Piątek, 25 października 2019

Kiedy skorzystamy z energii wolnodostępnej?

Zasilanie elektroniki energią wolnodostępną, a więc za pomocą specjalnego urządzenia wychwytującego ją z otoczenia (energy harvesting), to cały czas popularny temat, zwłaszcza w kontekście rozwoju aplikacji IoT, beaconów, elektroniki noszonej, urządzeń telemetrycznych lub aplikacji sportowych. Energia wolnodostępna w takich obszarach wydaje się perspektywicznym źródłem zasilania, zapewniającym wiele korzyści technicznych i biznesowych, niemniej lata lecą i wydaje się, że pomijając kilka wyjątków komercjalizacja tej technologii, to cały czas odległy i niejasny horyzont. Niezmienne jest jedynie to, że energy harvesting cały czas się dobrze zapowiada.

Kiedy skorzystamy z energii wolnodostępnej?

Źródłem energii wolnodostępnej może być praktycznie wszystko: drgania, światło, różnica temperatur, fale radiowe, naprężenia mechaniczne i podobne. Za pomocą specjalnego przetwornika przekształca się energię z tych źródeł w prąd po to, aby naładować superkondensator, a dalej z niego zasilać aplikację. Takie techniki różnią się koncepcyjnie od źródeł odnawialnych tym, że wydajność jest mniejsza, ale za to energia jest stale dostępna i może posłużyć do zasilania także w nocy lub gdy nie ma wiatru.

W taki sposób, radioizotopowym generatorem termoelektrycznym zasilana jest aparatura w kosmosie i urządzenia turystyczne. Termopary sterują też zaworami gazu w domowych kuchenkach. Z kolei odbiornik detektorowy to znakomity przykład techniki, która dała początek aplikacjom RFID, także wykorzystującym ten rodzaj zasilania. Poza tym jest mnóstwo gadżetów i zabawek, które nie mają baterii, ale też większego znaczenia komercyjnego oraz trochę specjalistycznych rozwiązań o bardzo niewielkiej skali.

Relatywnie spory potencjał rynkowy w zakresie zasilania energią wolnodostępną ma chyba tylko system przełączników instalacyjnych EnOcean, gdzie w obudowie zwykłego ściennego przełącznika wbudowano magnetodynamiczny generator energii napędzany klawiszem, który zasila nadajnik radiowy sygnalizujący zmianę stanu. Drugi przykład to podgrzewacz wody firmy Bosch, w którym do zasilania elektroniki zaprzęgnięto niewielką turbinę wodną.

Przeszukiwanie Internetu pod kątem gotowych produktów i zakończonych wdrożeń daje niewiele więcej wyników. Natomiast koncepcje, prace badawczo-naukowe, opisy pomysłów z czego można by jeszcze przechwycić energię ciągną się przez dziesiątki stron z wynikami. Można odnieść wrażenie, że autorzy takich prac skupiają się nie na tym, aby energię tę uczynić użytecznym źródłem, ale osiągnąć jakieś wyimaginowane mistrzostwo w tym, że udało im się złapać jakieś nanodżule np. z wyładowań elektrostatycznych powstających przy wyginaniu plastiku.

Wadą energii wolnodostępnej jest to, że jest jej bardzo mało i nawet przy dzisiejszych rekordach w zakresie obniżania poboru mocy cały czas większość takich źródeł jest po prostu za słaba. Te wydajniejsze są z kolei duże, ciężkie i niepraktyczne w zastosowaniu, gdzie mogłyby właśnie się przydać.

Chemiczne źródła prądu są bezkonkurencyjne, jeśli chodzi o dostarczaną moc przy równoważnej wielkości. Poza tym nietrudno obliczyć, że przy 1-mikroamperowym obciążeniu, a więc poziomie mocy wyjściowej charakterystycznym dla typowych źródeł energy harvesting, zwykła litowo- jonowa bateria guzikowa (220 mAh) starczy na 25 lat. Niełatwo podać przykład zastosowania, gdzie wymiana baterii raz na tyle lat byłaby wyjątkową uciążliwością ani też takiej, która musi działać tyle czasu bez przerwy. Od strony dostępnej mocy energia wolnodostępna jest więc mało konkurencyjna.

Problemem są też koszty. Przetwornik przechwytujący (harvester) to zwykle skomplikowana konstrukcja mechaniczna składająca się z dźwigni, masy drgającej, cewki, stosu termopar lub innych wymyślnych mechanizmów. Ich wspólną cechą jest spory koszt, który dodatkowo trzeba jeszcze zwiększyć o specjalizowaną przetwornicę i element gromadzący energię, który zapewnia możliwość szczytowego poboru prądu o dużym natężeniu. W porównaniu do baterii koszty implementacji są tutaj wielokrotnie większe.

W takiej rzeczywistości najlepszą masową i komercyjną aplikacją wydaje się być analogowy zegarek ze sprężyną nakręcaną mechanizmem wahadłowym.

Robert Magdziak

Polecane

Nowe produkty

Zobacz również