TLL Media | Инженеринг ревю | IndustryInfoBG | South-East European INDUSTRIAL Market | Български Технически Каталог | Енерджи Инфо БГ | ТД ИНСТАЛАЦИИ | Екология & Инфраструктура
 
 
 
TLL Media Българското специализирано техническо списание за енергетика
НАЧАЛО     ENGLISH
Търси
TLL Media
TLL Media
ИздателствотоЗа изданиетоАрхивАбонамент РекламаКонтактиПредстоящо
TLL Media
 

ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИКА

Енерджи ревю » Сп. Енерджи ревю - брой 1, 2011, Април
Energy Harvesting технологии

Събиране и преобразуване на енергия чрез автономни миниатюрни електрозахранвания

     Производството на електричество чрез използване на енергиите на течащата вода, вятъра и слънцето се практикува отдавна, като в последно време рязко нараства делът на последните два енергоизточника. Така произведените количества електроенергия се предоставят чрез електрическата мрежа за ползване от свързаните към нея потребители.
Развитието на технологиите обаче, създаде една нова, важна и бързо увеличаваща се група от консуматори, които за работата си се нуждаят от много малко електроенергия. Осигуряването й чрез свързването им към електрическата мрежа крие неудобства, когато те се намират на отдалечени места и е трудно или дори невъзможно, когато са разположени върху подвижни обекти. Характерен пример са безжичните сензорни и трансмитерни модули, намиращи все по-широко приложение в индустрията, сградната автоматизация и комуникационните системи. Класическият метод за захранване посредством батерии изисква регулярната им подмяна, което увеличава разходите по поддръжката, включително заради намесата на обслужващ персонал. Използването на акумулатори пък налага периодичното им зареждане. Същевременно, в резултат на природни явления и човешка дейност, се отделят неголеми количества различна енергия, която би могла да бъде преобразувана в електрическа и използвана за захранване на устройства с ниска консумация. Този процес се обозначава с все по-популярните термини Energy Harvesting, Energy Scavenging, който би могъл да се преведе на български като улавяне или събиране на енергия. Извършващите го устройства се наричат Energy Harvester (EH) и по своята същност са преобразуватели на енергия. Настоящият материал е посветен на принципите на тяхното действие и особеностите на използването им.

Необходимост и особености
При използването на ЕН отпада нуждата от батерии (а понякога и на акумулатори) и чрез тях се избягват случаите, когато, въпреки необходимостта от сензори, те не се поставят заради трудностите и дори невъзможността за реализиране на захранването им. Най-характерни от многобройните възможни области на приложение на ЕН са следните:
Сензори за контрол на състоянието на статични конструкции и съоръжения (Structural Health Monitoring). Това са мостове, сгради, железопътни линии и други подобни, на определени места от които се поставят сензори за регистриране на малки изменения на геометричните размери. Надхвърлянето на определена граница сочи опасност от повреда, която може да се избегне чрез своевременно взимане на съответните мерки. Друг пример са сензорите за контрол на течове на петролопроводи и газопроводи.
Контрол на състоянието на машини и превозни средства. Увеличаването на вибрациите над определена граница (регистрирано чрез подходящи сензори) означава наличие на предпоставка за повреда и налага своевременен ремонт. При електродвигатели и двигатели с вътрешно горене по-големите вибрации обикновено са следствие от повреда на лагери или разбалансиране. Особено съществен е контролът на важните части на самолети и вертолети. Чрез такъв контрол летателният ресурс на един тип бойни самолети е бил увеличен от определените от конструкторите 6000 до 13 000 часа. Аналогичен контрол е възможен и в автомобилите, например на двигателя, скоростната кутия и гумите, като при това не е задължително като източник на информация да се ползват само вибрациите. Освен това, ЕН биха могли да се използват не само за захранване на сензори, но и за осигуряване на част от необходимата електроенергия за функциониране на различните системи в автомобила, което би намалило разхода на гориво, а вероятно и необходимия капацитет и съответно размери, тегло и цена на акумулатора.
Контрол на състоянието на пациенти (Human Health Monitoring). Основното тук е захранването на монтирани върху кожата и имплантирани сензори за следене на жизнените функции на възрастни и рискови пациенти в домашна обстановка, на такива в процес на възстановяване, на здрави хора по време на фитнес упражнения и на спортисти при тренировки. ЕН могат да се използват и за захранване на слухови апарати.
Контрол на околната среда. В предприятия с опасни производства и околностите им, чрез сензори се следи за наличието на определени вредни вещества във въздуха и водите. В земеделското стопанство се контролират параметрите на почвата (например влажност и соленост), които са важни за подходящата и своевременна обработка и засяване. По подобен начин се наблюдава състоянието на дърветата на горски масиви. Съществуват приложения на ЕН и за захранване на буйовете около пристанищата.
Битова електроника. ЕН могат да се използват за битови апаратури с малка консумация - Bluetooth устройства, електронни часовници, радиоприемници, калкулатори и други подобни, а в по-далечно бъдеще и на подвижни телефони. Вече са създадени експериментални модели на приемо-предаватели с нищожна консумация, които могат да бъдат захранвани от различни ЕН с примерно приложение за връзка с хора, изпаднали в беда.
Сградни инсталации. Прекарването на електрически и комуникационни инсталации, особено във вече завършени сради, може да бъде ограничено чрез безжични задаващи и изпълнителни модули. Това с особена сила се отнася за сензорите за присъствие и тези за автоматично управление на осветлението и климатичните инсталации. Така например, експерименталното монтиране на такива ключове и сензори за управление на осветлението в нова сграда е позволило спестяване на 32 km проводници и 1700 батерии годишно, към което се прибавят значително по-големите възможности за бъдещи изменения и подобрения на инсталациите.
Специфични особености на ЕН са малкото количество на произвежданата електроенергия и генерирането й само в определени интервали от време (понякога твърде къси), а не непрекъснато. За осигуряване на непрекъснато захранване трябва те да съдържат подходящ елемент за съхраняване на енергия. Не по-малко важно е, че тези ЕН не се нуждаят от поддръжка и че в момента експлоатационният им срок е средно 20 години. Немаловажна особеност са техните твърде малки размери и тегло. Цената им, понастоящем неколкократно по-висока от тази на заместваните батерии, би трябвало да намалее с увеличаване на произвежданите количества.

Автономни безжични сензори
Базовата им структура е показана на фиг. 1а, като външната енергия En се преобразува в електрическа от ЕН, който осигурява на изхода си постоянно напрежение. То постъпва в блока ESPM за съхраняване на енергията чрез зареждане на акумулатор или суперкондензатор, като на изхода му е необходимото стабилизирано постоянно напрежение Ео за работа на останалите блокове. Електрическият сигнал от сензора (или сензорите) S се преобразува в цифров от аналоговоцифровия преобразувател ADC и постъпва в блока МС, който е микроконтролер или микропроцесор. Последният управлява цялостното функциониране на безжичния сензор, включително записа на събираните данни в паметта МЕМ. Изпращането на данните и приемането на управляващи сигнали се извършва от приемо-предавателя ТХ. Една от важните задачи на МС е да осигурява максимално икономичната работа на сензора, например чрез включване на ADC само по време на измерване и на ТХ само при обмен на данни с други устройства. Като пример на фиг. 1б е показан безжичен сензор за захранване от Еnergy Нarvester, който има 12-разреден АЦП, памет за 106 измервани стойности и може да прави до 50 000 измервания в секунда.

Основни параметри на ЕН
Възможностите на батериите и акумулаторите да осигуряват захранването на електрически товари се оценява на първо място чрез енергията (в Ah или mAh), която те съдържат. За същата цел при ЕН сравнително рядко се използва енергията от единица техен обем с измерение mJ/cm3. По-често се работи с мощността (Power Density) PD в mW или mW на техния изход при определена стойност на преобразуваната величина. От гледна точка на съвременните приложения на ЕН се счита, че минималната им PD трябва да е 200 mW. Освен това може да се използва и нормализираната мощност (Normalised Power Density) NPD, представляваща отношение на PD и площта на ЕН (измерение mW/cm2 и по-рядко mW/cm2) или на PD и обема (най-често с измерение
nW/mm3). Напрежението на ЕН зависи от принципа на действието им и е в твърде широки граници – от няколко десетки mV до няколко V. В процеса на преобразуване част от енергията неизбежно се губи, поради което съществен параметър е коефициентът на полезно действие (Efficiency), показващ каква част от входната енергия се преобразува в електрическа.

Фотоелектрични ЕН
Те превръщат светлинната енергия в електрическа и работят на принципа на фотоволтаичните панели. Известни са като Solar Harvester и Solar-Energy Harvester, въпреки че се използват и при изкуствено осветление. Реализират се на основата на силиций (най-често аморфен) и поради средния си к. п. д. от 10% осигуряват при нормална слънчева светлина (1000 W/m2) типична мощност 10 mW/cm2, докато при нормално изкуствено осветление (на което може да се чете) мощността е около 10 uW/cm2. Тъй като напрежението на една клетка е средно 0,5 V, за увеличаването му могат да се свързват последователно повече клетки с еднаква площ. Като пример на фиг. 2 е показан експериментален модел на сензор с обем 9 mm3 за имплантиране в човешко око, който измерва температура и очно налягане. Преобразувателят осигурява напрежение 1 V и ток между 20 nA и 2 mA в зависимост от интензитета на светлината. Захранващият блок го увеличава до 3,6 V за зареждане на тънкослойния литиев акумулатор с капацитет 12 uAh. Микропроцесорът включва сензора на всеки 15 минути, записва данните му в паметта и го изключва до следващото измерване.
Друг пример е експериментално реализирана комбинация на фотоелектричен преобразувател и интегрална схема (ИС) на захранващ и управляващ блок, предназначена за безжични сензори, работещи на изкуствено осветление между 250 и 2400 lx, като в ИС е вграден и необходимият високочестотен блок за връзка на сензора. Последният пример (фиг. 3) е на терморегулатор за помещения с вграден предавател, захранван от околната светлина.

Термоелектрични ЕН
Като принцип те съществуват твърде отдавна, но доскоро имаха силно ограничени, често екзотични приложения - например ЕН, поставен върху шишето на газена лампа захранва малък транзисторен радиоприемник. Днес имат сериозно развитие на основата на новите технологии. Обикновено се наричат термоелектрични генератори (Thermoelectric Generator) TEG и се основават на ефекта на Зеебек, който представлява появата на електрическо напрежение между два различни проводника с температурна разлика между тях. Следователно, те преобразуват топлинната в електрическа енергия, чиято големина е правопропорционална на температурната разлика и коефициента на Зеебек на проводниците. При големи негови стойности може да се получи значителна енергия с малка температурна разлика, като засега най-добри са р- и n-полупроводниците от бисмутов телурид. Напрежението върху прехода между тях е около 0,7 V, а за по-големи стойности се свързват последователно повече преходи, които конструктивно се поставят между две керамични пластинки (фиг. 4).
Предимствата на TEG са липсата на движещи се части, високата надеждност и дългият експлоатационен срок (около 20 години), към които се прибавя възможността за обратно преобразуване на електрическа в топлинна енергия и съответно работа като нагреватели. Като основен недостатък е малкият к. п. д. с типични стойности около 10%, които намаляват дори под 5% при малка температурна разлика. За неговото повишаване се търсят материали с малко електрическо и голямо топлинно съпротивление, които да могат да работят при голяма температурна разлика.
Съществуващите и очакваните приложения на TEG са твърде разнообразни. Все по-често те се използват в самолети, където температурната разлика между кабината и околния въздух може да надхвърли 50 °С. В някои космически апарати TEG осигуряват мощност до няколко kW, като топлината се получава от радиоактивен източник на основата на полоний-238. На същия принцип, но с използване на тритий, е реализиран пазарно предлаган TEG с 125 mW/cm3 и експлоатационен срок над 12 години. Предимствата на тези TEG (добиващи популярност като атомни батерии) спрямо галваничните елементи са по-голямата енергия от единица обем и по-дългият експлоатационен срок. При това те са безопасни за хората и електрониката поради работата с a- и b-частици. Нарастват приложенията на миниатюрни TEG от този вид за захранване на пейсмейкъри и се очаква използването им за захранване на сензори и безжични устройства.
Монтирането на TEG на ауспуха на автомобили може да осигури значителни мощности. Такива експериментални TEG са с мощност между няколко десетки W и малко над 1 kW, например 266 W от бензинов двигател с обем 2000 cm3 и 1 kW в камион с дизелов двигател. Така се намалява разходът на гориво и се очертава възможност за замяна на алтернатора на автомобила с TEG. В момента TEG се използват за зареждане на акумулаторите на някои хибридни автомобили. По подобен начин работят TEG, монтирани върху тръба с топла вода, например на парното отопление (фиг. 5). При обем 10 cm3 и температурна разлика 30 °С те осигуряват мощност десетина mW.
Разработват се и миниатюрни TEG (Micro-TEG) с много малка мощност. Примери са TEG за ръчни електронни часовници с напрежение около 0,2 V и мощност между няколко десети и няколко mW (при температурна разлика между ръката и въздуха от 2 °С се получават 0,2-0,3 mW) и тънкослоен с мощност 1,5 mW при площ 0,5 cm2. На фиг. 6 е даден външният вид на TEG за безжични сензори, монтиран в алуминиев болт с дължина 55 mm и диаметър 38 mm. При завиването му в гнездо към тръба с топла вода той има мощност между 0,2 и 15 mW в зависимост от температурната разлика, а вграденият преобразувател на напрежение може да осигури желани стабилизирани негови стойности между 1,2 и 5 V.

Пиезоелектрични ЕН
Наименованието им (Piezoelectric EH) се дължи на използването на пиезоефекта, представляващ създаване на електрическо напрежение поради механични деформации, т. е. механична енергия се преобразува в електрическа. Основният материал за ЕН е оловно-циркониевият титанат (PZT) и най-често се използват вибрациите, характерни за всички машини. Идея за структурата на такъв ЕН е дадена на фиг. 7а. Към вибриращия детайл е закрепена пружинираща конзола (дължина около 50 mm) с пиезокристал от двете й страни и тежест (стотина грама) в края. Конзолата и тежестта се избират така, че честотата на механичния им резонанс да съвпада с тази на вибрациите (обикновено между няколко Hz и няколко стотици Hz) за получаване на максимална електрическа енергия, като амплитудата е от няколко микрона до няколко mm. Съществуват и разновидности с нанесен PZT върху две пластини (фиг. 7б), поставени в кутия за закрепване върху вибриращия детайл. За разлика от предните два вида ЕН, тук полученото напрежение е променливо, което налага в ESPM на фиг. 1а да има токоизправител, обикновено еднополупериоден. Мощността на ЕН е между няколко стотици uW и няколко десетки mW, като практически зависи линейно от амплитудата и честотата на вибрациите. Обемът на ЕН е между няколко cm3 и 100 cm3, а теглото – няколко десетки грама. На фиг. 8a е показан ЕН с обем 4,3 cm3, тегло 38,5 g и мощност 37 mW за монтиране върху редуктора на хеликоптер. Друг пример е използването на ЕН с дължина 45 mm за захранване на 3 сензора за измерване на температурата на променливотоков електродвигател и предаване на данните от тях чрез приемо-предавател по стандарта ZigBee. Закрепването на модула върху двигателя е показано на фиг. 8б.
Вибрации на механична система се получават и при еднократно механично въздействие върху нея. На този принцип са създадени безжични бутони, енергията за които се създава при натискането им. Друг пример (фиг. 8в) е осигуряване на работата на електронен калкулатор за около 30 s чрез неколкократното му разтърсване. Логично е да се очакват подобни приложения и в дистанционните управления на битови и други апаратури.
За реализиране на ЕН с много малки размери е разработен миниатюрен преобразувател с микронишки (дължина 0,5 mm и диаметър 60 nm) от PZT (фиг. 9). При огъване на носещата пластинка се получава напрежение около 1,6 V и мощност 30 nW.

Други ЕН
Първият тип са електромагнитните ЕН (Electromagnetic EH, Electrodynamic EH, Inductive Generator), при които движението на постоянен магнит спрямо фиксирана бобина индуцира в нея променливо напрежение. Движението може да е в резултат на вибрации от ходенето на човек или механично въздействие. Пример за последното е безжичен бутон (фиг. 10), при чието натискане магнитът се завърта около оста си, а ЕН произвежда достатъчно енергия за излъчване на сигнал от вградения предавател. Очакват се приложения на тези ЕН за получаване на мощности от няколко стотици mW при вибрации с голяма амплитуда. Създаден е и лабораторен модел с размери няколко mm на основата на микроелектромеханичните системи (MEMS), който при честота на вибрациите 4 MHz осигурява мощност 0,3 mW.
Друг тип са електростатичните ЕН (Electrostatic EH, Electrostatic Generator), които използват промяната на количеството електричество и съответно натрупаната енергия в кондензатор при движение на една от неговите пластини. Засега има експериментални модели главно на основата на MEMS технология. Един от тях осигурява 100 mW при вибрации с амплитуда 20 mm и честота 1,2 kHz, а друг - 0,12 mW при амплитуда 1 mm и честота 45 Hz. Специфична особеност на тези ЕН е необходимостта от захранващ източник (обикновено батерия) с напрежение няколко V, който да осигури първоначалния заряд на кондензатора.
Трети вид са ЕН, които създават необходимата енергия чрез тази на високочестотни електромагнитни полета (RF Energy Harvesting). Основният им блок е комбинация на антена с токоизправителен прибор (диод на Шотки или полеви транзистор с плаващ гейт), наречена rectenna. Съществено предимство са големите стойности на к. п. д., достигащи 90%. Тези ЕН вече масово се използват за захранване на голямата част от приемниците в системите за радиочестотна идентификация (вж. статията “Радиочестотната идентификация” в сп. Инженеринг ревю, 9/2009). Тъй като електромагнитните полета са реално навсякъде, тези ЕН могат да се използват и за захранване на сензори с малка консумация на произволни места. Специфично очаквано приложение са сензорите за контрол на работата на мрежи високо напрежение, ползвайки енергията на създаденото от тях електромагнитно поле. Работи се сериозно и за реализацията на зарядни устройства за подвижни телефони с такива ЕН, като вече има експериментални модели на няколко фирми. Създадена е система за прехвърляне по безжичен път вместо чрез кабели на мощност до 60 W между битови устройства на разстояние 50 cm. Има експериментални ЕН и за прехвърляне на мощности до 1 W на разстояние до 60 cm чрез насочени електромагнитни вълни с честота 10 GHz.
Следващ вид са ЕН, ползващи енергията на човешкото тяло, като съществуват пасивни и активни ЕН. Вторите използват специални дейности с цел получаването на електрическа енергия, докато при първите тя е естествено отделяната от организма и се очаква получаването от тях на следните типични мощности: няколко W при ходене, няколко десети от W при движение на ръцете и дишане, няколко W от топлината на тялото и няколко десети от W от кръвното налягане. Например чрез PZT в обувките е получена мощност до десетина mW, като се очакват приложения за зарядни устройства и портативни прибори. Чрез електромагнитни ЕН също в обувките е получена мощност няколко десети от W. Правят се опити за ползване на енергията при натискане на клавишите на лаптопи за зареждане на акумулатора им.
Накрая трябва да се споменат и възможностите за ползване на естествено протичащите в дърветата биологични процеси (Bioenergy Harvesting) за реализация на ЕН. Вече се произвежда патентован сензор за измерване на параметрите на околната среда, който получава енергията си чрез забождане в корен на дърво.
В табл. 1 е дадено съвременното състояние и прогнозите за развитие на различните видове ЕН, изготвено от компаниите Vodera и Zartech. Вижда се, че единствените намиращи се в експлоатация ЕН са пиезоелектричните, а до няколко години се очаква въвеждането на електромагнитните за вибрации и фотоелектричните. Останалите видове изискват още значителна изследователска работа, докато намерят масово практическо приложение.



Етикети:  

Други статии от рубрика Електроенергетика


« Назад
Via Expo
BPVA
Екология и Инфраструктура
 
TLL Media
WebDesignBG            © 2018 TLL Media        Начало   |   Политика за поверителност и защита на личните данни   |   Права за ползване   |   XML    
TLL Media
TLL Media