Iepazīstiet enerģijas iegūšanas pasauli, kas pazīstama arī kā apkārtējās vides enerģijas savākšana. Atklājiet tehnoloģijas, pielietojumus un nākotnes potenciālu, iegūstot enerģiju no apkārtējās vides.
Enerģijas iegūšana: Nākotnes nodrošināšana ar apkārtējās vides enerģijas savākšanu
Pasaulē, kas arvien vairāk koncentrējas uz ilgtspējību un efektivitāti, enerģijas iegūšana kļūst par būtisku tehnoloģiju. Tā ir pazīstama arī kā apkārtējās vides enerģijas savākšana, un tas ir process, kurā tiek uztverti nelieli enerģijas daudzumi no vides un pārveidoti izmantojamā elektroenerģijā. Šajā emuāra ierakstā mēs iedziļināsimies šīs aizraujošās jomas principos, tehnoloģijās, pielietojumos un nākotnes potenciālā.
Kas ir enerģijas iegūšana?
Enerģijas iegūšana uztver zudumos gājušo enerģiju no apkārtējās vides. Tā var būt gaisma, siltums, vibrācija vai radioviļņi. Atšķirībā no tradicionālajiem enerģijas avotiem, kas balstās uz ierobežotiem resursiem, enerģijas iegūšana izmanto viegli pieejamu apkārtējās vides enerģiju. Savāktā enerģija tiek pārveidota elektroenerģijā, lai darbinātu mazas elektroniskās ierīces, bezvadu sensorus un citus mazjaudas lietojumus, potenciāli novēršot nepieciešamību pēc baterijām vai vadu barošanas avotiem.
Kāpēc enerģijas iegūšana ir svarīga?
Enerģijas iegūšanas nozīme slēpjas tās potenciālā:
- Samazināt atkarību no baterijām: Baterijām ir nepieciešama bieža nomaiņa, tās veido elektroniskos atkritumus un var būt kaitīgas videi. Enerģijas iegūšana piedāvā ilgtspējīgu alternatīvu.
- Nodrošināt bezvadu un autonomu ierīču darbību: Enerģijas iegūšana darbina ierīces attālās vai grūti pieejamās vietās, nodrošinot nepārtrauktu darbību bez apkopes.
- Veicināt ilgtspējību: Izmantojot zudumos gājušo enerģiju, enerģijas iegūšana samazina mūsu atkarību no fosilā kurināmā un veicina tīrāku vidi.
- Uzlabot efektivitāti: Pašbarojošas ierīces un sistēmas uzlabo darbības efektivitāti un samazina enerģijas patēriņu dažādos pielietojumos.
Enerģijas iegūšanas tehnoloģiju veidi
Tiek izmantotas vairākas tehnoloģijas, lai iegūtu apkārtējās vides enerģiju, katra no tām ir piemērota dažādiem enerģijas avotiem un pielietojumiem. Šeit ir pārskats par visbiežāk sastopamajiem veidiem:
1. Saules enerģijas iegūšana
Saules enerģijas iegūšanā tiek izmantotas fotoelementu (PV) šūnas, lai pārvērstu saules gaismu elektrībā. Pat iekštelpu apgaismojumu var iegūt, lai gan ar mazāku efektivitāti. Saules šūnu tehnoloģiju attīstība padara tās efektīvākas un elastīgākas, ļaujot tās integrēt dažādās ierīcēs un virsmās.
Piemērs: Ar saules enerģiju darbināmi kalkulatori, āra apgaismojums un bezvadu sensori vides monitoringam.
2. Pjezoelektriskā enerģijas iegūšana
Pjezoelektriskie materiāli rada elektrību, kad tiek pakļauti mehāniskam spriegumam vai vibrācijai. Šī tehnoloģija var iegūt enerģiju no cilvēka kustībām, transportlīdzekļu satiksmes vai rūpnieciskām iekārtām.
Piemērs: Pašbarojoši sensori tiltos, lai uzraudzītu konstrukcijas integritāti, apavos iemontēti enerģijas ģeneratori valkājamās elektronikas darbināšanai un uz vibrācijām balstīti sensori rūpnieciskajās iekārtās.
3. Termoelektriskā enerģijas iegūšana
Termoelektriskie ģeneratori (TEG) pārvērš temperatūras starpības elektrībā, pamatojoties uz Zēbeka efektu. Ar TEG palīdzību var izmantot siltuma zudumus no rūpnieciskiem procesiem, transportlīdzekļu izplūdes gāzēm vai pat ķermeņa siltumu.
Piemērs: Sensoru darbināšana cauruļvados, izmantojot temperatūras starpību starp šķidrumu un apkārtējo vidi, siltuma zudumu rekuperācijas sistēmas automobiļos un valkājamas ierīces, ko darbina ķermeņa siltums.
4. Radiofrekvences (RF) enerģijas iegūšana
RF enerģijas iegūšana uztver elektromagnētiskos viļņus no radio signāliem, Wi-Fi maršrutētājiem un citām bezvadu sakaru ierīcēm. Iegūtā enerģija var darbināt mazjaudas elektroniskās ierīces.
Piemērs: Bezvadu sensoru tīkli, ko darbina apkārtējās vides RF signāli, viedās birkas krājumu pārvaldībai un ierīču bezvadu uzlāde zonās ar spēcīgiem RF signāliem.
5. Kinētiskās enerģijas iegūšana
Kinētiskās enerģijas iegūšana pārvērš mehānisko kustību elektrībā. Tā var ietvert vibrācijas, rotācijas vai lineāras kustības. Šai pārvēršanai tiek izmantotas dažādas tehnikas, piemēram, elektromagnētiskā indukcija vai triboelektriskais efekts.
Piemērs: Enerģijas iegūšana no okeāna viļņiem, sensoru darbināšana vējdzirnavās, izmantojot rotācijas enerģiju, un kustību sensoru izmantošana elektrokardiostimulatoros.
Enerģijas iegūšanas pielietojumi
Enerģijas iegūšanai ir plašs pielietojumu klāsts dažādās nozarēs. Šeit ir daži ievērojami piemēri:
1. Bezvadu sensoru tīkli (WSN)
WSN ir galvenā enerģijas iegūšanas pielietojuma joma. Šie tīkli sastāv no daudziem maziem, mazjaudas sensoriem, kas uzrauga dažādus parametrus, piemēram, temperatūru, spiedienu, mitrumu un vibrāciju. Enerģijas iegūšana var darbināt šos sensorus, novēršot nepieciešamību pēc bateriju nomaiņas un nodrošinot ilgtermiņa, autonomu darbību.
Piemērs: Vides apstākļu monitorings attālos mežos, augsnes mitruma izsekošana lauksaimniecības laukos un tiltu un ēku strukturālās integritātes uzraudzība.
2. Lietu internets (IoT)
IoT ekosistēma balstās uz plašu savstarpēji savienotu ierīču tīklu. Enerģijas iegūšana var darbināt daudzas no šīm ierīcēm, samazinot atkarību no baterijām un paverot jaunus pielietojumus. No viedās mājas ierīcēm līdz rūpnieciskās automatizācijas sistēmām, enerģijas iegūšanai var būt izšķiroša loma IoT darbināšanā.
Piemērs: Viedie termostati, ko darbina apkārtējā gaisma, pašbarojošas drošības kameras un bezvadu sensori rūpnīcās prognozējošai apkopei.
3. Valkājamā elektronika
Valkājamās ierīces, piemēram, viedpulksteņi, fitnesa izsekotāji un medicīnas sensori, kļūst arvien populārākas. Enerģijas iegūšana var darbināt šīs ierīces, pagarinot to baterijas darbības laiku un paverot jaunas funkcionalitātes. Ķermeņa siltumu, kustību un apkārtējo gaismu var izmantot valkājamās elektronikas darbināšanai.
Piemērs: Viedpulksteņi, ko darbina ķermeņa siltums, fitnesa izsekotāji, ko darbina kustība, un medicīnas sensori, kas nepārtraukti uzrauga vitālos rādītājus.
4. Infrastruktūras monitorings
Enerģijas iegūšana nodrošina nepārtrauktu infrastruktūras objektu, piemēram, tiltu, ēku, cauruļvadu un dzelzceļu, monitoringu. Bezvadu sensori, ko darbina enerģijas iegūšana, var atklāt strukturālus bojājumus, koroziju un citas potenciālas problēmas, ļaujot veikt savlaicīgu apkopi un novērst katastrofālas avārijas.
Piemērs: Tiltu strukturālās integritātes monitorings, izmantojot ar vibrāciju darbināmus sensorus, noplūžu noteikšana cauruļvados, izmantojot ar temperatūru darbināmus sensorus, un dzelzceļa sliežu stāvokļa monitorings, izmantojot ar vibrāciju darbināmus sensorus.
5. Medicīniskie implanti
Enerģijas iegūšana var darbināt medicīniskos implantus, piemēram, elektrokardiostimulatorus un neironu stimulatorus, novēršot nepieciešamību pēc bateriju nomaiņas un samazinot komplikāciju risku. Lai darbinātu šīs ierīces, var izmantot ķermeņa siltumu, kustību un pat asins plūsmu.
Piemērs: Elektrokardiostimulatori, ko darbina sirdspuksti, neironu stimulatori, ko darbina ķermeņa siltums, un glikozes monitori, ko darbina enzīmu reakcijas.
6. Automobiļu rūpniecība
Enerģijas iegūšana var uzlabot transportlīdzekļu efektivitāti un ilgtspējību. Siltuma zudumus no dzinēja un izplūdes sistēmas var rekuperēt, izmantojot termoelektriskos ģeneratorus. Var iegūt arī vibrācijas enerģiju no piekares sistēmas.
Piemērs: Termoelektriskie ģeneratori, kas pārvērš siltuma zudumus elektrībā, vibrācijas slāpētāji, kas rada elektrību no transportlīdzekļa vibrācijām, un riepu spiediena monitoringa sistēmas, ko darbina riteņu rotācija.
Izaicinājumi un nākotnes virzieni
Neskatoties uz milzīgo potenciālu, enerģijas iegūšana saskaras ar vairākiem izaicinājumiem:
- Zema enerģijas jauda: No apkārtējās vides avotiem iegūtās enerģijas daudzums bieži ir mazs, ierobežojot pielietojumus, kurus var darbināt.
- Enerģijas pārveidošanas efektivitāte: Ir jāuzlabo apkārtējās vides enerģijas pārveidošanas efektivitāte izmantojamā elektroenerģijā.
- Enerģijas uzglabāšana: Ir nepieciešami efektīvi enerģijas uzglabāšanas risinājumi, lai buferētu apkārtējās vides enerģijas avotu neregulāro raksturu.
- Izmaksas: Enerģijas iegūšanas ierīču izmaksas var būt augstas, ierobežojot to plašu izplatību.
- Vides faktori: Apkārtējās vides enerģijas avotus var ietekmēt vides apstākļi, piemēram, laikapstākļi un diennakts laiks.
Tomēr notiekošie pētniecības un attīstības centieni risina šos izaicinājumus. Galvenās uzmanības jomas ietver:
- Progresīvi materiāli: Jaunu materiālu izstrāde ar augstāku enerģijas pārveidošanas efektivitāti.
- Miniaturizācija: Enerģijas iegūšanas ierīču izmēra un svara samazināšana.
- Enerģijas uzglabāšanas risinājumi: Augstas ietilpības, ilgstošas darbības enerģijas uzglabāšanas ierīču, piemēram, superkondensatoru un mikrobateriju, izstrāde.
- Hibrīda enerģijas iegūšana: Vairāku enerģijas iegūšanas tehnoloģiju apvienošana, lai palielinātu enerģijas jaudu un uzticamību.
- Optimizācijas algoritmi: Algoritmu izstrāde, kas optimizē enerģijas iegūšanas veiktspēju, pamatojoties uz vides apstākļiem un ierīces prasībām.
Globālās perspektīvas enerģijas iegūšanā
Enerģijas iegūšanas pētniecība un attīstība tiek veikta visā pasaulē, un nozīmīgu ieguldījumu sniedz dažādas valstis un reģioni:
- Ziemeļamerika: Vadošās universitātes un pētniecības iestādes Amerikas Savienotajās Valstīs un Kanādā aktīvi iesaistās enerģijas iegūšanas pētniecībā, koncentrējoties uz progresīviem materiāliem, enerģijas uzglabāšanu un pielietojumu izstrādi.
- Eiropa: Eiropas Savienība ir finansējusi daudzus enerģijas iegūšanas projektus, izmantojot savas pētniecības un inovāciju programmas, piemēram, "Apvārsnis 2020". Šie projekti koncentrējas uz enerģijas iegūšanas risinājumu izstrādi dažādiem pielietojumiem, tostarp bezvadu sensoru tīkliem, valkājamai elektronikai un rūpnieciskajai automatizācijai.
- Āzija: Tādas valstis kā Japāna, Dienvidkoreja un Ķīna lielus līdzekļus iegulda enerģijas iegūšanas pētniecībā un attīstībā. Šīs valstis īpaši koncentrējas uz enerģijas iegūšanas risinājumu izstrādi IoT ierīcēm, viedajām pilsētām un elektriskajiem transportlīdzekļiem.
- Austrālija: Pētniecības iestādes Austrālijā pēta enerģijas iegūšanas tehnoloģijas attālinātai uzraudzībai un resursu pārvaldības lietojumprogrammām, izmantojot valsts plašās un reti apdzīvotās ainavas.
Šie globālie centieni veicina inovāciju enerģijas iegūšanā un paātrina šīs tehnoloģijas ieviešanu dažādās nozarēs.
Noslēgums
Enerģijas iegūšana ir daudzsološa tehnoloģija ar potenciālu revolucionizēt veidu, kā mēs darbinām elektroniskās ierīces un sistēmas. Izmantojot apkārtējās vides enerģiju, enerģijas iegūšana var samazināt mūsu atkarību no baterijām, nodrošināt bezvadu un autonomu ierīču darbību un veicināt ilgtspējību. Lai gan joprojām pastāv izaicinājumi, notiekošie pētniecības un attīstības centieni paver ceļu plašākai enerģijas iegūšanas izmantošanai dažādos pielietojumos. Pieaugot pieprasījumam pēc ilgtspējīgiem un efektīviem enerģijas risinājumiem, enerģijas iegūšanai ir paredzēta arvien svarīgāka loma nākotnes nodrošināšanā.