Zaskakujące sposoby pozyskiwania energii

Poniedziałek, 04 lutego 2008 | Technika

Wraz z postępującą miniaturyzacją układów elektronicznych, zmniejsza się ich zapotrzebowanie na energię. Zastosowanie energooszczędnych układów elektronicznych w urządzeniach przenośnych umożliwia dłuższą pracę na tych samych bateriach lub daje szansę użycia mniejszych akumulatorów.W przypadku urządzeń kontrolnych, instalowanych w miejscach odległych i trudnodostępnych, pojawiły się możliwości stosowania układów bezprzewodowych, które długo pracują bez obsługi ze strony człowieka.

Zaskakujące sposoby pozyskiwania energii

Rys.1. Schemat blokowy przykładowego układu pozyskiwania energii

Zaczęto więc poszukiwać innych niż tradycyjne, alternatywnych źródeł energii o małej mocy. Okazało się szybko, że takie źródła można znaleźć niemal wszędzie. Energię w małych ilościach można pozyskiwać w zdumiewający nieraz pomysłowością sposób.

Rys.2. Kompletne moduły przetwarzania energii firmy Advanced Linear Devices

Pobieranie energii z rozmaitych źródeł, nazwane po angielsku „energy harvesting”, stało się zupełnie nową i bardzo obiecującą dziedziną, która pozwoli uniknąć kłopotów z zasilaniem urządzeń bardzo małej mocy, których serwis jest utrudniony. Taki nowatorski sposób zasilania często pozwala nawet na rezygnację z baterii. Jednakże przystosowywanie układów do tak specyficznych warunków nie jest łatwe.

Skąd brać prąd?

Źródła energii można znaleźć niemal wszędzie. Można na przykład korzystać z energii mechanicznej urządzeń, żywych stworzeń i sił natury oraz ze zmian sił elektrostatycznych lub magnetycznych. Wykorzystuje się także przepływ gazów i cieczy, zmiany ciśnienia i różnice temperatury. Możliwe jest także odbieranie energii fal elektromagnetycznych lub akustycznych, wykorzystywanie reakcji chemicznych i wielu innych.

Energię elektryczną daje się pozyskiwać z otoczenia za pośrednictwem rozmaitych przetworników. Główną trudnością, jaką się przy tym napotyka, jest niestała ilość dostarczanej energii. Przetworniki niekiedy zupełnie nie generują prądu, czasami tylko śladowe ilości, a w niektórych sytuacjach tworzą prądy grożące uszkodzeniem odbiornika.

Rys.3. Mikrogenerator wykorzystujący opady deszczu

Układ pozyskiwania energii (harvester) gromadzi ładunek i generuje prąd elektryczny jedynie wtedy, gdy odpowiednia energia pojawia się na jego wejściu. Produkuje on energię w sposób przerywany, niekontrolowany i nieregularny, przy zmiennej impedancji wewnętrznej. Energia elektryczna na wyjściu może pojawiać się np. w impulsach ładunku, o różnej charakterystyce czasowej, różnym natężeniu i z różnym napięciem. Zadaniem przetwornika jest gromadzenie i przechowywanie tej energii oraz zapewnianie niezawodnego i przewidywalnego zasilania np. bezprzewodowej sieci czujników. Musi on tak nią gospodarować, aby wystarczyło jej na wzbudzenie systemu i na wykonanie kompletnego cyklu działania. Zazwyczaj musi on odebrać sygnały, przetworzyć je i przesłać do stacji centralnej, która monitoruje dane z czujników (rys. 1). Ważnymi składnikami układu pozyskiwania energii są: układ zbierający, element magazynujący oraz układ zarządzający z wyłącznikiem, który decyduje o przekazaniu ładunku do układu nadawczego.

Rys.4. Piezoelektryczny czujnik naprężeń mechanicznych

Układy pozyskiwania energii są często produkowane w postaci wydzielonych modułów. Działają na zasadzie samozasilania i pozostają zawsze w trybie aktywnym, gotowe do odbioru impulsów energii ze źródeł o różnej impedancji. Niektóre rozpoczynają pracę już przy zerowym napięciu zasilania, dzięki czemu nawet najmniejszy ładunek zostaje schwytany i przechowany do późniejszego wykorzystania. Moduły są przystosowane do przechowywania ładunku bez strat, przez długi czas, aby energia mogła być wykorzystywana wtedy, gdy jest najbardziej potrzebna.

Przykładowe rozwiązania

Rys.5. Elektromagnetyczny przetwornik energii mechanicznej wibracji, z umocowaną na sprężynie masą

Firma Advanced Linear Devices opatentowała technologię EPAD (Electrically Programmable Analog Device), która umożliwia działanie modułów zbierających energię przy zerowym zasilaniu. Wykorzystuje się w niej tranzystory MOSFET o napięciach progowych od -3,6V do 3,3V. Moduły firmy ALD, EH301 (rys. 2), mogą działać w sposób przerywany, gromadzą i przechowują energię z najrozmaitszych źródeł. Moduł EH301 gromadzi 8,3mJ i może dostarczać prądu 25mA przez 80ms, a EH301A 55mJ i może dostarczać 150mA przez 88ms. Moduły te mogą służyć np. do zasilania układów Bluetooth napięciem z zakresu 3V do 5V. Są one także instalowane w przetwornikach termoelektrycznych Perpetuum ECT (Energy Converter Thermo) firmy EnOcean, które z różnicy temperatury dwóch ośrodków generują energię elektryczną, zdolną do zasilania bezbateryjnie działających bezprzewodowych urządzeń ultraniskiej mocy. Przetworniki te składają się z konwencjonalnych elementów Peltiera i przetworników DC-DC, rozpoczynających działanie przy napięciu 10mV, a dostarczających napięcia 4,5V. Moc wyjściowa tego przetwornika mieści się w zakresie od mikrowatów do kilku miliwatów i zależy od przyłożonej różnicy temperatur. Bezbateryjne i bezprzewodowe termoelektryczne czujniki temperatury prawdopodobnie znajdą w przyszłości szerokie zastosowanie w sterowaniu systemami klimatyzacyjnymi oraz w kontroli i przy pomiarach kosztów w systemach centralnego ogrzewania.

W konstrukcji elementów termoelektrycznych stosuje się obecnie nowe materiały ceramiczne, o dobrej przewodności elektrycznej i słabej przewodności cieplnej. Opracowywane są także nowe materiały, pozwalające podwoić, a nawet potroić, wydajność generatorów termoelektrycznych.

Rys.6 Mechaniczny mikrogenerator rezonansowy, przetwarzający energię drgań maszyn elektrycznych

Do pozyskiwania energii z wibracji mechanicznych stosuje się często przetworniki piezoelektryczne. Wykorzystują one nacisk lub naprężenia mechaniczne, wywierane na materiał piezoelektryczny. W efekcie powstaje pole elektryczne i różnica napięć, proporcjonalna do siły. Generowane napięcie zmienia się nieregularnie z czasem i zależy od nacisku. W jednym z systemów do pozyskiwania energii używa się piezoelektrycznych włókien kompozytowych, które zamieniają wibracje w niewielkie ładunki elektryczne. Maksymalny uzyskiwany ładunek elektryczny może się zmieniać nawet o kilka rzędów wielkości.

Istotnymi parametrami przetwornika są zdolność wykorzystania minimalnego ładunku użytecznego oraz wytrzymałość na ładunek zbyt duży. Wartości te wynoszą od 200nA przy 4V do 0,4A przy 600V.

Rys.7. Krzywe mocy wyjściowej mikrogeneratora Perpetuum PMG17 w funkcji częstotliwości drgań maszyn elektrycznych, w zależności od amplitudy, wyrażonej w g (przyspieszenie ziemskie). Wykres wykonany dla częstotliwości europejskiej sieci energetycznej 50Hz

Układy pobierające energię muszą dostarczać napięcie o wartości wymaganej przez odbiornik, tj. zazwyczaj od 3V do 5V, a pobierana energia liczona jest w mikro- lub milidżulach. Pozwala to na zasilanie urządzeń takich jak czujniki pracujące w sieciach ZigBee, które korzystają z napięć od 1,8V do 3,6V i pobierają 25mA prądu w czasie 10-milisekundowej transmisji (rys. 3).

Przetworniki piezoelektryczne z włókien kompozytowych produkuje m.in. firma Advanced Cerametrics. Przy częstotliwości 35Hz i nacisku 140g wytwarzają one napięcie 500Vpp, co pozwala w ciągu 4s naładować kondensator 400μF do napięcia 50V. Niektóre z tych przetworników mogą wygenerować nawet 4000Vpp.

Rys.8. Mikrogenerator Perpetuum PMG17 generuje napięcie zmienne, proporcjonalne do amplitudy wibracji, które jest prostowane przez mostek prostowniczy i wygładzane przez kondensatory filtrujące. Dopiero po ich naładowaniu, MOSFET przyłącza kondensator magazynujący ładunek.

Prowadzone są obecnie badania nad stworzeniem tkanin z włókien o własnościach piezoelektrycznych, które, użyte w odzieży wierzchniej, mogłyby służyć np. do generacji energii elektrycznej, wykorzystywanej do ładowania baterii w telefonie komórkowym.

Innym przykładem są produkty firmy MicroStrain, która wytwarza bezbateryjne czujniki naprężeń mechanicznych (rys. 4). Mogą one pracować bez jakichkolwiek ograniczeń w czasie. Są one zasilane energią pozyskiwaną z wibracji. Nieustanne monitorowanie wirujących elementów np. helikoptera pozwala rejestrować występujące w nich zmienne naprężenia, określać stopień ich zmęczenia i oceniać pozostały do wymiany czas ich życia. Odczytane dane zapisywane są w nieulotnej pamięci czujnika, oraz periodycznie przesyłane do małej przenośnej stacji gromadzenia danych, umieszczonej w kabinie helikoptera, pobierającej tylko 250μW. W porównaniu do zwykłego układu mostka Wheatstona, pobierającego 72mW, bezprzewodowy czujnik MicroStrain jest 288-krotnie oszczędniejszy.

Na ręce i w plecaku

Rys.9. Moduł fotooptycznego układu pozyskiwania energii firmy enOcean

Innymi sposobami wykorzystania energii mechanicznej do pracy urządzeń jest np. stosowane od lat nakręcanie zegarków sprężynowych. Tymczasem kilka lat temu pojawiły się pomysły, by urządzenia zbierające energie instalować np. w plecakach, co pozwoliłoby na zasilanie sprzętu elektronicznego niesionego w plecaku. Mogą to być urządzenia wojskowe, ratownicze lub naukowe. Generator taki pozwala zmniejszyć pojemność baterii, zasilających ten sprzęt. Działanie takiego moduły wykorzystuje cykliczne pionowe ruchy człowieka o amplitudzie około 5cmpp. Główną częścią plecaka jest niesiona przez piechura sztywna rama, w której na sprężynach jest zamocowany właściwy pojemnik. Idący wprawia pojemnik w ruchy oscylacyjne, które poprzez zębatkę z zapadką napędzają małą prądnicę. Około 40-kilogramowy ładunek plecaka pozwala generować energię elektryczną o mocy do 7W.

Energię idącego człowieka próbuje się wykorzystywać także na inne sposoby. W butach, najczęściej pod piętą, umieszcza się piezoelektryczne generatory energii elektrycznej, która może być wykorzystywana do zasilania różnego rodzaju miniaturowego sprzętu przenośnego. Z jednego buta tą metodą da się uzyskać 1-2W. Modny stał się ostatnio pomysł młodzieżowych butów sportowych, wyposażonych w kółka do ślizgania się po gładkich nawierzchniach. Zastosowane miniaturowe prądnice zasilają umieszczone na czubkach obuwia wyświetlacze, sugerujące właścicielowi wskazówką kierunek poruszania się. Pomysłodawcy proponują połączenie takich adidasów na przykład z odbiornikiem GPS.

Rys.10. Bezbateryjny i bezprzewodowy, piezoelektryczny czujnik naprężeń mechanicznych Ţ rmy MicroStrain (u góry) może zostać użyty do monitorowania drgań wirnika w śmigłowcu

Mnożą się również propozycje wykorzystywania nacisku stóp dużej liczby przechodniów na chodniki i schody w miejscach publicznych, a także kół pojazdów na nawierzchnię, do generacji energii elektrycznej do zasilania np. znaków informacyjnych.

Według ocen NASA człowiek śpiący generuje około 80W mocy, stojący około 130W, idący 160W, a szybko maszerujący 400W. Biegnący długodystansowiec wytwarza ponad 1000W, a sprinter ponad 1600W. Gdyby dałoby się choć drobną część tej mocy biologicznej przetworzyć w elektryczną, można by nią było zasilać bardzo przydatne wyposażenie podręczne. Ale sprawność jej przetwarzania jest obecnie bardzo mała. W przypadku wykorzystywania cieplnej energii ludzkiego ciała, z pomocą współczesnych materiałów termoelektrycznych, nie przekracza ona 3%.

Gromadzenie energii

Energię drgań rezonansowych można gromadzić w polu elektrycznym lub magnetycznym. Rysunek 5 ilustruje elektromagnetyczny sposób przetwarzania energii mechanicznej w elektryczną. Cewka połączona z oscylującą masą porusza się w polu magnetycznym trwałego magnesu, które indukuje w niej napięcie. Jednak gęstość mocy takiego przetwornika jest stosunkowo mała.

Znacznie większa gęstość mocy jest osiągana przy przetwarzaniu elektrostatycznym, za pomocą zmian pojemności czułego na wibracje kondensatora, waraktora. Gdy jest on wstępnie naładowany, a drgania poruszają jego elektrodami, energia mechaniczna jest przetwarzana w elektryczną. Najbardziej atrakcyjną cechą tej metody jest jej konstrukcyjna kompatybilność z układami scalonymi, ponieważ waraktory MEMS są wytwarzane stosunkowo zaawansowaną techniką mikroobróbki krzemu. W metodzie tej daje się osiągać względnie duże napięcia.

Przykładem przetwarzania energii mechanicznej w elektryczną mogą być mikrogeneratory Perpetuum, wyłapujące wibracje o częstotliwości 100Hz lub 120Hz pochodzące z maszyn zasilanych sieciowym prądem przemiennym, za pomocą wyspecjalizowanego rezonatora mechanicznego, sprzężonego z układem magnetycznym. Służą one do bezprzewodowego akcelerometrycznego monitorowania amplitudy drgań maszyn, i równoczesnego zasilania urządzeń monitorujących. Usprawnia to znacznie serwis maszyn i skraca przestoje. Mikrogenerator PMG17 o masie 0,7kg (rys. 6) przy drganiach o przyspieszeniu 0,025g może dostarczyć 0,8mW mocy elektrycznej, a przy drganiach 1g, 40mW. Rysunek 7 ilustruje zależność mocy elektrycznej od przyspieszenia i częstotliwości. Na rys. 8 przedstawiono schemat elektryczny omawianego generatora. Zastosowano w nim diody prostownicze BAS16 firmy ON Semiconductor, o niskim napięciu przewodzenia i małym prądzie wstecznym, co podwyższa sprawność prostownika. Tranzystor MOSFET przyłącza kondensator końcowy, dopiero gdy kondensatory filtrujące zostaną naładowane, dzięki czemu napięcie wyjściowe ustala się około 30-krotnie szybciej.

Analogiczne mikrogeneratory PMG27 są przeznaczone do użytku w lotnictwie, a PMG37 w transporcie drogowym.

Nieco ponad dwa lata temu firma enOcean zaoferowała fotooptyczny moduł pozyskiwania energii STM100 (rys. 9), o rozmiarach 1x2x4cm. Zawiera on dwa ogniwa fotooptyczne, zbiornik ładunku, mikroprocesor, analogowy i cyfrowy interfejs czujnika i nadajnik radiowy. Jedno z fotoogniw zapewnia szybki start, a rolą drugiego jest gromadzenie ładunku. Moduł jest przeznaczony do działania w pomieszczeniach wewnętrznych, w związku z czym do jego poprawnej pracy wystarcza oświetlenie 200lx – typowe w oświetlonych pomieszczeniach budynków. Zmagazynowana energia wystarcza na nieprzerwaną pracę przez 5 dni. Zapewnia on niezawodną łączność radiową w systemie z wykorzystaniem wyrafinowanych protokołów komunikacyjnych, z szybkim wielokrotnym przesyłaniem danych, detekcją błędów i niepowtarzalnym adresowaniem.

W medycynie

Oddzielną dziedziną, w której stosowane są niekonwencjonalne sposoby pozyskiwania energii jest transplantologia medyczna. Prowadzone są prace nad sposobami zasilania implantów biomedycznych z wykorzystaniem energii kinetycznej poszczególnych kończyn, za pośrednictwem piezoelektrycznych przetworników pulsującego ciśnienia krwi lub jej mikrohydraulicznego przepływu. Obecnie implanty mogą być zasilane jedynie z baterii, które z powodu ograniczonej pojemności i rozmiarów muszą być regularnie wymieniane, co stanowi istotne ograniczenie w ich stosowaniu. Nowoczesne implanty, wyposażone w dobrą łączność bezprzewodową, mogą stać się podstawą inteligentnej infrastruktury opieki medycznej nad chorym. Ich systemy zasilające zapewnią magazynowanie nieregularnie pozyskanej energii i stabilizację napięcia. Oprócz dostarczania informacji diagnostycznych biokompatybilne implanty będą mogły drogą stymulacji elektrycznej dokonywać zabiegów terapeutycznych i dozowania leków, zgodnie ze spersonalizowanymi algorytmami.

Algorytmy te będą mogły być bez trudu w razie potrzeby modyfikowane.

Krzysztof Pochwalski