلف را فراهم می‌آورد.
مثال: ماشین‌حساب‌های خورشیدی، روشنایی فضای باز و حسگرهای بی‌سیم برای نظارت بر محیط زیست.
۲. برداشت انرژی پیزوالکتریک
مواد پیزوالکتریک هنگام قرار گرفتن در معرض تنش مکانیکی یا ارتعاش، الکتریسیته تولید می‌کنند. این فناوری می‌تواند انرژی حاصل از حرکت انسان، ترافیک وسایل نقلیه یا ماشین‌آلات صنعتی را برداشت کند.
مثال: حسگرهای خودتأمین در پل‌ها برای نظارت بر یکپارچگی سازه، برداشت‌کننده‌های انرژی نصب‌شده روی کفش برای تأمین نیروی الکترونیک پوشیدنی و حسگرهای مبتنی بر ارتعاش در تجهیزات صنعتی.
۳. برداشت انرژی ترموالکتریک
ژنراتورهای ترموالکتریک (TEG) بر اساس اثر سیبک، اختلاف دما را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند. گرمای هدررفته از فرآیندهای صنعتی، اگزوز وسایل نقلیه یا حتی گرمای بدن می‌تواند با استفاده از TEGها برداشت شود.
مثال: تأمین نیروی حسگرها در خطوط لوله با استفاده از اختلاف دمای بین سیال و محیط اطراف، سیستم‌های بازیابی حرارت هدررفته در خودروها و دستگاه‌های پوشیدنی که با گرمای بدن کار می‌کنند.
۴. برداشت انرژی فرکانس رادیویی (RF)
برداشت انرژی RF امواج الکترومغناطیسی از سیگنال‌های رادیویی، روترهای وای‌فای و سایر دستگاه‌های ارتباطی بی‌سیم را جذب می‌کند. انرژی برداشت شده می‌تواند دستگاه‌های الکترونیکی کم‌مصرف را تغذیه کند.
مثال: شبکه‌های حسگر بی‌سیم که با سیگنال‌های RF محیطی تغذیه می‌شوند، تگ‌های هوشمند برای مدیریت موجودی و شارژ بی‌سیم دستگاه‌ها در مناطقی با سیگنال‌های RF قوی.
۵. برداشت انرژی جنبشی
برداشت انرژی جنبشی، حرکت مکانیکی را به الکتریسیته تبدیل می‌کند. این می‌تواند شامل ارتعاشات، چرخش‌ها یا حرکات خطی باشد. تکنیک‌های مختلفی مانند القای الکترومغناطیسی یا اثر تریبوالکتریک برای این تبدیل استفاده می‌شود.
مثال: برداشت انرژی از امواج اقیانوس، تأمین نیروی حسگرها در توربین‌های بادی با استفاده از انرژی چرخشی و استفاده از حسگرهای حرکتی در ضربان‌سازهای قلب.
کاربردهای برداشت انرژی
برداشت انرژی طیف گسترده‌ای از کاربردها را در صنایع مختلف دارد. در اینجا چند نمونه قابل توجه آورده شده است:
۱. شبکه‌های حسگر بی‌سیم (WSN)
شبکه‌های حسگر بی‌سیم یک حوزه کاربردی کلیدی برای برداشت انرژی هستند. این شبکه‌ها از تعداد زیادی حسگر کوچک و کم‌مصرف تشکیل شده‌اند که پارامترهای مختلفی مانند دما، فشار، رطوبت و ارتعاش را نظارت می‌کنند. برداشت انرژی می‌تواند این حسگرها را تغذیه کند و نیاز به تعویض باتری را از بین برده و عملکرد طولانی‌مدت و خودکار را ممکن سازد.
مثال: نظارت بر شرایط محیطی در جنگل‌های دورافتاده، ردیابی رطوبت خاک در مزارع کشاورزی و نظارت بر یکپارچگی سازه‌ای پل‌ها و ساختمان‌ها.
۲. اینترنت اشیا (IoT)
اکوسیستم اینترنت اشیا به شبکه‌ای گسترده از دستگاه‌های متصل به هم متکی است. برداشت انرژی می‌تواند بسیاری از این دستگاه‌ها را تغذیه کند، وابستگی به باتری‌ها را کاهش دهد و کاربردهای جدیدی را ممکن سازد. از دستگاه‌های خانه هوشمند گرفته تا سیستم‌های اتوماسیون صنعتی، برداشت انرژی می‌تواند نقشی حیاتی در تأمین نیروی اینترنت اشیا ایفا کند.
مثال: ترموستات‌های هوشمند که با نور محیط تغذیه می‌شوند، دوربین‌های امنیتی خودتأمین و حسگرهای بی‌سیم در کارخانه‌ها برای نگهداری پیش‌بینانه.
۳. الکترونیک پوشیدنی
دستگاه‌های پوشیدنی مانند ساعت‌های هوشمند، ردیاب‌های تناسب اندام و حسگرهای پزشکی به طور فزاینده‌ای محبوب شده‌اند. برداشت انرژی می‌تواند این دستگاه‌ها را تغذیه کند، عمر باتری آنها را افزایش دهد و قابلیت‌های جدیدی را ممکن سازد. گرمای بدن، حرکت و نور محیط می‌توانند برای تأمین نیروی الکترونیک پوشیدنی برداشت شوند.
مثال: ساعت‌های هوشمند که با گرمای بدن کار می‌کنند، ردیاب‌های تناسب اندام که با حرکت تغذیه می‌شوند و حسگرهای پزشکی که به طور مداوم علائم حیاتی را نظارت می‌کنند.
۴. نظارت بر زیرساخت‌ها
برداشت انرژی نظارت مداوم بر دارایی‌های زیرساختی مانند پل‌ها، ساختمان‌ها، خطوط لوله و راه‌آهن را ممکن می‌سازد. حسگرهای بی‌سیم که با برداشت انرژی تغذیه می‌شوند، می‌توانند آسیب‌های سازه‌ای، خوردگی و سایر مشکلات بالقوه را تشخیص دهند و امکان نگهداری به موقع و جلوگیری از خرابی‌های فاجعه‌بار را فراهم کنند.
مثال: نظارت بر یکپارچگی سازه‌ای پل‌ها با استفاده از حسگرهای تغذیه‌شونده از ارتعاش، تشخیص نشت در خطوط لوله با استفاده از حسگرهای تغذیه‌شونده از دما و نظارت بر وضعیت ریل‌های راه‌آهن با استفاده از حسگرهای تغذیه‌شونده از ارتعاش.
۵. ایمپلنت‌های پزشکی
برداشت انرژی می‌تواند ایمپلنت‌های پزشکی مانند ضربان‌سازهای قلب و محرک‌های عصبی را تغذیه کند، نیاز به تعویض باتری را از بین ببرد و خطر عوارض را کاهش دهد. گرمای بدن، حرکت و حتی جریان خون می‌توانند برای تأمین نیروی این دستگاه‌ها برداشت شوند.
مثال: ضربان‌سازهای قلب که با ضربان قلب تغذیه می‌شوند، محرک‌های عصبی که با گرمای بدن تغذیه می‌شوند و مانیتورهای گلوکز که با واکنش‌های آنزیمی کار می‌کنند.
۶. صنعت خودروسازی
برداشت انرژی می‌تواند کارایی و پایداری وسایل نقلیه را بهبود بخشد. گرمای هدررفته از موتور و سیستم اگزوز می‌تواند با استفاده از ژنراتورهای ترموالکتریک بازیابی شود. انرژی ارتعاشی از سیستم تعلیق نیز می‌تواند برداشت شود.
مثال: ژنراتورهای ترموالکتریک که گرمای هدررفته را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند، کمک‌فنرهایی که از ارتعاشات خودرو الکتریسیته تولید می‌کنند و سیستم‌های نظارت بر فشار تایر که با چرخش چرخ تغذیه می‌شوند.
چالش‌ها و مسیرهای آینده
برداشت انرژی با وجود پتانسیل عظیم خود، با چندین چالش روبرو است:
- خروجی انرژی پایین: مقدار انرژی برداشت شده از منابع محیطی اغلب کم است و کاربردهایی که می‌توانند تغذیه شوند را محدود می‌کند.
- کارایی تبدیل انرژی: کارایی تبدیل انرژی محیطی به نیروی الکتریکی قابل استفاده نیاز به بهبود دارد.
- ذخیره‌سازی انرژی: راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی کارآمد برای بافر کردن ماهیت متناوب منابع انرژی محیطی مورد نیاز است.
- هزینه: هزینه دستگاه‌های برداشت انرژی می‌تواند بالا باشد و پذیرش گسترده آنها را محدود کند.
- عوامل محیطی: منابع انرژی محیطی می‌توانند تحت تأثیر شرایط محیطی مانند آب و هوا و زمان روز قرار گیرند.
با این حال، تلاش‌های تحقیق و توسعه در حال انجام، به این چالش‌ها رسیدگی می‌کنند. حوزه‌های کلیدی تمرکز عبارتند از:
- مواد پیشرفته: توسعه مواد جدید با کارایی تبدیل انرژی بالاتر.
- کوچک‌سازی: کاهش اندازه و وزن دستگاه‌های برداشت انرژی.
- راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی: توسعه دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی با ظرفیت بالا و عمر طولانی، مانند ابرخازن‌ها و میکروباتری‌ها.
- برداشت انرژی ترکیبی: ترکیب چندین فناوری برداشت انرژی برای افزایش خروجی و قابلیت اطمینان انرژی.
- الگوریتم‌های بهینه‌سازی: توسعه الگوریتم‌هایی که عملکرد برداشت انرژی را بر اساس شرایط محیطی و نیازهای دستگاه بهینه می‌کنند.
دیدگاه‌های جهانی در مورد برداشت انرژی
تحقیق و توسعه در زمینه برداشت انرژی در سطح جهانی دنبال می‌شود و کشورهای و مناطق مختلف سهم قابل توجهی در آن دارند:
- آمریکای شمالی: دانشگاه‌ها و موسسات تحقیقاتی پیشرو در ایالات متحده و کانادا به طور فعال در تحقیقات برداشت انرژی مشارکت دارند و بر روی مواد پیشرفته، ذخیره‌سازی انرژی و توسعه کاربردها تمرکز کرده‌اند.
- اروپا: اتحادیه اروپا پروژه‌های متعدد برداشت انرژی را از طریق برنامه‌های تحقیق و نوآوری خود مانند Horizon 2020 تأمین مالی کرده است. این پروژه‌ها بر توسعه راه‌حل‌های برداشت انرژی برای کاربردهای مختلف، از جمله شبکه‌های حسگر بی‌سیم، الکترونیک پوشیدنی و اتوماسیون صنعتی تمرکز دارند.
- آسیا: کشورهایی مانند ژاپن، کره جنوبی و چین به شدت در تحقیق و توسعه برداشت انرژی سرمایه‌گذاری می‌کنند. این کشورها به ویژه بر توسعه راه‌حل‌های برداشت انرژی برای دستگاه‌های اینترنت اشیا، شهرهای هوشمند و وسایل نقلیه الکتریکی متمرکز هستند.
- استرالیا: موسسات تحقیقاتی در استرالیا در حال بررسی فناوری‌های برداشت انرژی برای کاربردهای نظارت از راه دور و مدیریت منابع هستند و از مناظر وسیع و کم‌جمعیت این کشور بهره می‌برند.
این تلاش‌های جهانی، نوآوری در برداشت انرژی را به پیش می‌برند و پذیرش این فناوری را در صنایع مختلف تسریع می‌کنند.
نتیجه‌گیری
برداشت انرژی یک فناوری امیدوارکننده است که پتانسیل ایجاد تحول در نحوه تأمین نیروی دستگاه‌ها و سیستم‌های الکترونیکی را دارد. با مهار انرژی محیطی از محیط اطراف، برداشت انرژی می‌تواند وابستگی ما به باتری‌ها را کاهش دهد، دستگاه‌های بی‌سیم و خودکار را ممکن سازد و پایداری را ترویج کند. در حالی که چالش‌ها باقی هستند، تلاش‌های مستمر تحقیق و توسعه راه را برای پذیرش گسترده برداشت انرژی در کاربردهای مختلف هموار می‌کنند. با افزایش تقاضا برای راه‌حل‌های انرژی پایدار و کارآمد، برداشت انرژی آماده است تا نقشی فزاینده در تأمین نیروی آینده ایفا کند.