Energijos surinkimas: ateities energijos tiekimas renkant aplinkos energiją

Pasaulyje, kuriame vis daugiau dėmesio skiriama tvarumui ir efektyvumui, energijos surinkimas tampa lemiama technologija. Taip pat žinomas kaip aplinkos energijos rinkimas arba energijos paieška, tai yra procesas, kurio metu surenkami nedideli energijos kiekiai iš aplinkos ir paverčiami naudinga elektros energija. Šiame tinklaraščio įraše gilinsimės į šios jaudinančios srities principus, technologijas, pritaikymą ir ateities potencialą.

Kas yra energijos surinkimas?

Energijos surinkimas sugauna atliekinę energiją iš aplinkos. Tai gali būti šviesa, šiluma, vibracija ar radijo bangos. Skirtingai nuo tradicinių energijos šaltinių, kurie priklauso nuo ribotų išteklių, energijos surinkimas naudoja lengvai prieinamą aplinkos energiją. Surinkta energija vėliau paverčiama elektros energija, skirta maitinti mažus elektroninius prietaisus, belaidžius jutiklius ir kitas mažos galios sistemas, potencialiai pašalinant baterijų ar laidinių maitinimo šaltinių poreikį.

Kodėl energijos surinkimas yra svarbus?

Energijos surinkimo reikšmė slypi jo potenciale:

• Sumažinti priklausomybę nuo baterijų: Baterijas reikia dažnai keisti, jos prisideda prie elektroninių atliekų ir gali būti kenksmingos aplinkai. Energijos surinkimas siūlo tvarią alternatyvą.
• Įgalinti belaidžius ir autonominius prietaisus: Energijos surinkimas maitina prietaisus nuotolinėse ar sunkiai pasiekiamose vietose, užtikrinant nepertraukiamą veikimą be priežiūros.
• Skatinti tvarumą: Naudojant atliekinę energiją, energijos surinkimas mažina mūsų priklausomybę nuo iškastinio kuro ir prisideda prie švaresnės aplinkos.
• Pagerinti efektyvumą: Savarankiškai maitinami prietaisai ir sistemos didina veiklos efektyvumą ir mažina energijos suvartojimą įvairiose srityse.

Energijos surinkimo technologijų tipai

Aplinkos energijai surinkti naudojamos kelios technologijos, kurių kiekviena pritaikyta skirtingiems energijos šaltiniams ir pritaikymams. Štai labiausiai paplitusių tipų apžvalga:

1. Saulės energijos surinkimas

Saulės energijos surinkimas naudoja fotovoltinius (PV) elementus saulės šviesai paversti elektra. Net patalpų apšvietimas gali būti surenkamas, nors ir su mažesniu efektyvumu. Saulės elementų technologijos pažanga daro juos efektyvesnius ir lankstesnius, leidžiančius integruoti juos į įvairius prietaisus ir paviršius.

Pavyzdys: Saulės energija maitinami skaičiuotuvai, lauko apšvietimas ir belaidžiai jutikliai aplinkos stebėjimui.

2. Pjezoelektrinis energijos surinkimas

Pjezoelektrinės medžiagos generuoja elektrą, kai yra veikiamos mechaninio streso ar vibracijos. Ši technologija gali surinkti energiją iš žmonių judėjimo, transporto priemonių eismo ar pramoninių mašinų.

Pavyzdys: Savarankiškai maitinami jutikliai tiltuose konstrukcijos vientisumui stebėti, batuose montuojami energijos surinkėjai nešiojamai elektronikai maitinti ir vibracija pagrįsti jutikliai pramoninėje įrangoje.

3. Termoelektrinis energijos surinkimas

Termoelektriniai generatoriai (TEG) paverčia temperatūrų skirtumus elektra, remiantis Seebecko efektu. Naudojant TEG, galima panaudoti atliekinę šilumą iš pramoninių procesų, transporto priemonių išmetamųjų dujų ar net kūno šilumą.

Pavyzdys: Jutiklių maitinimas vamzdynuose naudojant temperatūros skirtumą tarp skysčio ir aplinkos, atliekinės šilumos atgavimo sistemos automobiliuose ir nešiojami prietaisai, maitinami kūno šiluma.

4. Radijo dažnių (RD) energijos surinkimas

RD energijos surinkimas sugauna elektromagnetines bangas iš radijo signalų, Wi-Fi maršrutizatorių ir kitų belaidžio ryšio įrenginių. Surinkta energija gali maitinti mažos galios elektroninius prietaisus.

Pavyzdys: Belaidžių jutiklių tinklai, maitinami aplinkos RD signalais, išmaniosios žymės atsargų valdymui ir prietaisų belaidis įkrovimas srityse su stipriais RD signalais.

5. Kinetinės energijos surinkimas

Kinetinės energijos surinkimas paverčia mechaninį judesį elektra. Tai gali būti vibracijos, sukimasis ar linijiniai judesiai. Šiam konvertavimui naudojami įvairūs metodai, pavyzdžiui, elektromagnetinė indukcija ar triboelektrinis efektas.

Pavyzdys: Energijos surinkimas iš vandenyno bangų, jutiklių maitinimas vėjo jėgainėse naudojant sukimosi energiją ir judesio jutiklių naudojimas širdies stimuliatoriuose.

Energijos surinkimo pritaikymas

Energijos surinkimas turi platų pritaikymo spektrą įvairiose pramonės šakose. Štai keletas žymių pavyzdžių:

1. Belaidžių jutiklių tinklai (BJT)

BJT yra pagrindinė energijos surinkimo pritaikymo sritis. Šiuos tinklus sudaro daugybė mažų, mažos galios jutiklių, kurie stebi įvairius parametrus, tokius kaip temperatūra, slėgis, drėgmė ir vibracija. Energijos surinkimas gali maitinti šiuos jutiklius, pašalinant poreikį keisti baterijas ir leidžiant ilgalaikį, autonominį veikimą.

Pavyzdys: Aplinkos sąlygų stebėjimas atokiuose miškuose, dirvožemio drėgmės sekimas žemės ūkio laukuose ir tiltų bei pastatų konstrukcijos vientisumo stebėjimas.

2. Daiktų internetas (DI)

DI ekosistema remiasi didžiuliu tarpusavyje sujungtų prietaisų tinklu. Energijos surinkimas gali maitinti daugelį šių prietaisų, mažinant priklausomybę nuo baterijų ir atveriant naujas pritaikymo galimybes. Nuo išmaniųjų namų prietaisų iki pramoninės automatikos sistemų, energijos surinkimas gali atlikti lemiamą vaidmenį maitinant DI.

Pavyzdys: Išmanieji termostatai, maitinami aplinkos šviesa, savarankiškai maitinamos apsaugos kameros ir belaidžiai jutikliai gamyklose prognozuojamai priežiūrai.

3. Nešiojama elektronika

Nešiojami prietaisai, tokie kaip išmanieji laikrodžiai, fizinio aktyvumo stebėjimo įrenginiai ir medicininiai jutikliai, tampa vis populiaresni. Energijos surinkimas gali maitinti šiuos prietaisus, prailginant jų baterijos veikimo laiką ir įgalinant naujas funkcijas. Kūno šiluma, judėjimas ir aplinkos šviesa gali būti surenkami nešiojamai elektronikai maitinti.

Pavyzdys: Išmanieji laikrodžiai, maitinami kūno šiluma, fizinio aktyvumo stebėjimo įrenginiai, maitinami judesiu, ir medicininiai jutikliai, kurie nuolat stebi gyvybinius rodiklius.

4. Infrastruktūros stebėjimas

Energijos surinkimas leidžia nuolat stebėti infrastruktūros objektus, tokius kaip tiltai, pastatai, vamzdynai ir geležinkeliai. Belaidžiai jutikliai, maitinami energijos surinkimu, gali aptikti konstrukcinius pažeidimus, koroziją ir kitas galimas problemas, leidžiant laiku atlikti priežiūrą ir išvengti katastrofiškų gedimų.

Pavyzdys: Tiltų konstrukcijos vientisumo stebėjimas naudojant vibracija maitinamus jutiklius, nuotėkių aptikimas vamzdynuose naudojant temperatūra maitinamus jutiklius ir geležinkelio bėgių būklės stebėjimas naudojant vibracija maitinamus jutiklius.

5. Medicininiai implantai

Energijos surinkimas gali maitinti medicininius implantus, tokius kaip širdies stimuliatoriai ir nervų stimuliatoriai, pašalinant poreikį keisti baterijas ir mažinant komplikacijų riziką. Kūno šiluma, judėjimas ir net kraujo tėkmė gali būti surenkami šiems prietaisams maitinti.

Pavyzdys: Širdies stimuliatoriai, maitinami širdies dūžiais, nervų stimuliatoriai, maitinami kūno šiluma, ir gliukozės matuokliai, maitinami fermentinėmis reakcijomis.

6. Automobilių pramonė

Energijos surinkimas gali pagerinti transporto priemonių efektyvumą ir tvarumą. Atliekinė šiluma iš variklio ir išmetimo sistemos gali būti atgauta naudojant termoelektrinius generatorius. Taip pat galima surinkti vibracijos energiją iš pakabos sistemos.

Pavyzdys: Termoelektriniai generatoriai, kurie paverčia atliekinę šilumą elektra, vibracijos slopintuvai, kurie generuoja elektrą iš transporto priemonės vibracijų, ir padangų slėgio stebėjimo sistemos, maitinamos rato sukimusi.

Iššūkiai ir ateities kryptys

Nepaisant didžiulio potencialo, energijos surinkimas susiduria su keliais iššūkiais:

• Maža energijos išeiga: Iš aplinkos šaltinių surenkamos energijos kiekis dažnai yra mažas, o tai riboja pritaikymų, kuriuos galima maitinti, skaičių.
• Energijos konversijos efektyvumas: Reikia pagerinti aplinkos energijos pavertimo naudinga elektros energija efektyvumą.
• Energijos kaupimas: Reikalingi efektyvūs energijos kaupimo sprendimai, siekiant kompensuoti aplinkos energijos šaltinių nepastovumą.
• Kaina: Energijos surinkimo įrenginių kaina gali būti aukšta, o tai riboja jų platų pritaikymą.
• Aplinkos veiksniai: Aplinkos energijos šaltinius gali paveikti aplinkos sąlygos, tokios kaip oras ir paros laikas.

Tačiau vykstantys mokslinių tyrimų ir plėtros darbai sprendžia šiuos iššūkius. Pagrindinės sritys, kurioms skiriamas dėmesys, yra šios:

• Pažangios medžiagos: Naujų medžiagų, turinčių didesnį energijos konversijos efektyvumą, kūrimas.
• Miniatiūrizavimas: Energijos surinkimo įrenginių dydžio ir svorio mažinimas.
• Energijos kaupimo sprendimai: Didelės talpos, ilgaamžių energijos kaupimo įrenginių, tokių kaip superkondensatoriai ir mikrobaterijos, kūrimas.
• Hibridinis energijos surinkimas: Kelių energijos surinkimo technologijų derinimas, siekiant padidinti energijos išeigą ir patikimumą.
• Optimizavimo algoritmai: Algoritmų, optimizuojančių energijos surinkimo našumą atsižvelgiant į aplinkos sąlygas ir įrenginio reikalavimus, kūrimas.

Pasaulinės energijos surinkimo perspektyvos

Energijos surinkimo tyrimai ir plėtra vykdomi visame pasaulyje, o didelį indėlį įneša įvairios šalys ir regionai:

• Šiaurės Amerika: Pirmaujantys universitetai ir mokslinių tyrimų institutai Jungtinėse Valstijose ir Kanadoje aktyviai dalyvauja energijos surinkimo tyrimuose, daugiausia dėmesio skirdami pažangioms medžiagoms, energijos kaupimui ir pritaikymo plėtrai.
• Europa: Europos Sąjunga finansavo daugybę energijos surinkimo projektų per savo mokslinių tyrimų ir inovacijų programas, tokias kaip „Horizontas 2020“. Šie projektai skirti energijos surinkimo sprendimų kūrimui įvairioms sritims, įskaitant belaidžių jutiklių tinklus, nešiojamąją elektroniką ir pramoninę automatiką.
• Azija: Tokios šalys kaip Japonija, Pietų Korėja ir Kinija daug investuoja į energijos surinkimo tyrimus ir plėtrą. Šios šalys ypač daug dėmesio skiria energijos surinkimo sprendimų kūrimui DI įrenginiams, išmaniesiems miestams ir elektrinėms transporto priemonėms.
• Australija: Mokslinių tyrimų įstaigos Australijoje tiria energijos surinkimo technologijas nuotolinio stebėjimo ir išteklių valdymo programoms, pasinaudodamos dideliais ir retai apgyvendintais šalies kraštovaizdžiais.

Šios pasaulinės pastangos skatina inovacijas energijos surinkimo srityje ir spartina šios technologijos pritaikymą įvairiose pramonės šakose.

Išvada

Energijos surinkimas yra perspektyvi technologija, turinti potencialą pakeisti mūsų elektroninių prietaisų ir sistemų maitinimo būdą. Panaudodamas aplinkos energiją, energijos surinkimas gali sumažinti mūsų priklausomybę nuo baterijų, įgalinti belaidžius ir autonominius prietaisus bei skatinti tvarumą. Nors iššūkių išlieka, vykstantys mokslinių tyrimų ir plėtros darbai atveria kelią plačiam energijos surinkimo pritaikymui įvairiose srityse. Didėjant tvarių ir efektyvių energijos sprendimų paklausai, energijos surinkimas atliks vis svarbesnį vaidmenį maitinant ateitį.