Збір енергії: живлення майбутнього за допомогою енергії навколишнього середовища

У світі, що дедалі більше зосереджується на стійкості та ефективності, збір енергії стає ключовою технологією. Також відомий як отримання енергії з навколишнього середовища або енергетичне сміттярство, цей процес полягає у захопленні невеликої кількості енергії з довкілля та перетворенні її на корисну електричну енергію. Ця стаття блогу розгляне принципи, технології, застосування та майбутній потенціал цієї захопливої галузі.

Що таке збір енергії?

Збір енергії — це захоплення відпрацьованої енергії з навколишнього середовища. Це може бути світло, тепло, вібрація або радіохвилі. На відміну від традиційних джерел енергії, що залежать від обмежених ресурсів, збір енергії використовує легкодоступну енергію довкілля. Зібрана енергія перетворюється на електричну для живлення невеликих електронних пристроїв, бездротових датчиків та інших малопотужних додатків, що потенційно усуває потребу в батареях або дротових джерелах живлення.

Чому збір енергії важливий?

Значення збору енергії полягає в його потенціалі:

• Зменшити залежність від батарей: Батареї потребують частої заміни, сприяють утворенню електронних відходів і можуть бути шкідливими для довкілля. Збір енергії пропонує стійку альтернативу.
• Забезпечити роботу бездротових та автономних пристроїв: Збір енергії живить пристрої у віддалених або недоступних місцях, дозволяючи безперервну роботу без технічного обслуговування.
• Сприяти сталому розвитку: Використовуючи відпрацьовану енергію, збір енергії зменшує нашу залежність від викопного палива та сприяє чистішому довкіллю.
• Покращити ефективність: Пристрої та системи з автономним живленням підвищують операційну ефективність та зменшують споживання енергії в різних застосуваннях.

Типи технологій збору енергії

Існує кілька технологій для збору енергії з навколишнього середовища, кожна з яких підходить для різних джерел енергії та застосувань. Ось огляд найпоширеніших типів:

1. Збір сонячної енергії

Збір сонячної енергії використовує фотоелектричні (PV) елементи для перетворення сонячного світла на електрику. Навіть освітлення в приміщенні можна збирати, хоча й з меншою ефективністю. Досягнення в технології сонячних елементів роблять їх більш ефективними та гнучкими, що дозволяє інтегрувати їх у різні пристрої та поверхні.

Приклад: калькулятори на сонячних батареях, вуличне освітлення та бездротові датчики для моніторингу навколишнього середовища.

2. П'єзоелектричний збір енергії

П'єзоелектричні матеріали генерують електрику під дією механічного напруження або вібрації. Ця технологія може збирати енергію від людського руху, руху транспортних засобів або промислового обладнання.

Приклад: самодостатні датчики в мостах для моніторингу структурної цілісності, вбудовані у взуття збирачі енергії для живлення носимої електроніки та вібраційні датчики в промисловому обладнанні.

3. Термоелектричний збір енергії

Термоелектричні генератори (ТЕГ) перетворюють різницю температур в електрику на основі ефекту Зеєбека. Відпрацьоване тепло від промислових процесів, вихлопних газів транспортних засобів або навіть тепла тіла може бути зібране за допомогою ТЕГ.

Приклад: живлення датчиків у трубопроводах за допомогою різниці температур між рідиною та навколишнім середовищем, системи рекуперації відпрацьованого тепла в автомобілях та носимі пристрої, що живляться від тепла тіла.

4. Збір радіочастотної (РЧ) енергії

Збір РЧ-енергії захоплює електромагнітні хвилі від радіосигналів, Wi-Fi роутерів та інших бездротових пристроїв зв'язку. Зібрана енергія може живити малопотужні електронні пристрої.

Приклад: бездротові сенсорні мережі, що живляться від навколишніх РЧ-сигналів, розумні теги для управління запасами та бездротова зарядка пристроїв у зонах із сильними РЧ-сигналами.

5. Збір кінетичної енергії

Збір кінетичної енергії перетворює механічний рух на електрику. Це можуть бути вібрації, обертання або лінійні рухи. Для цього перетворення використовуються різні методи, такі як електромагнітна індукція або трибоелектричний ефект.

Приклад: збір енергії з океанських хвиль, живлення датчиків у вітряках за допомогою енергії обертання та використання датчиків руху в кардіостимуляторах.

Застосування збору енергії

Збір енергії має широкий спектр застосувань у різних галузях промисловості. Ось кілька яскравих прикладів:

1. Бездротові сенсорні мережі (БСМ)

БСМ є ключовою сферою застосування збору енергії. Ці мережі складаються з численних невеликих малопотужних датчиків, які контролюють різні параметри, такі як температура, тиск, вологість та вібрація. Збір енергії може живити ці датчики, усуваючи потребу в заміні батарей та забезпечуючи довготривалу автономну роботу.

Приклад: моніторинг екологічних умов у віддалених лісах, відстеження вологості ґрунту на сільськогосподарських полях та моніторинг структурної цілісності мостів і будівель.

2. Інтернет речей (IoT)

Екосистема IoT покладається на величезну мережу взаємопов'язаних пристроїв. Збір енергії може живити багато з цих пристроїв, зменшуючи залежність від батарей та відкриваючи нові можливості для застосувань. Від розумних домашніх пристроїв до систем промислової автоматизації — збір енергії може відігравати вирішальну роль у живленні IoT.

Приклад: розумні термостати, що живляться від навколишнього світла, самодостатні камери безпеки та бездротові датчики на заводах для предиктивного обслуговування.

3. Носима електроніка

Носимі пристрої, такі як розумні годинники, фітнес-трекери та медичні датчики, стають все більш популярними. Збір енергії може живити ці пристрої, подовжуючи термін служби їхніх батарей та відкриваючи нові функціональні можливості. Тепло тіла, рух та навколишнє світло можуть бути використані для живлення носимої електроніки.

Приклад: розумні годинники, що живляться від тепла тіла, фітнес-трекери, що живляться від руху, та медичні датчики, які безперервно контролюють життєві показники.

4. Моніторинг інфраструктури

Збір енергії дозволяє безперервно контролювати об'єкти інфраструктури, такі як мости, будівлі, трубопроводи та залізниці. Бездротові датчики, що живляться від збору енергії, можуть виявляти структурні пошкодження, корозію та інші потенційні проблеми, дозволяючи своєчасно проводити технічне обслуговування та запобігати катастрофічним збоям.

Приклад: моніторинг структурної цілісності мостів за допомогою датчиків, що живляться від вібрації, виявлення витоків у трубопроводах за допомогою датчиків, що живляться від температури, та моніторинг стану залізничних колій за допомогою датчиків, що живляться від вібрації.

5. Медичні імплантати

Збір енергії може живити медичні імплантати, такі як кардіостимулятори та нейростимулятори, усуваючи потребу в заміні батарей та знижуючи ризик ускладнень. Тепло тіла, рух і навіть кровотік можуть бути використані для живлення цих пристроїв.

Приклад: кардіостимулятори, що живляться від серцебиття, нейростимулятори, що живляться від тепла тіла, та глюкометри, що живляться від ферментативних реакцій.

6. Автомобільна промисловість

Збір енергії може підвищити ефективність та стійкість транспортних засобів. Відпрацьоване тепло від двигуна та вихлопної системи можна рекуперувати за допомогою термоелектричних генераторів. Також можна збирати енергію вібрації від системи підвіски.

Приклад: термоелектричні генератори, що перетворюють відпрацьоване тепло на електрику, вібраційні демпфери, що генерують електрику з вібрацій автомобіля, та системи моніторингу тиску в шинах, що живляться від обертання коліс.

Виклики та майбутні напрямки

Незважаючи на величезний потенціал, збір енергії стикається з кількома викликами:

• Низька вихідна енергія: Кількість енергії, зібраної з навколишніх джерел, часто невелика, що обмежує кількість застосувань, які можна живити.
• Ефективність перетворення енергії: Ефективність перетворення енергії навколишнього середовища в корисну електричну енергію потребує вдосконалення.
• Зберігання енергії: Потрібні ефективні рішення для зберігання енергії, щоб компенсувати переривчастий характер навколишніх джерел енергії.
• Вартість: Вартість пристроїв для збору енергії може бути високою, що обмежує їх широке впровадження.
• Фактори навколишнього середовища: На джерела енергії навколишнього середовища можуть впливати умови довкілля, такі як погода та час доби.

Однак, поточні дослідження та розробки спрямовані на вирішення цих проблем. Ключові напрямки фокусу включають:

• Передові матеріали: Розробка нових матеріалів з вищою ефективністю перетворення енергії.
• Мініатюризація: Зменшення розміру та ваги пристроїв для збору енергії.
• Рішення для зберігання енергії: Розробка високоємних, довговічних пристроїв для зберігання енергії, таких як суперконденсатори та мікробатареї.
• Гібридний збір енергії: Поєднання кількох технологій збору енергії для збільшення вихідної потужності та надійності.
• Алгоритми оптимізації: Розробка алгоритмів, що оптимізують продуктивність збору енергії на основі умов навколишнього середовища та вимог пристрою.

Глобальні перспективи збору енергії

Дослідження та розробки у сфері збору енергії проводяться по всьому світу, зі значним внеском різних країн та регіонів:

• Північна Америка: Провідні університети та науково-дослідні інститути в США та Канаді активно займаються дослідженнями збору енергії, зосереджуючись на передових матеріалах, зберіганні енергії та розробці додатків.
• Європа: Європейський Союз профінансував численні проєкти зі збору енергії через свої програми досліджень та інновацій, такі як Horizon 2020. Ці проєкти спрямовані на розробку рішень для збору енергії для різних застосувань, включаючи бездротові сенсорні мережі, носиму електроніку та промислову автоматизацію.
• Азія: Такі країни, як Японія, Південна Корея та Китай, активно інвестують у дослідження та розробки у сфері збору енергії. Ці країни особливо зосереджені на розробці рішень для збору енергії для пристроїв IoT, розумних міст та електромобілів.
• Австралія: Науково-дослідні інститути в Австралії досліджують технології збору енергії для дистанційного моніторингу та управління ресурсами, використовуючи великі та малонаселені ландшафти країни.

Ці глобальні зусилля стимулюють інновації у сфері збору енергії та прискорюють впровадження цієї технології в різних галузях промисловості.

Висновок

Збір енергії — це перспективна технологія, яка має потенціал революціонізувати спосіб живлення електронних пристроїв та систем. Використовуючи енергію навколишнього середовища, збір енергії може зменшити нашу залежність від батарей, забезпечити роботу бездротових та автономних пристроїв та сприяти сталому розвитку. Хоча виклики залишаються, поточні дослідження та розробки прокладають шлях до широкого впровадження збору енергії в різних сферах застосування. Оскільки попит на стійкі та ефективні енергетичні рішення продовжує зростати, збір енергії готовий відігравати все більш важливу роль у живленні майбутнього.