Energieernte - Energy harvesting

Energiegewinnungs (auch bekannt als Energiegewinnungs oder Energie Scavenging oder Umgebungsleistung ) ist der Prozess , durch die Energie aus anderen Quellen abgeleitet ist ( zum Beispiel Solarenergie , Wärmeenergie , Windenergie , Salinitätsgradienten und kinetische Energie , auch bekannt als Umgebungsenergie ), erfasst und gespeichert für kleine, drahtlose autonome Geräte, wie sie in tragbarer Elektronik und drahtlosen Sensornetzwerken verwendet werden .

Energy Harvester liefern sehr wenig Leistung für energiesparende Elektronik. Während der Input-Brennstoff für einige Großkraftwerke Ressourcen kostet (Öl, Kohle usw.), ist die Energiequelle für Energy Harvester als Umgebungshintergrund vorhanden. Temperaturgradienten entstehen beispielsweise durch den Betrieb eines Verbrennungsmotors und in städtischen Gebieten entsteht durch Radio- und Fernsehübertragungen eine große Menge elektromagnetischer Energie in der Umgebung.

Eine der frühesten Anwendungen von Umgebungsenergie, die aus elektromagnetischer Umgebungsstrahlung (EMR) gewonnen wird, ist das Kristallradio .

Die Prinzipien des Energy Harvesting aus Umgebungs-EMR können mit Basiskomponenten demonstriert werden.

Betrieb

Energy Harvesting-Geräte, die Umgebungsenergie in elektrische Energie umwandeln, haben sowohl im militärischen als auch im kommerziellen Bereich großes Interesse geweckt. Einige Systeme wandeln Bewegung, wie die von Meereswellen, in Elektrizität um, die von ozeanographischen Überwachungssensoren für den autonomen Betrieb verwendet wird. Zukünftige Anwendungen können Hochleistungsausgabegeräte (oder Arrays solcher Geräte) umfassen, die an entfernten Standorten eingesetzt werden, um als zuverlässige Kraftwerke für große Systeme zu dienen. Eine weitere Anwendung findet sich in der tragbaren Elektronik, wo energiesparende Geräte Mobiltelefone, mobile Computer, Funkgeräte usw Sensibilität, um das gesamte Spektrum der Wellenbewegungen auszunutzen.

Akkumulierende Energie

Energie kann auch genutzt werden, um kleine autonome Sensoren, wie sie mit MEMS-Technologie entwickelt wurden, mit Strom zu versorgen . Diese Systeme sind oft sehr klein und benötigen wenig Strom, ihre Anwendungen sind jedoch durch die Abhängigkeit von Batteriestrom begrenzt. Durch das Einfangen von Energie aus Umgebungsvibrationen, Wind, Hitze oder Licht könnten intelligente Sensoren unbegrenzt funktionieren.

Typische Leistungsdichten, die von Energy-Harvesting-Geräten verfügbar sind, hängen stark von der spezifischen Anwendung (die die Größe des Generators beeinflusst) und der Konstruktion des Harvesting-Generators selbst ab. Im Allgemeinen betragen die typischen Werte für bewegungsbetriebene Geräte einige µW/cm³ für vom menschlichen Körper betriebene Anwendungen und Hunderte von µW/cm³ für maschinenbetriebene Generatoren. Die meisten energieaufnehmenden Geräte für tragbare Elektronik erzeugen sehr wenig Strom.

Energiespeicherung

Im Allgemeinen kann Energie in einem Kondensator , Superkondensator oder einer Batterie gespeichert werden . Kondensatoren werden verwendet, wenn die Anwendung große Energiespitzen bereitstellen muss. Batterien verlieren weniger Energie und werden daher verwendet, wenn das Gerät einen stetigen Energiefluss bereitstellen muss. Diese Aspekte der Batterie hängen vom verwendeten Typ ab. Ein gebräuchlicher Batterietyp, der für diesen Zweck verwendet wird, ist die Blei-Säure- oder Lithium-Ionen-Batterie, obwohl ältere Typen wie Nickel-Metallhydrid heute noch weit verbreitet sind. Im Vergleich zu Batterien haben Superkondensatoren praktisch unbegrenzte Lade-Entlade-Zyklen und können daher ewig betrieben werden, was einen wartungsfreien Betrieb in IoT- und drahtlosen Sensorgeräten ermöglicht.

Nutzung der Macht

Gegenwärtiges Interesse am Energie-Harvesting mit geringer Leistung gilt unabhängigen Sensornetzwerken. Bei diesen Anwendungen bringt ein Energy-Harvesting-Schema Energie, die in einem Kondensator gespeichert ist, dann verstärkt/geregelt in einen zweiten Speicherkondensator oder eine zweite Batterie zur Verwendung im Mikroprozessor oder in der Datenübertragung. Die Energie wird in der Regel in einer verwendeten Sensor - Anwendung und die Daten gespeichert oder übertragen möglicherweise über eine drahtlose Methode.

Motivation

Die Geschichte der Energiegewinnung geht auf die Windmühle und das Wasserrad zurück. Seit vielen Jahrzehnten suchen Menschen nach Wegen, die Energie aus Wärme und Schwingungen zu speichern. Eine treibende Kraft bei der Suche nach neuen Energy Harvesting-Geräten ist der Wunsch, Sensornetzwerke und mobile Geräte ohne Batterien zu betreiben. Energy Harvesting wird auch durch den Wunsch motiviert, das Problem des Klimawandels und der globalen Erwärmung anzugehen.

Energiequellen

Es gibt viele kleine Energiequellen, die im Allgemeinen nicht auf industrielle Größe skaliert werden können, was eine vergleichbare Leistung wie Solar-, Wind- oder Wellenenergie in industrieller Größe angeht:

• Einige Armbanduhren werden mit kinetischer Energie betrieben (sogenannte Automatikuhren ), in diesem Fall wird die Bewegung des Arms verwendet. Die Armbewegung bewirkt das Aufziehen seiner Zugfeder . Ein neueres Design von Seiko ("Kinetic") verwendet stattdessen die Bewegung eines Magneten im elektromagnetischen Generator, um das Quarzwerk anzutreiben. Die Bewegung stellt eine Flussänderungsrate bereit, die zu einer gewissen induzierten EMK an den Spulen führt. Das Konzept ist mit dem Faradayschen Gesetz verwandt .
• Photovoltaik ist eine Methode zur Erzeugung elektrischer Energie durch Umwandlung von Sonnenstrahlung (sowohl im Innen- als auch im Außenbereich) in Gleichstrom mithilfe von Halbleitern, die den photovoltaischen Effekt aufweisen . Die photovoltaische Stromerzeugung verwendet Sonnenkollektoren, die aus einer Anzahl von Zellen bestehen, die ein photovoltaisches Material enthalten. Beachten Sie, dass die Photovoltaik auf industrielle Größe skaliert wurde und dass es große Solarparks gibt.
• Thermoelektrische Generatoren (TEGs) bestehen aus der Verbindung zweier unterschiedlicher Materialien und dem Vorhandensein eines thermischen Gradienten. Große Spannungsausgänge sind möglich, indem viele Verbindungsstellen elektrisch in Reihe und thermisch parallel geschaltet werden. Die typische Leistung beträgt 100–300 μV/K pro Kontaktstelle. Diese können verwendet werden, um mW.s Energie von Industrieanlagen, Strukturen und sogar dem menschlichen Körper zu erfassen. Sie sind typischerweise mit Kühlkörpern gekoppelt, um den Temperaturgradienten zu verbessern.
• Mikrowindturbinen werden verwendet, um in der Umgebung leicht verfügbare Windenergie in Form von kinetischer Energie zu gewinnen, um die elektronischen Geräte mit geringer Leistung wie etwa drahtlose Sensorknoten zu versorgen. Wenn Luft über die Blätter der Turbine strömt, entsteht eine Nettodruckdifferenz zwischen den Windgeschwindigkeiten über und unter den Blättern. Dies führt zu einer erzeugten Auftriebskraft, die wiederum die Blätter dreht. Ähnlich wie die Photovoltaik wurden Windparks im industriellen Maßstab errichtet und werden zur Erzeugung großer Mengen elektrischer Energie genutzt.
• Piezoelektrische Kristalle oder Fasern erzeugen bei mechanischer Verformung eine kleine Spannung. Vibrationen von Motoren können piezoelektrische Materialien stimulieren, ebenso wie der Absatz eines Schuhs oder das Drücken eines Knopfes.
• Spezielle Antennen können Energie aus verstreuten Radiowellen sammeln, dies geht auch mit einer Rectenna und theoretisch bei noch höherfrequenter EM-Strahlung mit einer Nantenne .
• Strom von Tasten, die während der Verwendung eines tragbaren elektronischen Geräts oder einer Fernbedienung gedrückt werden, unter Verwendung von Magneten und Spulen oder piezoelektrischen Energiewandlern, kann verwendet werden, um das Gerät mit Strom zu versorgen.
• Vibration Energy Harvesting basierend auf elektromagnetischer Induktion , die in den einfachsten Versionen einen Magneten und eine Kupferspule verwendet, um einen Strom zu erzeugen, der in Elektrizität umgewandelt werden kann.

Umgebungsstrahlungsquellen

Eine mögliche Energiequelle sind allgegenwärtige Funksender. Historisch gesehen ist entweder ein großer Sammelbereich oder eine unmittelbare Nähe zu der strahlenden drahtlosen Energiequelle erforderlich, um nützliche Leistungspegel von dieser Quelle zu erhalten. Die Antenne ist eine vorgeschlagene Entwicklung, die diese Einschränkung überwinden würde, indem die reichlich vorhandene natürliche Strahlung (wie die Sonnenstrahlung ) genutzt wird.

Eine Idee besteht darin, absichtlich HF-Energie zu senden, um entfernte Geräte mit Strom zu versorgen und Informationen von entfernten Geräten zu sammeln: Dies ist heute in passiven Radiofrequenz-Identifikationssystemen (RFID) üblich, aber die Sicherheits- und US-amerikanische Federal Communications Commission (und gleichwertige Einrichtungen weltweit) begrenzen die maximale Leistung die auf diese Weise auf die zivile Nutzung übertragen werden können. Diese Methode wurde verwendet, um einzelne Knoten in einem drahtlosen Sensornetzwerk mit Strom zu versorgen

Flüssigkeitsströmung

Der Luftstrom kann durch verschiedene Turbinen- und Nicht-Turbinen-Generatortechnologien gewonnen werden. Turmwindturbinen und Airborne Wind Energy Systems (AWES) bauen den Luftstrom ab. Der patentierte Windbeam-Mikrogenerator der Zephyr Energy Corporation beispielsweise erfasst Energie aus dem Luftstrom, um Batterien aufzuladen und elektronische Geräte zu versorgen. Das neuartige Design des Windbeam ermöglicht einen geräuschlosen Betrieb bei Windgeschwindigkeiten von nur 3 km/h. Der Generator besteht aus einem leichten Balken, der von haltbaren, langlebigen Federn innerhalb eines äußeren Rahmens aufgehängt ist. Der Strahl schwingt schnell, wenn er einem Luftstrom ausgesetzt ist, aufgrund der Auswirkungen mehrerer Flüssigkeitsströmungsphänomene. Eine lineare Generatoranordnung wandelt die oszillierende Strahlbewegung in nutzbare elektrische Energie um. Das Fehlen von Lagern und Getrieben eliminiert Reibungsineffizienzen und Geräusche. Der Generator kann in Umgebungen mit wenig Licht betrieben werden, die für Sonnenkollektoren ungeeignet sind (z. B. HVAC-Kanäle) und ist aufgrund kostengünstiger Komponenten und einfacher Konstruktion kostengünstig. Die skalierbare Technologie kann optimiert werden, um die Energieanforderungen und Designbeschränkungen einer gegebenen Anwendung zu erfüllen.

Der Blutfluss kann auch zur Stromversorgung von Geräten verwendet werden. Der an der Universität Bern entwickelte Herzschrittmacher beispielsweise nutzt den Blutfluss zum Aufziehen einer Feder, die wiederum einen elektrischen Mikrogenerator antreibt.

Photovoltaik

Photovoltaische (PV) Energy Harvesting-Funktechnologie bietet gegenüber kabelgebundenen oder rein batteriebetriebenen Sensorlösungen erhebliche Vorteile: praktisch unerschöpfliche Energiequellen mit geringen oder keinen negativen Auswirkungen auf die Umwelt. Indoor-PV-Harvesting-Lösungen wurden bisher durch speziell abgestimmte amorphe Silizium (aSi)-Technologie betrieben, eine Technologie, die am häufigsten in Solarrechnern verwendet wird. In den letzten Jahren sind neue PV-Technologien im Bereich Energy Harvesting in den Vordergrund gerückt, wie beispielsweise Dye Sensitized Solar Cells ( DSSC ). Die Farbstoffe absorbieren Licht ähnlich wie Chlorophyll in Pflanzen. Beim Aufprall freigesetzte Elektronen entweichen in die TiO ₂ -Schicht und diffundieren von dort durch den Elektrolyten, da der Farbstoff auf das sichtbare Spektrum abgestimmt werden kann, kann eine viel höhere Leistung erzeugt werden. Bei 200 Lux kann ein DSSC über 10 µW pro cm ² liefern .

Piezoelektrisch

Der piezoelektrische Effekt wandelt mechanische Belastungen in elektrischen Strom oder Spannung um. Diese Sorte kann aus vielen verschiedenen Quellen stammen. Menschliche Bewegungen, niederfrequente seismische Schwingungen und akustischer Lärm sind alltägliche Beispiele. Außer in seltenen Fällen arbeitet der piezoelektrische Effekt bei Wechselstrom, was zeitvariable Eingaben bei mechanischer Resonanz erfordert, um effizient zu sein.

Die meisten piezoelektrischen Stromquellen erzeugen eine Leistung in der Größenordnung von Milliwatt, zu klein für eine Systemanwendung, aber ausreichend für Handgeräte wie einige im Handel erhältliche Armbanduhren mit Automatikaufzug. Ein Vorschlag besteht darin, dass sie für Geräte im Mikromaßstab verwendet werden, wie beispielsweise in einem Gerät, das mikrohydraulische Energie erntet. Bei dieser Vorrichtung treibt der Fluss von unter Druck stehender Hydraulikflüssigkeit einen hin- und hergehenden Kolben an, der von drei piezoelektrischen Elementen getragen wird, die die Druckschwankungen in einen Wechselstrom umwandeln.

Da Piezo Energy Harvesting erst seit Ende der 1990er Jahre untersucht wird, bleibt es eine aufstrebende Technologie. Dennoch wurden mit dem energieautarken elektronischen Schalter an der INSA School of Engineering, der vom Spin-off Arveni implementiert wurde, einige interessante Verbesserungen vorgenommen. Im Jahr 2006 wurde der Machbarkeitsnachweis eines batterielosen Funk-Türklingeltasters erstellt, und kürzlich zeigte ein Produkt, dass klassische Funk-Wandschalter von einem Piezo-Harvester mit Strom versorgt werden können. Andere industrielle Anwendungen entstanden zwischen 2000 und 2005, um beispielsweise Energie aus Vibrationen zu gewinnen und Sensoren zu versorgen oder Energie aus Stößen zu gewinnen.

Piezoelektrische Systeme können Bewegungen des menschlichen Körpers in elektrische Energie umwandeln. DARPA hat Bemühungen finanziert, Energie aus Bein- und Armbewegungen, Schuhaufprall und Blutdruck zu nutzen, um implantierbare oder tragbare Sensoren mit geringer Leistung zu versorgen. Die Nanobürsten sind ein weiteres Beispiel für einen piezoelektrischen Energy Harvester. Sie können in Kleidung integriert werden. Mehrere andere Nanostrukturen wurden genutzt, um ein Gerät zur Energiegewinnung zu bauen, beispielsweise wurde 2016 ein Einkristall-PMN-PT-Nanogürtel hergestellt und zu einem piezoelektrischen Energiesammler zusammengebaut. Sorgfältiges Design ist erforderlich, um die Unbequemlichkeit des Benutzers zu minimieren. Diese Energiesammelquellen wirken sich durch Assoziation auf den Körper aus. Das Vibration Energy Scavenging Project ist ein weiteres Projekt, das versucht wurde, elektrische Energie aus Umgebungsvibrationen und -bewegungen zu fangen. Microbelt kann verwendet werden, um Strom aus der Atmung zu gewinnen. Da die Bewegungsschwingung des Menschen in drei Richtungen kommt, wird außerdem ein einzelner piezoelektrischer Ausleger-basierter omnidirektionaler Energie-Harvester durch Verwendung einer internen 1:2-Resonanz erzeugt. Schließlich wurde auch schon ein piezoelektrischer Energy Harvester im Millimetermaßstab geschaffen.

Die Verwendung von piezoelektrischen Materialien zur Energiegewinnung ist bereits populär geworden. Piezoelektrische Materialien haben die Fähigkeit, mechanische Dehnungsenergie in elektrische Ladung umzuwandeln. Piezoelemente werden in Gehwege eingebettet, um die "Menschenenergie" der Schritte zurückzugewinnen. Sie können auch in Schuhe eingebettet werden, um „Gehenergie“ zurückzugewinnen. Forscher am MIT entwickelten 2005 den ersten piezoelektrischen Energie-Harvester im Mikromaßstab mit Dünnschicht-PZT. Arman Hajati und Sang-Gook Kim erfanden das piezoelektrische Mikroenergie-Harvestergerät mit ultrabreiter Bandbreite, indem sie die nichtlineare Steifigkeit eines doppelt geklemmten mikroelektromechanischen Systems ausnutzten ( MEMS ) Resonator. Die Dehnungsdehnung in einem doppelt eingespannten Balken zeigt eine nichtlineare Steifigkeit, die eine passive Rückkopplung liefert und zu einer amplitudenversteiften Duffing-Mode-Resonanz führt. Typischerweise werden piezoelektrische Ausleger für das oben erwähnte Energy-Harvesting-System verwendet. Ein Nachteil besteht darin, dass der piezoelektrische Ausleger eine Gradientendehnungsverteilung aufweist, dh der piezoelektrische Wandler wird nicht vollständig ausgenutzt. Um dieses Problem anzugehen, werden dreieckförmige und L-förmige Ausleger für eine gleichmäßige Dehnungsverteilung vorgeschlagen.

Im Jahr 2018 berichteten Forscher der Universität Soochow über die Hybridisierung eines triboelektrischen Nanogenerators und einer Siliziumsolarzelle durch die gemeinsame Nutzung einer gemeinsamen Elektrode. Dieses Gerät kann Sonnenenergie sammeln oder die mechanische Energie von fallenden Regentropfen in Strom umwandeln.

Energie aus intelligenten Straßen und Piezoelektrizität

Die Brüder Pierre Curie und Jacques Curie gaben 1880 das Konzept des piezoelektrischen Effekts vor. Der piezoelektrische Effekt wandelt mechanische Belastung in Spannung oder elektrischen Strom um und erzeugt elektrische Energie aus Bewegung, Gewicht, Vibration und Temperaturänderungen, wie in der Abbildung gezeigt.

Unter Berücksichtigung des piezoelektrischen Effekts in Dünnfilm-Bleizirkonattitanat- PZT wurden mikroelektromechanische Systeme ( MEMS ) zur Stromerzeugungsvorrichtung entwickelt. Während der jüngsten Verbesserung der piezoelektrischen Technologie hat Aqsa Abbasi ) zwei Modi, genannt und, in Schwingungswandlern unterschieden und neu entwickelt, um bei bestimmten Frequenzen von einer externen Schwingungsenergiequelle zu resonieren, wodurch elektrische Energie über den piezoelektrischen Effekt unter Verwendung einer elektromechanischen gedämpften Masse erzeugt wird. Aqsa entwickelte jedoch strahlstrukturierte elektrostatische Bauelemente weiter, die schwieriger herzustellen sind als PZT-MEMS-Bauelemente im Vergleich zu ähnlichen, da die allgemeine Siliziumverarbeitung viel mehr Maskenschritte umfasst, die keinen PZT-Film erfordern. Piezoelektrischen Typ Sensoren und Aktoren haben einen Kragträger - Struktur , die aus einer Membran besteht unteren Elektrode , Film, piezoelektrische Film und die obere Elektrode. Zur Strukturierung jeder Schicht sind mehr als (3~5 Masken) Maskenschritte erforderlich, während eine sehr niedrige induzierte Spannung vorhanden ist. Pyroelektrische Kristalle, die eine eindeutige Polarachse haben und eine spontane Polarisation aufweisen, entlang derer die spontane Polarisation existiert. Dies sind die Kristalle der Klassen 6mm , 4mm , mm2 , 6 , 4 , 3m , 3 , 2 , m . Die spezielle Polarachse – kristallophysikalische Achse X3 – fällt mit den Achsen L6 , L4 , L3 und L2 der Kristalle zusammen oder liegt in der eindeutigen geraden Ebene P (Klasse „m“) . Folglich werden die elektrischen Zentren positiver und negativer Ladungen einer Elementarzelle aus Gleichgewichtslagen verschoben, dh die spontane Polarisation des Kristalls ändert sich. Daher haben alle betrachteten Kristalle eine spontane Polarisation . Da der piezoelektrische Effekt in pyroelektrischen Kristallen durch Änderungen ihrer spontanen Polarisation unter äußeren Einflüssen ( elektrische Felder , mechanische Spannungen) entsteht. Als Folge der Verschiebung führte Aqsa Abbasi eine Veränderung der Komponenten entlang aller drei Achsen ein . Nehmen wir an, dass dies in erster Näherung proportional zu den verursachten mechanischen Spannungen ist , was ergibt, dass Tkl die mechanische Spannung und dikl die piezoelektrischen Module darstellt. ${\displaystyle Pb(Zr,Ti)O_{3}}$${\displaystyle d_{31}}$${\displaystyle d_{33}}$${\displaystyle d_{31}}$${\displaystyle Ps=P3}$${\displaystyle \Delta P_{s}}$${\displaystyle \Updelta P_{s}=(\Updelta P_{1},\Updelta P_{2},\Updelta P_{3})}$${\displaystyle \Updelta P_{s}=(\Updelta P_{1},\Updelta P_{2},\Updelta P_{3})}$${\displaystyle \Delta P_{i}=diklTkl}$

PZT-Dünnschichten haben für Anwendungen wie Kraftsensoren, Beschleunigungsmesser , Gyroskop-Aktuatoren, abstimmbare Optiken, Mikropumpen, ferroelektrische RAMs, Anzeigesysteme und intelligente Straßen Aufmerksamkeit erregt. Wenn die Energiequellen begrenzt sind, spielt Energy Harvesting eine wichtige Rolle in der Umwelt. Smart Roads haben das Potenzial, eine wichtige Rolle bei der Stromerzeugung zu spielen. Das Einbetten von piezoelektrischem Material in die Straße kann den Druck, der von sich bewegenden Fahrzeugen ausgeübt wird, in Spannung und Strom umwandeln.

Intelligentes Transportsystem

Piezoelektrische Sensoren sind am nützlichsten in Smart-Road-Technologien, die verwendet werden können, um intelligente Systeme zu schaffen und die Produktivität auf lange Sicht zu verbessern. Stellen Sie sich Autobahnen vor, die Autofahrer auf einen Stau aufmerksam machen, bevor er sich bildet. Oder Brücken, die melden, wenn sie einsturzgefährdet sind, oder ein Stromnetz, das sich bei Stromausfällen selbst repariert. Seit vielen Jahrzehnten argumentieren Wissenschaftler und Experten, dass der beste Weg, Staus zu bekämpfen, intelligente Transportsysteme sind, wie beispielsweise Sensoren am Straßenrand zur Messung des Verkehrs und synchronisierte Ampeln zur Steuerung des Fahrzeugflusses. Aber die Verbreitung dieser Technologien wurde durch die Kosten begrenzt. Es gibt auch einige andere schaufelfertige Smart-Technology- Projekte, die relativ schnell eingesetzt werden könnten, aber die meisten Technologien befinden sich noch in der Entwicklungsphase und sind möglicherweise erst fünf Jahre oder länger praktisch verfügbar.

Pyroelektrisch

Der pyroelektrische Effekt wandelt eine Temperaturänderung in elektrischen Strom oder Spannung um. Es ist analog zum piezoelektrischen Effekt , der eine andere Art von ferroelektrischem Verhalten ist. Pyroelektrizität erfordert zeitvariable Eingaben und leidet aufgrund ihrer niedrigen Betriebsfrequenzen unter kleinen Leistungsausgaben bei Energy Harvesting-Anwendungen. Ein wesentlicher Vorteil von Pyroelektrika gegenüber Thermoelektrika besteht jedoch darin, dass viele pyroelektrische Materialien bis zu 1200 ⁰C oder höher stabil sind, was die Energiegewinnung aus Hochtemperaturquellen ermöglicht und somit die thermodynamische Effizienz erhöht .

Eine Möglichkeit, Abwärme direkt in Strom umzuwandeln, besteht darin, den Olsen-Zyklus mit pyroelektrischen Materialien auszuführen . Der Olsen-Zyklus besteht aus zwei isothermen und zwei isoelektrischen Feldprozessen im elektrischen Verschiebungsfeld-(DE)-Diagramm. Das Prinzip des Olsen-Zyklus besteht darin, einen Kondensator durch Abkühlen bei einem niedrigen elektrischen Feld aufzuladen und ihn unter Erwärmung bei einem höheren elektrischen Feld zu entladen. Mehrere pyroelektrische Wandler wurden entwickelt, um den Olsen-Zyklus unter Verwendung von Leitung, Konvektion oder Strahlung zu implementieren. Theoretisch wurde auch festgestellt, dass pyroelektrische Umwandlung basierend auf Wärmeregeneration unter Verwendung eines oszillierenden Arbeitsfluids und des Olsen-Zyklus zwischen einem heißen und einem kalten Wärmespeicher einen Carnot-Wirkungsgrad erreichen kann . Darüber hinaus haben neuere Studien Polyvinylidenfluorid-Trifluorethylen [P(VDF-TrFE)]-Polymere und Blei-Lanthan-Zirkonattitanat (PLZT)-Keramiken als vielversprechende pyroelektrische Materialien für den Einsatz in Energiewandlern aufgrund ihrer großen Energiedichten, die bei niedrigen Temperaturen erzeugt werden, etabliert. Darüber hinaus wurde kürzlich eine pyroelektrische Spülvorrichtung eingeführt, die keine zeitvariierenden Eingaben erfordert. Die Energiesammelvorrichtung verwendet das kantendepolarisierende elektrische Feld eines erhitzten Pyroelektrikums, um Wärmeenergie in mechanische Energie umzuwandeln, anstatt elektrischen Strom von zwei Platten zu ziehen, die an den Kristallflächen angebracht sind.

Thermoelektrik

1821 entdeckte Thomas Johann Seebeck , dass ein zwischen zwei ungleichen Leitern gebildeter Temperaturgradient eine Spannung erzeugt. Der Kern des thermoelektrischen Effekts ist die Tatsache, dass ein Temperaturgradient in einem leitenden Material zu einem Wärmefluss führt; dies führt zur Diffusion von Ladungsträgern. Der Ladungsträgerfluss zwischen heißem und kaltem Bereich erzeugt wiederum eine Spannungsdifferenz. Im Jahr 1834 entdeckte Jean Charles Athanase Peltier , dass ein elektrischer Strom durch die Verbindung zweier unterschiedlicher Leiter je nach Stromrichtung als Heizer oder Kühler wirken kann. Die aufgenommene oder erzeugte Wärme ist proportional zum Strom, und die Proportionalitätskonstante wird als Peltier-Koeffizient bezeichnet. Aufgrund der Kenntnis der Seebeck- und Peltier-Effekte können thermoelektrische Materialien heute als Heizer, Kühler und Generatoren (TEGs) verwendet werden.

Ideale thermoelektrische Materialien haben einen hohen Seebeck-Koeffizienten, eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit. Eine niedrige Wärmeleitfähigkeit ist erforderlich, um einen hohen Wärmegradienten an der Verbindung aufrechtzuerhalten. Heute hergestellte thermoelektrische Standardmodule bestehen aus P- und N-dotierten Wismut-Tellurid-Halbleitern, die zwischen zwei metallisierten Keramikplatten angeordnet sind. Die Keramikplatten verleihen dem System Steifigkeit und elektrische Isolierung. Die Halbleiter sind elektrisch in Reihe und thermisch parallel geschaltet.

Es wurden Miniatur-Thermoelemente entwickelt, die Körperwärme in Strom umwandeln und 40 µ W bei 3  V mit einem Temperaturgradienten von 5 Grad erzeugen  , während am anderen Ende der Skala große Thermoelemente in Atom- RTG- Batterien zum Einsatz kommen.

Praxisbeispiele sind der Finger-Herzfrequenzmesser des Holst Centers und die Thermogeneratoren der Fraunhofer-Gesellschaft.

Vorteile der Thermoelektrik:

1. Keine beweglichen Teile ermöglichen einen Dauerbetrieb über viele Jahre.
2. Thermoelektrik enthält keine Materialien, die nachgefüllt werden müssen.
3. Heizen und Kühlen können umgekehrt werden.

Ein Nachteil der thermoelektrischen Energieumwandlung ist der geringe Wirkungsgrad (derzeit weniger als 10 %). Die Entwicklung von Materialien, die in höheren Temperaturgradienten arbeiten können und die Elektrizität gut leiten können, ohne auch Wärme zu leiten (was bis vor kurzem für unmöglich gehalten wurde), wird zu einer höheren Effizienz führen.

Zukünftige Arbeiten in der Thermoelektrik könnten darin bestehen, Abwärme, beispielsweise bei der Verbrennung von Automotoren, in Strom umzuwandeln.

Elektrostatisch (kapazitiv)

Diese Art der Ernte basiert auf der sich ändernden Kapazität schwingungsabhängiger Kondensatoren. Vibrationen trennen die Platten eines geladenen variablen Kondensators, und mechanische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt. Elektrostatische Energy Harvester benötigen eine Polarisationsquelle, um zu funktionieren und mechanische Energie aus Schwingungen in Elektrizität umzuwandeln. Die Polarisationsquelle sollte in der Größenordnung von einigen Hundert Volt liegen; dies verkompliziert die Energieverwaltungsschaltung erheblich. Eine andere Lösung besteht darin, Elektrete zu verwenden , das sind elektrisch geladene Dielektrika, die die Polarisation auf dem Kondensator jahrelang halten können. Hierfür können Strukturen klassischer elektrostatischer Induktionsgeneratoren adaptiert werden, die auch aus veränderlichen Kapazitäten Energie gewinnen. Die resultierenden Geräte sind selbstvorspannend und können Batterien direkt laden oder exponentiell ansteigende Spannungen an Speicherkondensatoren erzeugen, aus denen Energie periodisch durch DC/DC-Wandler entnommen werden kann.

Magnetische Induktion

Magnetische Induktion bezieht sich auf die Erzeugung einer elektromotorischen Kraft (dh Spannung) in einem sich ändernden Magnetfeld . Dieses sich ändernde Magnetfeld kann durch Bewegung erzeugt werden, entweder durch Rotation (dh Wiegand-Effekt und Wiegand-Sensoren ) oder durch lineare Bewegung (dh Vibration ).

Magnete, die auf einem Ausleger wackeln, reagieren selbst auf kleine Vibrationen empfindlich und erzeugen Mikroströme, indem sie sich aufgrund des Faradayschen Induktionsgesetzes relativ zu Leitern bewegen . Durch die Entwicklung eines solchen Miniaturgeräts im Jahr 2007 ermöglichte ein Team der University of Southampton den Einsatz eines solchen Geräts in Umgebungen, die jegliche elektrische Verbindung zur Außenwelt ausschließen. Sensoren an unzugänglichen Stellen können nun ihren eigenen Strom erzeugen und Daten an externe Empfänger übermitteln.

Eine der größten Einschränkungen des an der University of Southampton entwickelten Magnetvibrations-Energie-Harvesters ist die Größe des Generators, in diesem Fall etwa ein Kubikzentimeter, der viel zu groß ist, um in heutige mobile Technologien integriert zu werden. Der komplette Generator inklusive Schaltung ist mit massiven 4 cm mal 4 cm mal 1 cm fast so groß wie manche Mobilgeräte wie der iPod nano. Weitere Reduzierungen der Abmessungen sind durch die Integration neuer und flexiblerer Materialien als Kragträgerkomponente möglich. 2012 entwickelte eine Gruppe der Northwestern University einen vibrationsbetriebenen Generator aus Polymer in Form einer Feder. Dieses Gerät war in der Lage, die gleichen Frequenzen wie das Silizium-basierte Gerät der University of Southampton Group zu erreichen, jedoch mit einem Drittel der Größe der Strahlkomponente.

Ein neuer Ansatz für die Energiegewinnung auf magnetischer Induktionsbasis wurde auch durch die Verwendung von Ferrofluiden vorgeschlagen. Der Zeitschriftenartikel "Electromagnetic ferrofluid-based energy Harvester" diskutiert die Verwendung von Ferrofluiden, um niederfrequente Schwingungsenergie bei 2,2 Hz mit einer Ausgangsleistung von ~80 mW pro g zu gewinnen.

Vor kurzem wurde die Änderung des Domänenwandmusters bei Anwendung von Spannung als Methode zur Gewinnung von Energie unter Verwendung magnetischer Induktion vorgeschlagen. In dieser Studie haben die Autoren gezeigt, dass die angelegte Spannung das Domänenmuster in Mikrodrähten verändern kann. Umgebungsvibrationen können in Mikrodrähten Spannungen verursachen, die eine Änderung des Domänenmusters und damit die Induktion bewirken können. Es wurde eine Leistung in der Größenordnung von uW/cm2 berichtet.

Kommerziell erfolgreiche Vibrationsenergie-Harvester, die auf magnetischer Induktion basieren, sind noch relativ wenige. Beispiele sind Produkte, die vom schwedischen Unternehmen ReVibe Energy , einem Technologie-Spin-out der Saab Group, entwickelt wurden . Ein weiteres Beispiel sind die Produkte, die Perpetuum aus den frühen Prototypen der University of Southampton entwickelt hat. Diese müssen ausreichend groß sein, um die von Wireless Sensor Nodes (WSN) benötigte Leistung zu erzeugen, aber in M2M-Anwendungen ist dies normalerweise kein Problem. Diese Harvester werden heute in großen Mengen für den Antrieb von WSNs von Unternehmen wie GE und Emerson sowie für Zuglagerüberwachungssysteme von Perpetuum geliefert. Freileitungssensoren können magnetische Induktion verwenden, um Energie direkt aus dem überwachten Leiter zu gewinnen.

Blutzucker

Eine andere Möglichkeit der Energiegewinnung ist die Oxidation von Blutzucker. Diese Energy Harvester werden Biobatterien genannt . Sie könnten verwendet werden, um implantierte elektronische Geräte (zB Herzschrittmacher, implantierte Biosensoren für Diabetiker, implantierte aktive RFID-Geräte usw.) mit Strom zu versorgen. Derzeit hat die Minteer Group der Saint Louis University Enzyme entwickelt, mit denen aus Blutzucker Strom gewonnen werden könnte. Allerdings müssten die Enzyme auch nach einigen Jahren noch ersetzt werden. Im Jahr 2012 wurde an der Clarkson University unter der Leitung von Dr. Evgeny Katz ein Herzschrittmacher mit implantierbaren Biobrennstoffzellen betrieben.

Baumbasiert

Das Energie-Harvesting von Bäumen ist eine Art von Bioenergie-Harvesting. Voltree hat eine Methode entwickelt, um Energie aus Bäumen zu gewinnen. Diese Energy Harvester werden verwendet, um Fernsensoren und Mesh-Netzwerke als Grundlage für ein langfristiges Einsatzsystem zur Überwachung von Waldbränden und Wetter im Wald zu betreiben. Laut der Website von Voltree sollte die Nutzungsdauer eines solchen Geräts nur durch die Lebensdauer des Baumes begrenzt werden, an dem es befestigt ist. Ein kleines Testnetzwerk wurde kürzlich in einem US-Nationalpark-Wald installiert.

Andere Energiequellen von Bäumen umfassen die Erfassung der physischen Bewegung des Baumes in einem Generator. Die theoretische Analyse dieser Energiequelle zeigt einige vielversprechende Möglichkeiten für die Stromversorgung kleiner elektronischer Geräte. Basierend auf dieser Theorie wurde ein praktisches Gerät gebaut und ein Jahr lang erfolgreich einen Sensorknoten mit Strom versorgt.

Metamaterial

Ein auf Metamaterial basierendes Gerät wandelt ein 900-MHz- Mikrowellensignal drahtlos in 7,3 Volt Gleichstrom (mehr als ein USB-Gerät) um. Das Gerät kann so eingestellt werden, dass es andere Signale wie Wi-Fi-Signale, Satellitensignale oder sogar Tonsignale erfasst. Das Versuchsgerät verwendete eine Reihe von fünf Glasfaser- und Kupferleitern . Die Umwandlungseffizienz erreichte 37 Prozent. Wenn herkömmliche Antennen im Weltraum nahe beieinander stehen, stören sie sich gegenseitig. Da die HF-Leistung jedoch um das Dreifache der Entfernung sinkt, ist die Leistungsmenge sehr, sehr gering. Während die Behauptung von 7,3 Volt großartig ist, gilt die Messung für einen offenen Stromkreis. Da die Leistung so gering ist, kann fast kein Strom fließen, wenn eine Last angeschlossen ist.

Änderungen des Atmosphärendrucks

Der Druck der Atmosphäre ändert sich im Laufe der Zeit auf natürliche Weise aufgrund von Temperaturänderungen und Wettermustern. Geräte mit geschlossener Kammer können diese Druckunterschiede nutzen, um Energie zu gewinnen. Dies wurde verwendet, um mechanische Uhren wie die Atmos-Uhr mit Strom zu versorgen .

Meeresenergie

Ein relativ neues Konzept der Energiegewinnung ist die Energiegewinnung aus Ozeanen. Auf dem Planeten gibt es große Wassermassen, die große Mengen an Energie mit sich bringen. Die Energie kann in diesem Fall durch Gezeitenströme, Meereswellen, Salzgehaltsunterschiede und auch Temperaturunterschiede erzeugt werden. Ab 2018 werden Anstrengungen unternommen, um auf diese Weise Energie zu gewinnen. Die United States Navy war kürzlich in der Lage, Strom aus den Temperaturunterschieden im Ozean zu erzeugen.

Eine Methode, um die Temperaturdifferenz über verschiedene Ebenen der Thermokline im Ozean zu nutzen, besteht darin, einen thermischen Energie-Harvester zu verwenden, der mit einem Material ausgestattet ist, das in verschiedenen Temperaturbereichen die Phase ändert. Dies ist typischerweise ein polymerbasiertes Material, das reversible Wärmebehandlungen verarbeiten kann. Beim Phasenwechsel des Materials wird die Energiedifferenz in mechanische Energie umgewandelt. Die verwendeten Materialien müssen in der Lage sein, die Phasen von flüssig zu fest zu ändern, abhängig von der Position der Thermokline unter Wasser. Diese Phasenwechselmaterialien in Wärmeenergiesammeleinheiten wären ein idealer Weg, um ein unbemanntes Unterwasserfahrzeug (UUV) aufzuladen oder anzutreiben, da es auf das warme und kalte Wasser angewiesen ist, das bereits in großen Gewässern vorhanden ist; Minimierung der Notwendigkeit für das Aufladen der Standardbatterie. Das Einfangen dieser Energie würde längerfristige Missionen ermöglichen, da die Notwendigkeit entfällt, diese Energie zu sammeln oder zum Aufladen zurückzugeben. Dies ist auch eine sehr umweltfreundliche Methode, Unterwasserfahrzeuge anzutreiben. Es gibt keine Emissionen, die durch die Verwendung einer Phasenwechselflüssigkeit verursacht werden, und sie hat wahrscheinlich eine längere Lebensdauer als die einer Standardbatterie.

Zukünftige Richtungen

Zur Energiegewinnung wurden elektroaktive Polymere (EAPs) vorgeschlagen. Diese Polymere haben eine große Dehnung, elastische Energiedichte und eine hohe Energieumwandlungseffizienz. Das Gesamtgewicht von Systemen auf Basis von EAPs (elektroaktiven Polymeren) soll deutlich geringer sein als bei Systemen auf Basis piezoelektrischer Materialien.

Nanogeneratoren wie der von Georgia Tech könnten eine neue Möglichkeit bieten, Geräte ohne Batterien mit Strom zu versorgen. Ab 2008 erzeugt es nur noch einige Dutzend Nanowatt, was für eine praktische Anwendung zu wenig ist.

Lärm war Gegenstand eines Vorschlags des NiPS-Labors in Italien, um breitbandige Schwingungen im niedrigen Maßstab über einen nichtlinearen dynamischen Mechanismus zu erfassen, der die Ernteereffizienz bis zu einem Faktor 4 im Vergleich zu herkömmlichen linearen Erntemaschinen verbessern kann.

Kombinationen verschiedener Typen von Energy Harvester können die Abhängigkeit von Batterien weiter reduzieren, insbesondere in Umgebungen, in denen sich die verfügbaren Umgebungsenergietypen periodisch ändern. Diese Art von komplementärem, ausgewogenem Energy Harvesting hat das Potenzial, die Zuverlässigkeit von drahtlosen Sensorsystemen für die Überwachung des strukturellen Zustands zu erhöhen.

Siehe auch

Verweise

Externe Links

• Callendar, Hugh Longbourne (1911). "Thermoelektrizität"  . Encyclopædia Britannica . 26 (11. Aufl.). S. 814–821.