Сборщик энергии от окружающего звука

Сборщик энергии от окружающего звука

Группа ученых из лондонского Университета Queen Mary University и компания Nokia совместно создали систему по сбору окружающей энергии, которая может заряжать мобильный телефон, используя посторонний шум, передает «Паяльник» .

В 2013 году доктор Джо Бриско (Joe Briscoe) и Стив Данн (Steve Dunn) из Школы инжиниринга и материаловедения QMUL обнаружили, что они могут улучшить производительность солнечных элементов, проигрывая популярную и рок музыку возле них.

Проводя дальнейшее исследование, совместная группа исследователей компании Nokia и QMUL работала над созданием наногенератора, который может использоваться для заряда мобильного телефона, используя окружающий фоновый шум, такой как шум от транспортных средств, музыка и наши собственные голоса.

Главный компонентом данного сборщика энергии является оксид цинка, который создает электрическое напряжение, когда он подвергается деформации. Оксид цинка формируется в наностержни и покрывает поверхность наногенератора.

Когда подобная поверхность сжимается или растягивается наностержни генерируют высокое напряжение.

Вибрации и перемещения наностержней, вызванные воздействием звука, также позволяют генерировать напряжение. Данное электричество собирается электрическими контактами по обеим сторонам стрежней.

Исследователи нашли способ снизить затраты на изготовление наногенераторов, разработав технологический процесс распыления слоя оксида цинка на лист пластмассы. После того, как данный лист подвергается воздействию химических веществ и нагревается, наностержни наращиваются на поверхности листа.

Группа исследователей также заменила золото на алюминиевую фольгу, которая используются в качестве электрического контакта.

Завершенное устройство генерирует напряжение 5В, что достаточно для полного заряда мобильного телефона.

Читайте также последние новости электроники

В настоящее время при создании квантовых, нейроморфных и прочих подобных систем достаточно широко используются сверхпроводники, материалы, имеющие нулевое электрическое сопротивление при низких температурах.

Исследователи из Швейцарского федерального технологического института (Swiss Federal Institute of Technology, ETH) создали крошечный инфракрасный спектрометр, размеры которого позволяют уместить его на кристалле полупроводникового чипа, и который, тем не менее, «обеспечивает массу интересных возможностей».

Компания Xilinx, один из ведущих производителей чипов программируемой логики (FPGA), побила собственный рекорд, выпустив новый чип под названием Virtex Ultrascale+ VU19P.

Инженеры из Массачусетского технологического института и специалисты известной компании Analog Devices совместными усилиями создали первый полностью программируемый 16-разрядный микропроцессор на углеродных нанотрубках.

Разработчики современных оптических устройств всеми силами пытаются сделать эти устройства все меньшими и меньшими.

Непосвященные люди считают, что электрический ток течет совершенно одинаково через одинаковые компоненты наших электронных устройств.

Ученые-физики из Стэнфордского университета создали устройство, которое можно назвать термином «квантовый микрофон», чувствительность которого достаточно высока для того, чтобы при его помощи можно было измерить параметры отдельных звуковых частиц, называемых фононами.

В этом году компания Asus отмечает свою 30-ю годовщину и, поскольку эта компания в 1989 году начала свою деятельность именно с производства компьютерных материнских плат, она представила свое видение того, какими будут материнские платы следующих поколения спустя некоторое время.

Группа ученых, в которую входили Ральф Меркл (Ralph Merkle) и Роберт Фреитас (Robert Freitas), продемонстрировала, что при помощи нескольких базовых мироэлектромеханических компонентов может быть создана полноценная тьюринговая вычислительная система.

Технология редактирования генома CRISPR разрабатывалась изначально с целью обеспечения лечения и профилактики генетических заболеваний, но позже эта технология, превратившаяся в мощный инструмент, нашла применение и в некоторых других областях, включая синтетическую биологию.

Книги по электронике

Учебное пособие разработано на основе Федерального государственного образовательного стандарта среднего профессионального образования по профессии 13.01.10 «Электромонтер по ремонту и обслуживанию электрооборудования (по отраслям)», укрупненная группа профессий 13.00.00 «Электро- и теплотехника», входящей в список 50 наиболее востребованных на рынке труда, новых и перспективных профессий, требующих среднего профессионального образования.

Эта книга является логическим продолжением первой книги издательств «Ремонт и Сервис 21» и «СОЛОН-ПРЕСС» (серия РЕМОНТ, выпуск 93) по теме программного ремонта сотовых телефонов. В этом издании приводятся материалы по инженерному программированию и ремонту более 120 моделей телефонов SAMSUNG и около 100 — MOTOROLA.

Сборщики энергии окружающей среды обеспечивают безбатарейное питание беспроводных датчиков

Linear Technology LTC3588-1

Jim Drew, Linear Technology

Design Note 483

Введение

Последние достижения в области микроконтроллеров с ультранизким потреблением мощности позволили создать устройства с беспрецедентными соотношениями уровней интеграции и потребления. Это системы на кристалле с уникальными функциями энергосбережения, такими как отключение питания для перевода устройства в неактивный режим. К сожалению, батареи требуют регулярной замены, что делает техническое обслуживание проекта дорогим и неудобным. Более эффективным решением для питания беспроводных устройств может быть сбор механической, тепловой или электромагнитной энергии из среды, окружающей датчик.

Показанная на Рисунке 1 микросхема LTC3588-1 представляет собой законченное решение для сбора энергии, оптимизированное для высокоимпедансных источников, таких, например, как пьезоэлектрические преобразователи. Микросхема содержит полномостовой выпрямитель с низкими потерями и высокоэффективный синхронный понижающий преобразователь, передающий энергию от входного накопительного устройства на регулируемый выход и способный отдавать в нагрузку ток до 100 мА. LTC3588-1 выпускается в 10-выводных корпусах MSE или DFN размером 3 мм × 3 мм.

Рисунок 1. Законченное решение для сбора энергии, оптимизированное
для таких высокоимпедансных источников, как
пьезоэлектрические преобразователи.

Источники окружающей энергии

К источникам окружающей энергии относятся свет, разность температур, вибрация, передаваемые радиочастотные сигналы и все другое, что способно с помощью соответствующего преобразователя вырабатывать электрический заряд. Например:

  • Небольшие солнечные панели, уже долгие годы питающие портативные электронные устройства, могут отдавать сотни мВт/см 2 при прямом солнечном освещении и сотни мкВт/см 2 при отраженном свете.
  • Термоэлектрические устройства преобразуют тепловую энергию в электрическую везде, где имеется градиент температур. Диапазон источников тепловой энергии варьируется от человеческого тела, способного производить десятки мкВт/см 2 , до вытяжной трубы печи, температура поверхности которой может обеспечить мощность до десятков мВт/см 2 .
  • Пьезоэлектрические устройства вырабатывают энергию либо при их сжатии, либо при изгибе. Пьезоэлементы, в зависимости от размеров и конструкции, могут вырабатывать мощность до сотен мкВт/см 2 .
  • Радиочастотную энергию можно собирать с помощью антенны, получая до сотен пВт/см 2 .

Для успешного конструирования полностью автономных систем беспроводных датчиков требуются энергосберегающие микроконтроллеры и преобразователи, потребляющие минимальную электрическую энергию, получаемую из маломощных окружающих источников. Теперь, когда доступны и те, и другие, недостающим звеном остается высокоэффективная схема, способная превращать выходную энергию преобразователя в полезное напряжение.

Рисунок 2. Компоненты системы сбора энергии.

На Рисунке 2 изображена система сбора энергии, содержащая источник/преобразователь энергии, элемент накопления энергии и средства преобразования накопленной энергии в полезное стабилизированное напряжение. В некоторых случаях между преобразователем и накопительным элементом может потребоваться выпрямитель для защиты преобразователя от обратного поступления энергии, или, в случае использования пьезоэлектрического устройства, для выпрямления переменного напряжения.

Примеры практических схем

Для нормальной работы LTC3588-1 необходимо, чтобы выходное напряжение преобразователя энергии было выше предельного порога блокировки при пониженном напряжении для конкретного выходного напряжения, установленного на входных контактах D0 и D1. Для переноса максимального количества энергии напряжение холостого хода преобразователя должно вдвое превышать входное рабочее напряжение, а ток короткого замыкания должен вдвое превышать требуемый входной ток. Для того, чтобы подача энергии на выход не прерывалась, эти требования должны выполняться при минимальной мощности возбуждения источника.

Пьезоэлектрический преобразователь энергии

На Рисунке 3 изображена пьезоэлектрическая система, способная при размещении ее на пути воздушного потока вырабатывать до 100 мкВт при напряжении 3.3 В. Изгиб пьезоэлемента составляет 0.5 см при частоте 50 Гц.

Рисунок 3. Пьезоэлектрический сборщик энергии.

Термоэлектрический преобразователь энергии

На Рисунке 4 показана система сбора энергии, использующая термоэлектрический генератор, выпускаемый фирмой Tellurex. Разность температур создает выходное напряжение, позволяющее обеспечивать выходную нагрузку мощностью 300 мВт. Подключение преобразователя к входу PZ1 защищает его от протекания обратных токов, идущих из термогенератора при удалении источника тепла. Резистор 100 Ом ограничивает ток для защиты входного моста микросхемы LTC3588-1.

Читайте также  Начальные сведения по вч-дизайну
Рисунок 4. Термоэлектрической сборщик энергии.

Сбор энергии из электромагнитного поля, создаваемого стандартной люминесцентной лампой

Это приложение требует некоторого нестандартного подхода. Рисунок 5 демонстрирует пример системы, собирающей энергию из электрического поля, окружающего высоковольтные люминесцентные лампы. Две медных панели размером 30 см × 60 см размещаются в 15 см от потолочного люминесцентного светильника площадью 0.6 м × 1.2 м. Через емкостную связь панели извлекают из окружающих электрических полей мощность до 200 мкВ, а LTC3588-1 преобразует ее в стабилизированное выходное напряжение.

Рисунок 5. Сборщик энергии электрического поля.

Заключение

Собирая энергию из окружающей среды, LTC3588-1 обеспечивает удаленные датчики безбатарейным питанием. Микросхема содержит все важнейшие блоки, необходимые для управления питанием: мостовой выпрямитель с малыми потерями, высокоэффективный понижающий регулятор, детектор пониженного напряжения, включающий и выключающий преобразователь, и выход статусного сигнала PGOOD («Питание в норме»), позволяющий пробуждать микроконтроллер при доступности питания. Для поддержки нагрузок с током до 100 мА LTC3588-1 требуется всего пять внешних компонентов.

Материалы по теме

  1. Datasheet Linear Technology LTC3588-1
  2. Datasheet International Rectifier IR05H40CSPTR

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Еnergy harvesting: энергия из ничего

Мы все с интересом обсуждаем одежду со встроенными датчиками и пультами управления, кроссовки с шагомером, GPS и прочую носимую электронику. Однако стоит задаться вопросом: а от чего, собственно, должны питаться все эти полезные гаджеты? От сменных батареек? Тогда вся эта вшитая электроника становится ничем не лучше обычных «умных» коробочек, которые можно просто сунуть в карман. Это как если бы мы вместе с мобильным телефоном носили большой тяжёлый чемодан с аккумуляторами или заправляли автомобиль вязанкой дров.

Нужно более изящное решение, отвечающее реалиям XXI, а не XX века. В идеале такой источник питания должен быть лёгким и миниатюрным, способным принимать любую форму и вид, умеющим заряжаться от любых типов энергии в окружающем пространстве и не требующим регулярной замены.

Идеал пока недостижим, но первые шаги в этом направлении уже сделаны. Поскольку для датчиков и простых микрокомпьютеров не требуются источники большой мощности, с ними можно использовать устройства, способные генерировать энергию буквально из ничего, собирая её по крупицам практически из воздуха — как, например, ветряные генераторы или солнечные батареи.

Эта идея положена в основу концепции Еnergy harvesting — её название пока не имеет общепринятого русского перевода, а по смыслу оно примерно означает «сбор энергетического урожая». Концепция заключается в сборе разнообразной энергии из окружающей среды и преобразовании её в электрическую для питания автономных миниатюрных устройств. Источником энергии могут быть любые естественные природные и физические процессы и явления — от солнечного света до любых механических колебаний.

Создаваемые в рамках концепции Еnergy harvesting устройства должны быть способны как генерировать, так и сохранять электрическую энергию — они смогут заменить тяжёлые и громоздкие аккумуляторные батареи там, где не требуются большая мощность и высокое напряжение. В результате мы получим вшитые микрогаджеты, датчики в одежде и обуви с практически вечным питанием, способные работать автономно до своего физического износа.
На международной конференции Printed Electronics Europe 2013, проходившей с 17 по 18 апреля в столице Германии Берлине, в рамках шоу Energy Harvesting & Storage Europe был представлен целый ряд чрезвычайно интересных разработок в области Еnergy harvesting.

Самый простой для преобразования в электричество вид внешних воздействий — это механические колебания и вибрации. Чаще всего для конвертации таких колебаний в электроэнергию применяются пьезоэлектрические материалы. Такие материалы используются, в частности, в называемых микроэлектромеханических системах (MЭМС или MEMS), представляющих собой гибридные устройства на кремниевой подложке, в которых объединены микромеханические и микроэлектронные компоненты. МЭМС-чипы легко распаиваются на печатной плате и без проблем интегрируются в любую электронную схему.

Британская компания Perpetuum показала на выставке Energy Harvesting & Storage Europe свою основную разработку — вибрационный «сборщик энергии» Vibration Energy Harvester (VEH). Это беспроводной датчик, предназначенный для установки на вращающиеся детали, например на подшипники колёс поездов. Кстати, в ходе выставки VEH демонстрировался в вагончике на миниатюрной модели железной дороги.

Датчик VEH выполняет одновременно три функции: он измеряет температуру, передаёт полученные сведения по беспроводной связи оператору и вырабатывает необходимую для всего этого электроэнергию из механических колебаний. В Perpetuum уже опробовали VEH в действии, и оказалось, что это простое устройство, не требующее никакого обслуживания, чрезвычайно полезно именно для установки в колёсах железнодорожных вагонов, поскольку оно способно мгновенно фиксировать критическое повышение температуры в подшипниках и тем самым предотвращать масштабный дорогостоящий ремонт.

Компания Perpetuum входит в состав финансируемого Европейский союзом консорциума Wibrate, объединяющего разработчиков беспроводных промышленных систем мониторинга и управления и беспроводных, самостоятельно вырабатывающих электроэнергию для своего питания за счёт вибрации.

Ещё одну оригинальную разработку показала на Energy Harvesting & Storage Europe компания Cherry, та самая, которая выпускает знаменитые «неубиваемые» компьютерные клавиатуры.

На стенде компании висела обыкновенная электрическая лампочка, и всем желающим предлагалось включить её при помощи миниатюрного беспроводного выключателя Cherry Energy Harvesting Wireless Switch. Энергии, вырабатывающейся при нажатии на кнопку, достаточно для краткой радиотрансляции, передающей сигнал включения.

Дальность передачи сигнала зависит от рабочей частоты: на частоте 2,4 ГГц команда передаётся на расстояние до 10 метров, а на частоте 868 МГц — целых 300 метров! Вырабатываемая мощность — до 0,5 мВт. Выключатель умеет работать в составе сетей, причём уникальный ID каждого из них исключает ошибочные срабатывания, а функция «спаривания» позволяет использовать несколько выключателей для одного приёмника или наоборот. Заявленная наработка на отказ — до миллиона нажатий.

Другой распространённый вид энергии, давно «прирученный» человеком, — световая и, в частности, солнечная. Фотовольтаика уже не первое десятилетие успешно применяется как в самых миниатюрных устройствах, например в микрокалькуляторах, так и в огромных космических станциях. Сегодня же учёные пытаются реализовать достижения фотовольтаики в довольно неожиданных предметах — например, в ткани.

Проект PowerWeave, также финансируемый Евросоюзом, ставит своей целью создание двух типов волокна: которое сможет улавливать солнечную энергию, преобразуя её в электрическую, и которое будет хранить эту энергию как аккумулятор. В перспективе из них можно будет изготавливать ткани, работающие как единая система по выработке и хранению электроэнергии.

Задача учёных — создать «электроткань», способную вырабатывать порядка 10 Вт энергии на квадратный метр. Если добиться этих показателей, то потенциальные способы использования такой ткани будут намного шире, чем, например, у одежды со встроенными датчиками температуры, компасом и GPS. Ткань площадью в 100 квадратных метров даст уже целый киловатт электроэнергии. А это значит, что её можно использовать в качестве материала для изготовления палаток, тентов или солнечных козырьков, которые будут способны выработать достаточно энергии, к примеру, для внутреннего освещения помещений. Кроме того, такую ткань можно будет сбрасывать с воздуха людям, терпящим бедствие.

Интересно, что в консорциум PowerWeave также входит знаменитый британский производитель воздушных шаров Lindstrand, который явно рассчитывает использовать «электроткань» для изготовления своих старомодных летательных аппаратов, а возможно, и для постройки каких-то совершенно новых типов аэропланов с автономным питанием.

Впрочем, пока проект PowerWeave далёк от завершения, поскольку теоретически безупречные расчёты упираются в ограничения технологии. Ткань должна не только исполнять роль генератора и аккумулятора — она обязана сохранять свойства ткани: гибкость, устойчивость к стирке, наконец, удобство в ношении, если речь идёт об одежде.

Читайте также  Датчик влажности воздуха или почвы

И в заключение — об уже не слишком будоражащем воображение, зато о вполне доступном устройстве, продемонстрированном на Energy Harvesting & Storage Europe, — «квадратиках» Clicc немецкой компании Sonnenrepublik.

Эти маленькие квадратные солнечные батареи могут соединяться, как пазл, в целые массивы, обеспечивая необходимый ток для зарядки или питания тех или иных портативных гаджетов. Шесть таких квадратиков, показанных на фотографии, способны вырабатывать около 1 Вт (210 мА) электроэнергии на ярком солнечном свету. Как утверждает разработчик, в них используются самые энергоэффективные солнечные панели из всех присутствующих на рынке. Набор из шести Clicc продаётся всего за 18 евро.

* * *
Конечно, пока ни пьезоэлектрические материалы, ни солнечные элементы не могут обеспечить питание таких требовательных устройств, как смартфон, планшет или тем более ноутбук. Для подзарядки традиционных по конструкции аккумуляторов эти технологии тоже не слишком подходят из-за нестабильного напряжения и низкой силы тока. Но пока речи об этом даже не идёт: давайте сначала получим рубашки с «вечными» часами, а потом уже задумаемся о более масштабных проектах.

Получение энергии от источников радиоволн

Электронные устройства постепенно внедряются в повседневную жизнь, и, конечно, им всем требуется энергия в той или иной форме для работы. К счастью, энергия окружает нас во многих формах. Энергия может быть преобразована из ветра, света, движущихся объектов, даже используя оставшуюся энергию высокочастотных радиопередач. Поскольку мир становится все более электронным по своей природе, становится все более целесообразным повторно использовать энергию, когда она доступна, например, в радиочастотных / микроволновых сигналах, для установления более эффективного общего использования энергии.

Сбор энергии, вероятно, наиболее известен в приложениях, которые используют солнечный свет в качестве источника энергии. Специально для устройств, которые требуют лишь небольшого количества энергии для работы, солнечный свет может быть преобразован в достаточное для работы постоянное напряжения с помощью относительно небольших солнечных батарей.

В малонаселенных районах часто можно увидеть, что крыши некоторых домов покрыты солнечными батареями, мощности которых вполне хватает, чтобы обеспечить дом электроэнергией, в некоторых случаях и продавать ее энергокомпаниям. Точно так же в областях, где открытые равнины обеспечивают воздействие относительно сильных ветров, например на Среднем Западе Соединенных Штатов, нет ничего необычного в том, чтобы увидеть ветряные турбины, которые могут превращать ветер в «почти бесплатные» источники электрической энергии.

На сегодняшний день солнечный свет, скорее всего, является наиболее популярным источником альтернативной энергии, который можно преобразовать в постоянное напряжение. Компании, такие как Analog Devices, Silicon Laboratories и Texas Instruments, предлагают обширные линейки беспроводных приемопередатчиков, генераторов и других высокочастотных компонентов для солнечных батарей. Кроме того, EnOcean разработала серию переключателей с автономным питанием, которые питаются от солнечных источников, а также многих микросхем, которые используют беспроводную связь на частотах ISM для выполнения управляющих функций в солнечной энергетике. Самым последним «поступлением» является датчик присутствия солнечной энергии для систем управления освещением Bluetooth, использующий Bluetooth Low Energy (BLE) для упрощения автоматизации зданий.

Не столь широко распространенным, но быстро растущим по популярности, является процесс сбора энергии от радиочастотных / сверхширокополосных сигналов, таких как радио- / телевизионные радиостанции и беспроводное оборудование. Сбор энергии таким способом позволяет заменить батареи в приложениях с низким энергопотреблением, таких как датчики систем интернет вещей (IoT) и метки радиочастотной идентификации (RFID). Повторное использование энергии может сократить эксплуатационные расходы и повысить эффективность существующих электронных систем и устройств.

Сбор энергии от радиочастотных / сверхширокополосных сигналов является четким процессом. Это может быть выполнено с помощью интегральных схем (ИС), содержащих основные компоненты, такие как радиоприемники и повышающие преобразователи, которые преобразуют энергию РЧ-сигнала от антенны в переменное или постоянное напряжение, а затем передают энергию на устройство хранения энергии, такое как аккумуляторная батарея или конденсатор. Простые конструкции антенны Vivaldi продемонстрировали отличные возможности в обеспечении сверхширокополосного (UWB) частотного покрытия (например, от 100 МГц до 6 ГГц) для поддержки многих радиочастотных ИС, собирающих энергию.

Преобразование энергии радиочастот

Коммерческие радиочастотные приемники энергии, такие как P210B Powerharvester от Powercast Corp., обеспечивают возможность преобразования РЧ-сигналов в постоянное напряжение. Это приемник, предназначенный для использования в нижней части промышленной, научной и медицинской (ISM) полосы (от 902 до 928 МГц).

С помощью антенны P2110B может обрабатывать входные радиочастотные уровни от -12 до +10 дБм, преобразовывать их в напряжение постоянного тока и сохранять энергию в конденсаторе для использования по мере необходимости. Низкая чувствительность позволяет эффективно собирать энергию даже на значительных расстояниях от источника радиочастот. Компактное устройство является примером доступной в настоящее время технологии сбора энергии радиочастот, которая позволяет управлять питанием небольших электронных устройств без батареи.

P2110B использует свой внутренний конденсатор как часть собственного контролируемого процесса преобразования энергии. Регулируемые уровни напряжения от сборщика энергии могут быть установлены от +2,0 В до +5,5 В постоянного тока при максимальном токе 50 мА. Выходное напряжение микросхемы отдает запасенную энергию, когда на конденсаторе достигнут высокий порог заряда. Когда энергия, запасенная в конденсаторе, падает до порога низкого напряжения, выходное напряжение от P2110B отключается. Как предполагает производитель, микропроцессор может использоваться со сборщиком энергии для оптимизации энергопотребления и повышения производительности подключенных электронных устройств, таких как датчики.

Учитывая ожидаемый быстрый рост беспроводных датчиков IoT и потребность в удаленных беспроводных датчиках в сотовых сетях 5G, сбор энергии, несомненно, будет принимать различные формы, в том числе от фотоэлектрических и термоэлектрических источников. Одним из таких примеров является ИС для сбора энергии из фотоэлектрических источников. AEM10940 от e-peas semiconductors, разработанная для использования с солнечными батареями, может подавать два независимых регулируемых напряжения, чтобы продлить срок службы батареи или даже устранить потребность в батарее в электронной системе управления стабилизацией точки максимальной мощности.

Совсем недавно эта же фирма разработала пару полупроводниковых устройств, модели AEM30940 и AEM40940, для извлечения энергии из радиочастотных источников. Оба оснащены встроенными повышающими преобразователями, которые заряжают батареи и конденсаторы и предназначены для извлечения энергии из сигналов ISM-диапазона с низким энергопотреблением. AEM30940 может работать с низкими уровнями входного радиосигнала: –18,2 дБм с 863 до 868 МГц и с 915 до 921 МГц, –14 дБм с 2110 до 2170 МГц и –9,5 дБм с 2,4 до 2,5 ГГц. Устройство поверхностного монтажа, имеет конфигурационные контакты для упрощения реализации различных режимов работы, а также корпусные контакты низкого и высокого напряжения для подачи полного диапазона напряжений от 50 мВ до 5 В.

AEM40940 извлекает мощность переменного тока из источников радиочастотного сигнала, создавая два независимо регулируемых выходных напряжения. Он включает в себя выпрямитель с низким энергопотреблением и повышающий преобразователь в пластиковом четырехплоскостном корпусе размером всего 5 × 5 мм. Он может использоваться на частотах ISM 868 МГц, 915 МГц и 2,45 ГГц и при уровнях входной мощности от -20 до +10 дБм. Радиочастотный сборщик энергии (или харвестер) обладает относительно высокой общей эффективностью (измеряемой от входного порта до выходного сигнала повышающего преобразователя) — обычно выше 20% для уровней входной мощности от -20 до 0 дБм на частотах 868 и 915 МГц и, как правило, выше 10% для входа на уровне мощности от -10 до +5 дБм при 2,45 ГГц.

Читайте также  Использование usb-otg в режиме msc_host

Устройства сбора энергии в настоящее время доступны для многих различных источников энергии, включая солнечный свет, ветер, движение, температуру, даже для захвата электромагнитных волн от тепла тела пользователя. Возможности варьируются для каждого подхода к сбору, при этом солнечная энергия остается самой популярной и эффективной формой сбора энергии уже в окружающей среде. Но с распространением в мире устройств беспроводной связи и увеличением энергии радиочастотного / сверхширокополосного сигнала в большинстве населенных пунктов расширяются возможности использования технологии сбора энергии РЧ в качестве питания электронных устройств с низким энергопотреблением, таких как миллиарды датчиков IoT. Ожидается, что волна сборщиков энергии радиочастот покроет планету в ближайшие годы.

Сборщик энергии от окружающего звука

Исследователи создали устройство с автоматической настройкой резонанса.

Доктор Сон Хён Чхоль (в центре) проводит эксперимент по измерению энергии, генерируемой при возникновении резонанса. Фото: Корейский институт науки и технологий (KIST).

Корейские исследователи разработали устройство для сбора энергии, которое может генерировать электроэнергию из окружающих колебаний с различными частотами с помощью нового механизма автоматической настройки резонанса. Недавно, Корейский институт науки и технологий (KIST) объявил, что исследовательская группа под руководством доктора Хюн-Чеола Сон из Центра электронных материалов KIST разработала сборщик энергии, который может выполнять автоматическую настройку резонанса (ART) путем регулировки собственной резонансной частоты. Установка сама по себе приспосабливается к условиям окружающей среды.

Технология сбора энергии применяется для «сбора» электроэнергии из паразитных источников, таких как вибрация, тепло, свет и так далее. Устройство, способное собирать энергию из окружающей среды, может генерировать электроэнергию самостоятельно, без каких-либо батарей или подключения к розетке. Эта технология особенно полезна в качестве автономного источника питания для небольших электронных устройств, работающих по беспроводной сети, таких как системы Интернета вещей.

Вибрации, создаваемые автомобилями, поездами, промышленными объектами и т. д. могут использоваться для производства электроэнергии с помощью технологии сбора энергии, но для любых реальных приложений должен быть способ производства и хранения как можно большего количества электроэнергии от небольших вибраций. Для этого необходимо воспользоваться явлением резонанса, при котором стекло разбивается от высоких звуков или большой мост рушится от ветра.

Однако у сборщика энергии одна собственная частота, а вибрации, которые мы находим в окружающей среде, происходят в широком диапазоне различных частот. Вот почему сборщик энергии должен быть настроен в соответствии с окружающей средой, в которой он установлен, чтобы вызвать резонанс, и это привело к ограничениям на использование сборщиков энергии.

Energy Harvester, разработанный командой доктора Сон Хён Чуля из KIST, производит энергию, резонируя с вибрациями окружающей среды. Фото: Корейский институт науки и технологий (KIST).

Чтобы решить эту проблему, были разработаны самонастраивающиеся комбайны, использующие двигатель или микроконтроллер, но они представляли проблемы в том, что эффективность выработки электроэнергии была значительно снижена в результате высокого потребления энергии настраиваемым двигателем или контроллером.

Вместо этого исследователи из KIST разработали сборщик энергии со специальной структурой, способной настраиваться на окружающую частоту без отдельного электрического устройства. Внутри комбайна имеется контрольная масса, которая автономно перемещается, и при обнаружении вибрации в окружающей среде груз перемещается в другое место в соответствии с частотой вибрации. Таким образом, комбайн получает ту же частоту, что и частота внешней вибрации, и достигает резонанса. В результате диапазон частот, на которых может быть достигнут резонанс с помощью сборщика энергии, разработанного исследователями KIST, на 1400% больше, чем у существующих устройств с единственной собственной частотой.

Доктор Хюн-Чхоль Сон, возглавлявший эту исследовательскую группу, сказал: «Значение этого исследования заключается в том, что мы были первыми, кто реализовал энергоуборочный комбайн, который имеет простую конструкцию и может выполнять самонастройку без дополнительного потребления энергии. значительно ускорить практическое применение сборщиков энергии. Я считаю, что самонастраивающиеся сборщики энергии будут играть ключевую роль в автономном источнике питания для беспроводных сенсорных сетей , носимых электронных устройств и Интернета вещей, который является одним из основные технологии Четвертой промышленной революции».

Новые идеи сбора энергии из окружающей среды

В русле набирающей обороты идеи постоянно носимых на себе компьютеров регулярно возникают новые концепции сбора и хранения энергии, которая призвана питать эти крошечные вычислительные устройства.

Некоторые из этих идей были продемонстрированы на прошлой неделе в Берлине на выставке «Printed Electronics Europe 2013». Спектр концепций простирался от экспериментальных до практических. Представим вам несколько наиболее интересных идей.

Вы видите перед собой Сборщик вибрационной энергии (VEH) от компании «Perpetuum», который перевозился на выставке на модели игрушечного поезда.

VEH – это беспроводной сенсор, который прикрепляется к вращающимся компонентам – например подшипникам колёс поездов. Устройство одновременно измеряет и питается механическими вибрациями. Оно также измеряет температуру и по беспроводному каналу передаёт данные оператору поезда, что позволяет ему заметить малейшие нарушения в работе механизмов ещё на ранней стадии отказа.

Компания «Perpetuum» является частью финансируемого Евросоюзом консорциума «Wibrate», целью которого является внедрение такого рода самопитающихся технологий вибрационного мониторинга в различные промышленные системы.

Сходный же принцип используется в беспроводном переключателе от компании «Cherry».

Свет, который вы видите на этой картинке, может включаться беспроводным переключателем, который сам по себе не требует никакого внешнего источника питания: само нажатие на кнопку создаёт достаточно механической энергии, чтобы его активировать. Эта концепция более удобна и гибка по сравнению с обычными проводными переключателями.

Также не стоит сбрасывать со счетов старую добрую фотоэлектрическую технологию, которая скоро может оказаться встроенной в новое поколение умных тканей. Дело в том, что другой финансируемый Евросоюзом проект под названием «Powerweave» нацелен на создание двух разновидностей ткани – одной для сбора солнечной энергии и другой для её накопления – которые могут быть сплетены вместе для создания цельной самоподдерживающейся системы. Теоретически это можно использовать для питания мягких сенсоров внутри одежды, но у этой технологии есть много и гораздо более масштабных применений.

Основатель одной из компаний-членов консорциума «Ohmatex» Кристиан Дальсгаард объясняет, что целью проекта является создание ткани, способной генерировать 10 ватт энергии на квадратный метр. Как только эта цель будет достигнута, замечает он, «не будет предела, насколько большой можно будет сделать подобную ткань», и 100 квадратных метров такого материала в теории будут вырабатывать один киловатт электричества. Коммерческие же применения подобной технологии могут простираться от гибкого покрытия для крыш и тентов до нового поколения автономных воздушных шаров (в консорциум входит также компания-производитель аэростатов «Lindstrand»).

А что вы скажете о ткани, которая способна собирать энергию не из света, а из движения? Да, есть люди, которые работают и над этой технологией.

Правда, на текущий момент не решены проблемы с тем, что одежда из такой ткани несколько стесняет движения носителя. Плюс необходимо помнить, что любая гибкая электроника, встроенная в ткань одежды, должна не бояться воды и стирки.

И наконец, менее технически изощрённое, но всё же практически полезное решение – маленький гаджет под названием Clicc.

Эти крошечные солнечные панельки могут соединяться в маленькие блоки, способные сохранять запасённую энергию для зарядки мобильных девайсов – заряд будет не очень большим, но полезным в случае срочной необходимости. К сожалению, компания-разработчик гаджета «Sonnenrepublik» пока не представила устройство для выдачи этой накопленной энергии, но в целом это интересная идея.

В заключение следует сказать, что любые технологии, которые приближают нас к идеалу постоянной возобновимой энергии, безусловно, ценны и заслуживают максимального внимания.