تطبيقات جديدة لحصاد الطاقة

##إلقاء اللوم على الهاتف الخليوي

مع تحول الهواتف المحمولة من الهواتف التناظرية اللاسلكية إلى أجهزة الكمبيوتر المحمولة ، ظل المستخدمون يطالبون بالمزيد والمزيد من الميزات المستهلكة للطاقة ، مثل تصفح الويب ومقاطع الفيديو والألعاب والبريد الإلكتروني ، مع استمرار الحاجة إلى إطالة عمر البطارية. نظرًا لأن شركات تصنيع البطاريات لم تكن تساعد كثيرًا ، فقد ابتكر مصنعو أشباه الموصلات العديد من تقنيات توفير الطاقة لجعلها ممكنة. لقد كانت ناجحة بشكل واسع.

تعد الطاقة المنخفضة أهم معيار للتصميم الإلكتروني على مدار السنوات العشر الأخيرة على الأقل. بفضل قانون مور والكثير من المهندسين الأذكياء ، انخفضت مستويات طاقة أشباه الموصلات بشكل كبير ، وغالبًا ما استهلكت ملي واط في وضع التشغيل ووات النانوية في وضع الاستعداد. كنتيجة مباشرة ، أصبحت شبكات الاستشعار اللاسلكية ذات الطاقة المنخفضة للغاية ممكنة أخيرًا وكان اعتمادها مثيرًا. الآن ، تقف أجهزة الاستشعار وحدها في المناطق النائية أو التي يصعب الوصول إليها للتحذير من ضغوط البناء والجسور ، وتلوث الهواء ، وحرائق الغابات ، والانهيارات الأرضية المعلقة ، والمحامل البالية ، واهتزاز الجناح. تقع شبكات الاستشعار اللاسلكية منخفضة الطاقة في قلب العديد من التطبيقات الصناعية والطبية والتجارية.

ومع ذلك ، تعتمد الشبكةالخارجة عن النطاق ، وكذلك عُقد المستشعرات المحمولة ، على البطاريات للحصول على الطاقة وتواجه نفس مشكلة الهواتف المحمولة. في مثل هذه الحالات ، يُنصح بإطالة عمر البطارية عن طريق حصاد مصادر الطاقة البيئية - وغالبًا ما تكون متاحة مثل الضوء أو الحرارة أو الاهتزاز أو الحركة أو التردد اللاسلكي المحيط. إذا كانت متطلبات طاقة الجهاز منخفضة بدرجة كافية وكان استبدال البطارية صعبًا أو مكلفًا ، فقد يكون من الممكن الاستغناء عن البطارية تمامًا والاعتماد بشكل حصري على حصاد مصادر الطاقة المحيطة للحصول على الطاقة. أدى الجمع بين وحدات MCU منخفضة الطاقة وحصاد الطاقة إلى ظهور مجموعة كبيرة من التطبيقات التي لم تكن ممكنة في السابق.

سوق حصاد الطاقة كبير وينمو بسرعة. وفقًا للمحللين في IDTechEx ، كان حصاد الطاقة سوقًا بقيمة 0.7 مليار دولار في عام 2012 ومن المتوقع أن يتجاوز 5 مليارات دولار بحلول عام 2022 ؛ بحلول ذلك الوقت ، سيتم تشغيل 250 مليون جهاز استشعار من مصادر حصاد الطاقة. سيصل سوق حصاد الطاقة الحرارية وحدها إلى 865 مليون دولار بحلول عام 2023.

التقنيات والتطبيقات الحالية

هناك العديد من تقنيات حصاد الطاقة شائعة الاستخدام ، مع بعض التقنيات المبتكرة في الأفق. مصادر الطاقة الأكثر شيوعا هي الضوء والحرارة والاهتزاز ، والترددات اللاسلكية. في حالة عدم وجود الألواح الشمسية الموجودة على السطح ، لا يولد أي منها قدرًا كبيرًا من الطاقة (انظر الشكل 1) ، ولكن قد تكون واحدة أو أكثر منها كافية لتشغيل الاجهزة منخفضة الطاقة في بيئة معينة.

شمسي

لا يكاد يوجد منزل أو مكتب لا يحتوي على آلة حاسبة واحدة تعمل بالطاقة الشمسية على الأقل - في الواقع ، آلة حاسبة مزودة ببطارية تعمل بخلايا معدنية وخلية ضوئية صغيرة للوحة الأمامية لتركيبها. تعمل خلايا السليكون المتعددة الكريستالات أو خلايا الأغشية الرقيقة هذه على تحويل الفوتونات إلى إلكترونات بكفاءة نموذجية تتراوح من حوالي 15 إلى 20٪ للخلايا الكريستالية و 6 إلى 12٪ لخلايا الأغشية الرقيقة. نظرًا لأن الطاقة المتاحة من الإضاءة الداخلية عادة ما تكون حوالي 10 µW / cm² ، فائدتها تعتمد على حجم الوحدة بالإضافة إلى التركيب الطيفي للضوء.

تُستخدم الخلايا الشمسية الصغيرة بشكل متكرر في التطبيقات الاستهلاكية والصناعية ، بما في ذلك الألعاب والساعات والآلات الحاسبة وأدوات التحكم في إضاءة الشوارع وإمدادات الطاقة المحمولة والأقمار الصناعية. نظرًا لأن مصادر الضوء تميل إلى أن تكون متقطعة ، يتم استخدام الخلايا الشمسية لشحن البطاريات و / أو المكثفات الفائقة لتوفير مصدر طاقة ثابت.

الحرارية

يستغل الحصادون الحراريون تأثير Seebeck ، حيث يتم إنشاء الجهد عند وجود فرق في درجة الحرارة عند تقاطع اثنين من المعادن المتباينة. تتكون المولدات الحرارية (TEGs) من مجموعة من هذه المزدوجات الحرارية متصلة معًا في سلسلة بمصدر حرارة مشترك مثل المحرك أو سخان الماء أو حتى الجزء الخلفي من الألواح الشمسية. يعتمد الإخراج على حجم TEG وفرق درجة الحرارة الذي يمكن الحفاظ عليه. عادةً ما يتم استخدام TEGs لتشغيل عقد أجهزة الاستشعار اللاسلكية في البيئات ذات درجات الحرارة العالية مثل أنظمة التدفئة الصناعية. يمكن لـ TEG التي يتم تركيبها بين ترانزستور طاقة وغرفة التبريد الخاصة بها أن تعيد تدوير بعض الطاقة التي يمكن أن تضيع كحرارة.

تقوم وحدات حصاد الطاقة الحرارية TE-CORE7 من Micropelt بتحويل حرارة النفايات المتاحة محليًا لتوفير التشغيل الطويل للأجهزة منخفضة الطاقة. يحول TE-CORE TEG الحرارة إلى شحنة كهربائية يتم تعزيزها بعد ذلك وتخزينها في مكثف بقوة 100 درجة فهرنهايت ، ويتم تنظيمها لتوفير ما يصل إلى 5.5 فولت. يمكن لـ TE-CORE7 ، التي تعمل عند درجة حرارة 50 مئوية ، توفير 6.424mAh سنويًا ، أي ما يعادل ثلاث إلى أربع بطاريات AA - وعلى هذا المعدل ، يجب تغيير البطاريات كل بضعة أشهر.

.إن إجبار التيار على التدفق خلال تقاطع المعادن المتباينة سيؤدي إلى انتقال الحرارة من الوصلة الساخنة إلى التقاطع البارد - تأثير بلتيير ، في الأساس عكس تأثير سيبيك. تأثير بلتيير هو الأساس لمضخات الحرارة الحرارية.

كهروضغطي كهربي إجهادي

 تقوم محولات الطاقة الكهروإجهادية بتوليد الكهرباء عند إجهادها ، مما يجعلها مرشحة جيدة لمستشعرات الاهتزاز عند استخدامها في وحدات حصاد الطاقة التي تكشف عن الضوضاء الحاملة للمحركات واهتزاز أجنحة الطائرات.  توظف حصادة الطاقة الاهتزازية من Midé Volture ™ V-20W ناتئًا يصل إلى بلورة كهرضغطية.  عندما تعمل الاهتزازات على ضبط الكابولي في الحركة ، فإنها تولد جهد خرج التيار المتردد الذي يتم تصحيحه وتنظيمه وتخزينه في مكثف فائق أو بطارية غشاء رقيق.

.تردد الراديو - RF

يعمل RFID عن طريق تصحيح إشارة محلية قوية (وليس RF محيط) موجهة مباشرة إلى المستشعر. وبالمثل ، يحول جهاز الاستقبال P2110 RF Powerharvester ™ من Powercast إشارات التردد المنخفض إلى 5.25 فولت ، مما يوفر ما يصل إلى 50 مللي أمبير من خرج التيار. بالاقتران مع وحدة MCU منخفضة الطاقة وأجهزة استشعار ووحدة راديو ، يمكن أن يوفر P2110 عقدة استشعار لاسلكية كاملة خالية من البطاريات والتي يمكن أن تعمل مع أقل من 11.5dBm RF. تتضمن تطبيقات الجهاز أجهزة استشعار لاسلكية خالية من البطاريات للمراقبة الصناعية والتشغيل الالي للمباني والتطبيقات الذكية للشبكات والزراعة والدفاعية. Nantennas

تعد الخلايا الضوئية مصدر الحصاد الأكثر استخدامًا على نطاق واسع ، لكنها ليست فعالة جدًا. أفضل الخلايا الكهروضوئية أحادية البلورة - مع أقصى كفاءة نظرية من 30 ٪ - تعمل بشكل جيد لتتصدر كفاءة 20 ٪. الآن قام العلماء في جامعة ميسوري ومختبر أيداهو الوطني بتطوير فيلم شمسي مرن يمكنه تحقيق نظري كفاءة بنسبة 90 ٪.

على عكس الخلايا الفولتية الضوئية التقليدية ، فإن الفيلم هو في الأساس مجموعة من النانو نانتانا (أو "النانتينا") ، يتم ضبط كل منها على تردد محدد من الضوء. بدلاً من توليد أزواج من ثقب الإلكترون المفرد ، كما في حالة الكهروضوئية ، فإن الحقل الكهرومغناطيسي الوارد من الشمس يستحث تيارًا في الهوائي يتم جمعه عند نقطة التغذية ، وتصحيحه وتخزينه. يمكن تكوين مجمعات الكهرومغناطيسية النانوية (NEC) كسطح انتقائي للتردد لامتصاص الطيف الشمسي بالكامل. أو يمكن تكوين NECs كمرشح ممر الموجة العاكس المتمركز على طول موجة من 6.5µm ؛ هذا سيمكنهم من امتصاص الأشعة تحت الحمراء ، وبالتالي إعادة تدوير حرارة النفايات من المحركات والأفران ومصادر الطاقة الأخرى ذات درجة الحرارة العالية.

لقد تم بنجاح تصميم أجهزة NEC على ركائز السيليكون والبولي إيثيلين ، إلا أن تطوير عمليات الإنتاج الضخم الاقتصادية يتطلب المزيد من التمويل والوقت. يتوقع الباحثون منتجًا يكمل الألواح الشمسية الكهروضوئية التقليدية عن طريق الحصول على طاقة الأشعة تحت الحمراء غير المستخدمة حاليًا. كفيلم ، يمكن دمجها في مواد البناء والبنية التحتية. يمكن دمج NECs في مواد البوليمر بحيث يمكن أيضًا دمجها في جلد الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية لشحن البطاريات بشكل مستمر.

أدى تطوير وحدات MCU منخفضة الطاقة إلى إنشاء سوق ضخم وسريع لتحصيل الطاقة أصبح يعتمد عليه بشكل متزايد. أدت الموجة الأولى من حصاد الطاقة إلى ظهور أجهزة استشعار لاسلكية منخفضة الطاقة ، والتي تظهر على ما يبدو في كل مكان. ولكن تأثير ripple سيستمر في جميع أسواق المستهلكين والصناعات الطبية والأسواق الطبية ، مما يخلق تطبيقات جديدة لا يمكننا إلا أن نتخيلها. سواءً كان التخطيط للأجهزة المحمولة التي تعمل بالبطاريات أو الرغبة في تحسين كفاءة استخدام الطاقة في الأجهزة الأكبر حجمًا ، يجب على جميع مهندسي التصميم التفكير في دمج تقنيات حصاد الطاقة في منتجاتهم. تحقق من مجموعة واسعة من أجهزة حصاد الطاقة في موقع حصاد الطاقة في Mouser Electronics 'لمعرفة المزيد.

جون دونوفان ، للإلكترونيات