По мере того как мир становится всё более взаимосвязанным благодаря Интернету вещей (IoT), инженеры и разработчики систем сталкиваются с растущей проблемой: как надёжно обеспечить питанием миллиарды устройств, разбросанных по заводам, городам, офисам и даже на нашем теле. Традиционные источники питания, такие как батареи, могут быть громоздкими, требовать частой замены и часто не справляются с задачей в удалённых или труднодоступных условиях.

На помощь приходит сбор энергии (energy harvesting) — революционный подход, который улавливает окружающую энергию из внешней среды и преобразует её в пригодную для использования электрическую энергию. Для инженеров-электриков, закупающих компоненты у таких дистрибьюторов, как OLC, а также для специалистов по закупкам, отвечающих за эффективность цепочки поставок, понимание принципов сбора энергии становится крайне важным. 

Что такое сбор энергии?

Сбор энергии (также известный как энергетический скавенджинг) — это процесс улавливания и преобразования небольших количеств энергии из внешних источников, таких как тепло, движение, свет или электромагнитные поля, в электрическую энергию. Такие источники собранной энергии способны питать сверхмаломощную электронику, например датчики IoT и беспроводные передатчики, устраняя или минимизируя необходимость в батареях или проводном питании.

Хотя вырабатываемая энергия обычно невелика — как правило, от микроватт до нескольких милливатт, — её часто оказывается достаточно для нужд встраиваемых систем, особенно в сочетании с энергоэффективными компонентами и интеллектуальными решениями для накопления энергии.

Теперь рассмотрим некоторые из наиболее значимых технологий сбора энергии и принципы их работы.

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ)

Как они работают

ТЭГ работают на основе эффекта Зеебека — принципа термоэлектричества, согласно которому между двумя разнородными проводниками или полупроводниками возникает напряжение при наличии между ними разницы температур. По сути, тепло перетекает от горячей стороны материала к холодной, а вместе с ним движутся электроны, создавая электрический потенциал.

Такие устройства состоят из набора термоэлектрических материалов, расположенных таким образом, чтобы максимизировать воздействие температурного градиента. Чем больше разница температур между двумя сторонами, тем выше электрическая мощность на выходе. Именно поэтому желаемый температурный градиент должен быть как можно более резким: максимально горячим с одной стороны и максимально холодным с другой. Разумеется, в разумных пределах.

Применение и значимость

В промышленных условиях машины и оборудование часто вырабатывают избыточное тепло. Вместо того чтобы позволить этой энергии рассеиваться в воздухе, ТЭГ могут частично улавливать её и преобразовывать в энергию для встроенных систем мониторинга. Аналогичным образом в носимых устройствах или медицинском оборудовании ТЭГ могут использовать разницу температур между кожей человека и окружающей средой для питания датчиков, снижая необходимость замены батарей.

Для инженеров это означает необходимость подбора высокоэффективных модулей ТЭГ и микросхем регулирования напряжения, способных работать при низких и колеблющихся входных напряжениях. Хотя это встречается нечасто, поистине неземное применение ТЭГ — в космической технике, где тепло, выделяемое при радиоактивном распаде, через ТЭГ питает спутники, зонды и марсоходы. В своей статье «Что такое сбор энергии?»компания CircuitBread даёт превосходный обзор ТЭГ и подробно рассматривает принципы их работы на уровне полупроводников.

Пьезоэлектрический сбор энергии

Как это работает

Пьезоэлектрические материалы вырабатывают электричество при механическом воздействии — это результат их внутренней кристаллической структуры. Когда такие материалы изгибают, сжимают или подвергают вибрации, на их поверхности возникает напряжение.

Пьезоэлектрические накопители энергии обычно используются в условиях, где часто присутствуют вибрации или механические движения. Их можно встраивать в подошвы обуви, дорожные покрытия, мосты или промышленное оборудование. Среди распространённых материалов — кварц, ЦТС (цирконат-титанат свинца) и новые гибкие полимеры.

Применение и значимость

Представьте себе умный мост, способный отслеживать состояние конструкции с помощью встроенных датчиков. Вместо прокладки силовых кабелей или постоянной замены батарей пьезоэлектрические устройства могут собирать энергию от естественных вибраций, вызванных движением транспорта. В носимых технологиях каждый ваш шаг мог бы вырабатывать энергию. Хотя количество энергии может быть небольшим, его было бы достаточно для поддержания заряда часов или другого небольшого устройства.

Трибоэлектрические наногенераторы (ТЭНГ)

Как они работают

ТЭНГ основаны на трибоэлектрическом эффекте, при котором материалы приобретают электрический заряд после фрикционного контакта с другим материалом. Когда две поверхности многократно соприкасаются и разделяются, например при трении тканей друг о друга или движении кожи, заряды накапливаются и создают напряжение. Интересно, что, несмотря на многовековое знакомство человечества с трибоэлектрическим эффектом, до сих пор ведутся споры о деталях его механизма. По крайней мере, на данный момент!

В отличие от пьезоэлектрических материалов, ТЭНГ можно изготавливать из более широкого спектра материалов, включая распространённые полимеры. Эта универсальность делает их идеальными для носимых устройств и текстиля.

Применение и значимость

Трибоэлектрические накопители энергии исследуются для носимых устройств нового поколения, которые полностью автономно питаются за счёт движений человека. От одежды, отслеживающей жизненно важные показатели, до поверхностей, обнаруживающих изменения в окружающей среде, — ТЭНГ могут помочь открыть совершенно новые парадигмы проектирования.

РЧ-сбор энергии

Как это работает

РЧ-сбор энергии улавливает мощность из окружающих электромагнитных волн, например тех, что излучаются Wi-Fi роутерами, вышками сотовой связи или даже телевизионным вещанием. РЧ-накопитель использует антенну для сбора электромагнитных волн, которые затем преобразуются в постоянное напряжение с помощью выпрямительной схемы.

Выходная мощность обычно довольно низкая — даже ниже, чем у других уже рассмотренных технологий. Но для приложений со сверхнизким энергопотреблением даже небольшого количества энергии может быть достаточно, чтобы зарядить конденсатор и периодически приводить устройство в действие.

Применение и значимость

Один из самых впечатляющих примеров — это RFID-метки, которые собирают энергию из окружающих РЧ-сигналов. Такие метки можно встраивать в упаковку для отслеживания свежести продукта, его местоположения или температуры в режиме реального времени. Ещё чаще их можно встретить во всё более распространённых идентификационных картах, обычно используемых в приложениях безопасности.

Заключение: катализатор будущего

Сбор энергии готов произвести революцию в наших представлениях о питании электроники. От носимых устройств и удалённых датчиков до промышленной автоматизации и умной упаковки — эта технология делает возможным появление новых продуктов, которые становятся меньше, умнее и экологичнее.

Как для инженеров, так и для покупателей ключевым фактором успешного внедрения станет сотрудничество с дистрибьютором, который понимает всю экосистему сбора энергии — от материалов до управления питанием и накопления энергии. В конце концов, энергия повсюду вокруг нас. Нам остаётся лишь научиться её собирать.