Как и почему энергосбережение для маломощных приложений
В этой статье мы рассмотрим основы сбора энергии и обсудим, какие формы она может принять при очистке энергии из разных источников.
Что такое сбор энергии?
Уборка энергии - это захват и преобразование небольших количеств легкодоступной энергии в окружающую среду в используемую электроэнергию. Электрическая энергия кондиционируется как для прямого использования, так и для накопления и хранения для последующего использования. Это обеспечивает альтернативный источник питания для приложений в местах, где нет мощности сетки, и неэффективно устанавливать ветровые турбины или солнечные батареи.
Помимо открытых солнечных батарей, небольшие источники энергии обеспечивают большую энергию. Однако захваченная энергия адекватна большинству беспроводных приложений, дистанционному зондированию, имплантатам тела, RFID и другим приложениям в нижних сегментах спектра мощности. И даже если собранная энергия низка и неспособна подключить устройство, ее все равно можно использовать для продления срока службы батареи.
Уборка энергии также известна как поглощение энергии или сбор микро-энергии.
Почему энергия жатвы
Большинство маломощных электроники, таких как дистанционные датчики и встроенные устройства, питаются от батарей. Однако даже длительные батареи имеют ограниченный срок службы и должны заменяться каждые несколько лет. Замены становятся дорогостоящими, когда в отдаленных местах находятся сотни датчиков. С другой стороны, технологии энергосбережения обеспечивают неограниченный срок службы маломощного оборудования и исключают необходимость замены батарей там, где это дорого, непрактично или опасно.
Большинство приложений по сбору энергии рассчитаны на самообеспечение, экономичность и мало или вообще не требуют обслуживания в течение многих лет. Кроме того, мощность используется ближе всего к источнику, поэтому устраняются потери при передаче и длинные кабели. Если энергии достаточно для непосредственного питания устройства, приложение или устройство, питаемые энергией, могут работать без батареек.
Строительные блоки энергоуборочной системы
Процесс сбора энергии принимает различные формы, основанные на источнике, количестве и типе энергии, преобразуемой в электрическую энергию. В своей простейшей форме система сбора энергии требует источника энергии, такого как тепло, свет или вибрация, и следующие три ключевых компонента.
Рисунок (1) Основные компоненты системы сбора энергии. Изображение предоставлено урожаем -energy.com
- Преобразователь / комбайн: это энергосборочный комбайн, который собирает и преобразует энергию из источника в электрическую. Типичные преобразователи включают фотоэлектрические для света, термоэлектрические для тепла, индуктивные для магнитных, RF для радиочастот и пьезоэлектрические для колебаний / кинетической энергии.
- Хранение энергии: например, батарея или суперконденсатор.
- Управление питанием: это означает, что электрическая энергия в подходящей форме для применения. Типичные кондиционеры включают в себя регуляторы и сложные схемы управления, которые могут управлять мощностью, исходя из потребностей в мощности и доступной мощности.
Общие источники энергии
- Световая энергия: от солнечного света или искусственного света.
- Кинетическая энергия: от вибрации, механического напряжения или деформации.
- Тепловая энергия: отработанная энергия от нагревателей, трения, двигателей, печей и т. Д.
- Радиочастотная энергия: от радиочастотных сигналов.
Технологии энергосбережения
Уборка электроэнергии от нетрадиционных источников энергии с использованием термоэлектрических генераторов, пьезоэлектрических преобразователей и солнечных элементов по-прежнему остается проблемой. Для каждого из них требуется схема преобразования мощности для эффективного сбора, управления и преобразования энергии из этих источников в используемую электрическую энергию для микроконтроллеров, датчиков, беспроводных устройств и других маломощных схем.
Уборка кинетической энергии
Пьезоэлектрические преобразователи производят электричество при кинетической энергии от вибраций, движений и звуков, таких как тепловые волны или шум несущих двигателей от воздушных крыльев и других источников. Преобразователь преобразует кинетическую энергию от колебаний в выходное напряжение переменного тока, которое затем выпрямляется, регулируется и сохраняется в тонкопленочной батарее или суперконденсаторе.
Рисунок (2) Пьезоэлектрическая схема улавливания энергии Midé Volture. Изображение предоставлено Mouser
Потенциальные источники кинетической энергии включают движение, генерируемое людьми, акустический шум и низкочастотные колебания. Вот некоторые практические примеры:
- Блок дистанционного управления без батареек: мощность извлекается из той силы, которую использует при нажатии кнопки. Собранной энергии достаточно для питания схемы с малой мощностью и передачи инфракрасного или беспроводного радиосигнала.
- Датчики давления для автомобильных шин: Пьезоэлектрические датчики сбора энергии помещаются внутри автомобильной шины, где они контролируют давление и передают информацию на приборную панель, чтобы водитель мог ее видеть.
- Пьезоэлектрическая напольная плитка: кинетическая энергия людей, идущих по полу, преобразуется в электрическую энергию, которая может использоваться для основных услуг, таких как системы отображения, аварийное освещение, ворота для подачи питания и многое другое.
Сбор энергии
В этой схеме приемная антенна радиочастотной мощности собирает радиочастотный энергетический сигнал и подает его на радиочастотный преобразователь, такой как силовой преобразователь P2110 RF Powercast.
A P2110 Контрольная панель приемника Powerharvester. Изображение предоставлено гайками и вольтами (PDF)
Powerharvester преобразует низкочастотный радиочастотный сигнал в постоянное напряжение 5, 25 В, способное передавать ток до 50 мА. Можно создать бесконтактный беспроводной сенсорный узел, объединив датчики, P2110, радиомодуль и маломощный MCU.
Типичные применения для этих типов датчиков включают в себя автоматизацию зданий, интеллектуальную сеть, защиту, промышленный мониторинг и многое другое.
Рисунок (3) Powercast P2110 Сбор радиочастотной энергии для беспроводного датчика без батареек. Изображение предоставлено компанией Powercast
Сбор солнечной энергии
Маленькие солнечные элементы используются в промышленных и потребительских приложениях, таких как спутники, портативные источники питания, уличные фонари, игрушки, калькуляторы и многое другое. Они используют небольшую фотогальваническую ячейку, которая преобразует свет в электрическую. Для внутренних применений свет обычно не очень сильный, а типичная интенсивность составляет около 10 мкВт / см².
Таким образом, мощность от системы сбора энергии в помещении зависит от размера солнечного модуля, а также от интенсивности или спектрального состава света. Из-за прерывистой природы света, энергия от солнечных элементов обычно используется для зарядки батареи или суперконденсатора для обеспечения стабильного питания приложения.
Уборочная тепловая энергия
Термоэлектрические энергосборщики полагаются на эффект Зеебека, в котором напряжение создается разностью температур на стыке двух разнородных проводников или полупроводников. Система сбора энергии состоит из термоэлектрического генератора (ТЭГ), состоящего из массива термопар, соединенных последовательно с общим источником тепла. Типичные источники включают в себя водонагреватели, двигатель, заднюю панель солнечной батареи, пространство между силовым компонентом, таким как транзистор и его радиатор, и т. Д. Количество энергии зависит от разности температур, а также от физического размера TEG.
ТЭГ полезны для рециркуляции энергии, которая в противном случае была бы потеряна в виде тепла. Типичные применения включают в себя подключение беспроводных датчиков в промышленных системах отопления и других высокотемпературных средах.
Сбор энергии из нескольких источников
Производители, такие как Maxim, Texas Instruments и Ambient Micro разработали некоторые интегральные схемы с возможностью одновременного захвата различных видов энергии из нескольких источников. Объединение нескольких источников позволяет максимизировать пиковую энергию, а также обеспечивать энергию, даже когда некоторые источники недоступны.
Пример схемы, которая собирает энергию из нескольких источников, приведена ниже:
Рисунок (4) Maxim Integrated MAX17710 с несколькими источниками питания. Изображение предоставлено Maxim Integrated
Преимущества утилизации энергии
В окружающей среде есть много энергии, которая может быть преобразована в электрическую энергию для питания цепей.
Уборка энергоресурсов полезна, поскольку она обеспечивает электропитание электроники, где нет обычных источников питания, что устраняет необходимость частого замены батарей и проводов для завершения приложений. Таким образом, он открывает новые приложения в удаленных местах, под водой и в других труднодоступных местах, где аккумуляторы и обычная мощность не реалистичны.
Уборка энергоресурсов также в значительной степени не требует технического обслуживания и экологически чиста.
Приложения для технологий энергосбережения
Альтернативные источники питания обеспечивают возможность продления срока службы удаленных датчиков в промышленных, коммерческих и медицинских целях. Это позволяет устанавливать автономные датчики в труднодоступных или удаленных областях для обеспечения разнообразной информации и предупреждений. Эти датчики могут контролировать и предупреждать о загрязнении воздуха, изношенных подшипниках, мостах, лесных пожарах и т. Д.
Другие приложения включают:
- Системы дистанционного контроля коррозии
- Имплантируемые устройства и мониторинг удаленного пациента
- Структурный мониторинг
- RFID
- Интернет Вещей (IoT)
- Мониторинг оборудования
Желательные свойства приложений для сбора энергии
Поскольку энергия из собранных источников является прерывистой и небольшой, системы должны быть тщательно разработаны для эффективного захвата, состояния и хранения энергии. Системы также должны включать схемы для управления процессом зарядки и регулирования мощности для датчиков, микроконтроллеров и других маломощных нагрузок.
Цепь сбора урожая
Компоненты системы управления энергией должны иметь:
- Высокая энергетическая эффективность при захвате, накоплении и хранении небольших энергетических пакетов. Эффективность должна быть достаточно высокой, чтобы энергия, потребляемая схемой сбора энергии, была намного меньше энергии, полученной от источника.
- Удержание высокой энергии с минимальной утечкой или потерей при хранении энергии.
- Энергопитание, обеспечивающее соответствие выходного сигнала требованиям мощности для приложения или желаемой задачи.
- Допуск широкого диапазона напряжений, токов и других нерегулярных условий ввода.
Цепь применения
Схемы, получающие собранную энергию для применения, должны:
- Потребляйте минимальное количество электроэнергии, которое возможно при активном.
- Потребляйте самый низкий ток в режиме ожидания.
- Быть способным включать и выключать с минимальной задержкой.
- Работайте в низковольтном диапазоне.
Вывод
За последние несколько лет сбор энергии из нетрадиционных источников в окружающей среде вызвал повышенный интерес, поскольку дизайнеры ищут альтернативные источники энергии для маломощных приложений.
Несмотря на то, что собранная энергия небольшая и порядка милливатт, она может обеспечить достаточную мощность для беспроводных датчиков, встроенных систем и других маломощных приложений.