Сбор энергии: Обеспечение будущего за счёт сбора энергии из окружающей среды

В мире, который все больше ориентируется на устойчивое развитие и эффективность, сбор энергии становится одной из ключевых технологий. Этот процесс, также известный как сбор энергии из окружающей среды или улавливание энергии, заключается в захвате небольших объемов энергии из окружающего мира и преобразовании ее в полезную электрическую энергию. В этой статье мы рассмотрим принципы, технологии, области применения и будущий потенциал этого захватывающего направления.

Что такое сбор энергии?

Сбор энергии — это улавливание бросовой энергии из окружающей среды. Это может быть энергия в форме света, тепла, вибрации или радиоволн. В отличие от традиционных источников энергии, которые зависят от ограниченных ресурсов, сбор энергии использует легкодоступную энергию окружающей среды. Собранная энергия затем преобразуется в электрическую для питания небольших электронных устройств, беспроводных датчиков и других маломощных приложений, что потенциально устраняет необходимость в батареях или проводных источниках питания.

Почему сбор энергии важен?

Значимость сбора энергии заключается в его потенциале:

• Снизить зависимость от батарей: Батареи требуют частой замены, способствуют образованию электронных отходов и могут быть вредны для окружающей среды. Сбор энергии предлагает устойчивую альтернативу.
• Обеспечить работу беспроводных и автономных устройств: Сбор энергии питает устройства в удаленных или труднодоступных местах, обеспечивая непрерывную работу без технического обслуживания.
• Способствовать устойчивому развитию: Используя бросовую энергию, сбор энергии снижает нашу зависимость от ископаемого топлива и способствует созданию более чистой окружающей среды.
• Повысить эффективность: Устройства и системы с автономным питанием повышают операционную эффективность и снижают потребление энергии в различных приложениях.

Типы технологий сбора энергии

Для сбора энергии из окружающей среды используется несколько технологий, каждая из которых подходит для определенных источников энергии и приложений. Вот обзор наиболее распространенных типов:

1. Сбор солнечной энергии

Сбор солнечной энергии использует фотоэлектрические (PV) элементы для преобразования солнечного света в электричество. Можно собирать энергию даже от комнатного освещения, хотя и с меньшей эффективностью. Достижения в технологии солнечных элементов делают их более эффективными и гибкими, что позволяет интегрировать их в различные устройства и поверхности.

Пример: Калькуляторы на солнечных батареях, наружное освещение и беспроводные датчики для мониторинга окружающей среды.

2. Пьезоэлектрический сбор энергии

Пьезоэлектрические материалы генерируют электричество при механическом напряжении или вибрации. Эта технология позволяет собирать энергию от движения человека, автомобильного трафика или промышленного оборудования.

Пример: Автономные датчики в мостах для мониторинга целостности конструкций, встроенные в обувь сборщики энергии для питания носимой электроники и вибрационные датчики в промышленном оборудовании.

3. Термоэлектрический сбор энергии

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) преобразуют разницу температур в электричество на основе эффекта Зеебека. С помощью ТЭГ можно улавливать отработанное тепло от промышленных процессов, выхлопных газов автомобилей или даже тепло человеческого тела.

Пример: Питание датчиков в трубопроводах за счет разницы температур между жидкостью и окружающей средой, системы рекуперации отработанного тепла в автомобилях и носимые устройства, питающиеся от тепла тела.

4. Сбор радиочастотной (РЧ) энергии

Сбор РЧ-энергии улавливает электромагнитные волны от радиосигналов, Wi-Fi роутеров и других устройств беспроводной связи. Собранная энергия может питать маломощные электронные устройства.

Пример: Беспроводные сенсорные сети, питающиеся от окружающих РЧ-сигналов, умные метки для управления запасами и беспроводная зарядка устройств в зонах с сильными РЧ-сигналами.

5. Сбор кинетической энергии

Сбор кинетической энергии преобразует механическое движение в электричество. Это может включать вибрации, вращения или линейные перемещения. Для этого преобразования используются различные методы, такие как электромагнитная индукция или трибоэлектрический эффект.

Пример: Сбор энергии от океанских волн, питание датчиков в ветряных мельницах за счет энергии вращения и использование датчиков движения в кардиостимуляторах.

Применение сбора энергии

Сбор энергии имеет широкий спектр применений в различных отраслях. Вот несколько ярких примеров:

1. Беспроводные сенсорные сети (БСС)

БСС — ключевая область применения сбора энергии. Эти сети состоят из множества небольших маломощных датчиков, которые отслеживают различные параметры, такие как температура, давление, влажность и вибрация. Сбор энергии может питать эти датчики, устраняя необходимость в замене батарей и обеспечивая долгосрочную автономную работу.

Пример: Мониторинг условий окружающей среды в удаленных лесах, отслеживание влажности почвы на сельскохозяйственных полях и мониторинг структурной целостности мостов и зданий.

2. Интернет вещей (IoT)

Экосистема Интернета вещей основана на обширной сети взаимосвязанных устройств. Сбор энергии может питать многие из этих устройств, уменьшая зависимость от батарей и открывая новые возможности применения. От устройств умного дома до систем промышленной автоматизации, сбор энергии может играть решающую роль в питании IoT.

Пример: Умные термостаты, питающиеся от окружающего света, камеры видеонаблюдения с автономным питанием и беспроводные датчики на заводах для предиктивного обслуживания.

3. Носимая электроника

Носимые устройства, такие как умные часы, фитнес-трекеры и медицинские датчики, становятся все более популярными. Сбор энергии может питать эти устройства, продлевая срок службы их батарей и открывая новые функциональные возможности. Для питания носимой электроники можно использовать тепло тела, движение и окружающий свет.

Пример: Умные часы, питающиеся от тепла тела, фитнес-трекеры, питающиеся от движения, и медицинские датчики, которые непрерывно отслеживают жизненные показатели.

4. Мониторинг инфраструктуры

Сбор энергии обеспечивает непрерывный мониторинг объектов инфраструктуры, таких как мосты, здания, трубопроводы и железные дороги. Беспроводные датчики, питаемые за счет сбора энергии, могут обнаруживать структурные повреждения, коррозию и другие потенциальные проблемы, что позволяет своевременно проводить техническое обслуживание и предотвращать катастрофические сбои.

Пример: Мониторинг структурной целостности мостов с помощью датчиков, питаемых от вибрации, обнаружение утечек в трубопроводах с помощью датчиков, питаемых от разницы температур, и мониторинг состояния железнодорожных путей с помощью датчиков, питаемых от вибрации.

5. Медицинские имплантаты

Сбор энергии может питать медицинские имплантаты, такие как кардиостимуляторы и нейростимуляторы, устраняя необходимость в замене батарей и снижая риск осложнений. Для питания этих устройств можно использовать тепло тела, движение и даже кровоток.

Пример: Кардиостимуляторы, питаемые от сердцебиения, нейростимуляторы, питаемые от тепла тела, и глюкометры, питаемые от ферментативных реакций.

6. Автомобильная промышленность

Сбор энергии может повысить эффективность и экологичность транспортных средств. Отработанное тепло от двигателя и выхлопной системы можно рекуперировать с помощью термоэлектрических генераторов. Также можно собирать энергию вибрации от системы подвески.

Пример: Термоэлектрические генераторы, преобразующие отработанное тепло в электричество, виброгасители, генерирующие электричество из вибраций автомобиля, и системы контроля давления в шинах, питающиеся от вращения колес.

Проблемы и будущие направления

Несмотря на огромный потенциал, сбор энергии сталкивается с рядом проблем:

• Низкая выходная мощность: Количество энергии, получаемой из окружающей среды, часто невелико, что ограничивает круг возможных приложений.
• Эффективность преобразования энергии: Эффективность преобразования энергии окружающей среды в полезную электрическую энергию нуждается в улучшении.
• Хранение энергии: Необходимы эффективные решения для хранения энергии, чтобы сглаживать прерывистый характер источников энергии окружающей среды.
• Стоимость: Стоимость устройств для сбора энергии может быть высокой, что ограничивает их широкое распространение.
• Факторы окружающей среды: На источники энергии окружающей среды могут влиять условия, такие как погода и время суток.

Однако текущие исследования и разработки направлены на решение этих проблем. Ключевые области включают:

• Передовые материалы: Разработка новых материалов с более высокой эффективностью преобразования энергии.
• Миниатюризация: Уменьшение размера и веса устройств для сбора энергии.
• Решения для хранения энергии: Разработка накопителей энергии большой емкости и с длительным сроком службы, таких как суперконденсаторы и микробатареи.
• Гибридный сбор энергии: Комбинирование нескольких технологий сбора энергии для увеличения выходной мощности и надежности.
• Алгоритмы оптимизации: Разработка алгоритмов, которые оптимизируют производительность сбора энергии в зависимости от условий окружающей среды и требований устройства.

Глобальные перспективы сбора энергии

Исследования и разработки в области сбора энергии ведутся по всему миру, при этом значительный вклад вносят различные страны и регионы:

• Северная Америка: Ведущие университеты и исследовательские институты в США и Канаде активно занимаются исследованиями в области сбора энергии, концентрируясь на передовых материалах, хранении энергии и разработке приложений.
• Европа: Европейский Союз профинансировал множество проектов по сбору энергии через свои программы исследований и инноваций, такие как Horizon 2020. Эти проекты направлены на разработку решений по сбору энергии для различных приложений, включая беспроводные сенсорные сети, носимую электронику и промышленную автоматизацию.
• Азия: Такие страны, как Япония, Южная Корея и Китай, активно инвестируют в исследования и разработки в области сбора энергии. Эти страны особенно сосредоточены на разработке решений для устройств IoT, умных городов и электромобилей.
• Австралия: Исследовательские учреждения в Австралии изучают технологии сбора энергии для приложений удаленного мониторинга и управления ресурсами, используя обширные и малонаселенные ландшафты страны.

Эти глобальные усилия стимулируют инновации в области сбора энергии и ускоряют внедрение этой технологии в различных отраслях.

Заключение

Сбор энергии — это многообещающая технология, которая способна коренным образом изменить способы питания электронных устройств и систем. Используя энергию окружающей среды, сбор энергии может снизить нашу зависимость от батарей, обеспечить работу беспроводных и автономных устройств и способствовать устойчивому развитию. Хотя проблемы остаются, текущие исследования и разработки прокладывают путь к широкому внедрению сбора энергии в различных приложениях. По мере роста спроса на устойчивые и эффективные энергетические решения сбор энергии будет играть все более важную роль в обеспечении энергией будущего.