Energy harvesting – współczesne rozwiązania i możliwości

Koncepcja zbierania energii dostępnej w otoczeniu oraz następnie konwersji jej do postaci energii elektrycznej nie jest niczym nowym – na dużą skalę używa się to we wszelkiego typu elektrowniach korzystających ze źródeł odnawialnych, takich jak turbiny wiatrowe, panele słoneczne lub elektrownie wodne. Idea energy harvesting zakłada gromadzenie energii w znacznie mniejszej skali, na potrzeby zasilania jednego konkretnego urządzenia. Dzięki temu układ ten nie potrzebuje do pracy żadnych innych źródeł energii, takich jak baterie lub zasilanie sieciowe.

Koncepcja energy harvesting świetnie współgra z rozwojem technologii Internetu Rzeczy (IoT, Internet of Th ings) oraz wszelkiego typu urządzeń mobilnych i noszonych. Rozbudowane inteligentne systemy składają się z coraz większej liczby niezależnych czujników zasilanych bateryjnie. Wraz ze zwiększaniem rozmiaru tych systemów coraz bardziej problematyczny staje się ich okresowy serwis, polegający na wymianie lub ładowaniu źródła zasilania. W przypadku niektórych aplikacji, na przykład implantów medycznych, bezinwazyjne dokonanie takiej czynności nie jest w ogóle możliwe. Opracowanie oraz wdrożenie skutecznych metod zbierania energii z otoczenia jest zatem nie tyle możliwością, co raczej koniecznością, powodowaną postępującym upowszechnieniem układów elektronicznych w środowisku oraz ich miniaturyzacji.

Cały proces zbierania oraz wykorzystania energii podzielić można na cztery zasadnicze etapy:

• Zebranie energii dostępnej w bezpośrednim otoczeniu urządzenia;
• Konwersja zebranej energii do postaci energii elektrycznej;
• Przetworzenie energii w układzie zasilania urządzenia;
• Wykorzystanie zebranej energii do zasilania urządzenia – wykonania obliczeń, pomiarów, przesłania informacji, itd.

Obecnie najpopularniejszym sposobem zbierania energii elektrycznej jest korzystanie z ogniw fotowoltaicznych. W wielu aplikacjach ich użycie nie jest jednak możliwe, na przykład z powodu braku oświetlenia urządzenia światłem słonecznym lub niewielkich rozmiarów układu. Inne z popularnych i szeroko dostępnych sposobów pozyskiwania energii to wykorzystanie promieniowania elektromagnetycznego, drgań lub procesów termoelektrycznych. W przypadku urządzeń IoT jednym z podstawowych wymagań projektowych jest zazwyczaj niewielki rozmiar układu. Dodatkowo niezbędna jest odporność na warunki otoczenia, niezawodność pracy oraz stosunkowo niski koszt. Czynniki te wpływają również na oczekiwania dotyczące układu zbierania energii. Z tego powodu nie ma raczej możliwości zastosowania w systemach IoT rozwiązań opartych na energii wiatru, fal wodnych lub źródeł geotermalnych – tego typu koncepcje nie będą zatem uwzględnione w poniższym zestawieniu.

 

Rys. 1. Typowy schemat układu energy harvesting

Energia drgań

Energia kinetyczna drgań występujących w otoczeniu układu może zostać użyta jako źródło energii elektrycznej. Wyróżnia się trzy metody konwersji tej energii: metodę elektromagnetyczną, elektrostatyczną oraz piezoelektryczną. Metoda elektromagnetyczna wykorzystuje zjawisko indukcji elektromagnetycznej oraz tzw. efekt Villariego, czyli odwrotność zjawiska magnetostrykcji. Efekt ten polega na zmianie parametrów magnetycznych ferromagnetyka pod wpływem jego odkształceń. Na skutek tego energia mechaniczna drgań zamieniana jest w energię pola magnetycznego, która następnie, za pomocą cewki, konwertowana jest w energię elektryczną.

Metoda elektrostatyczna wymaga wykorzystania elektretów, czyli materiałów o trwałej polaryzacji dipolowej, będących elektrycznym odpowiednikiem magnesu trwałego. Drgania przenoszą się na powierzchnię elektretu, powodując generowanie ładunku poprzez tzw. efekt tryboelektryczny – zjawisko wytworzenia ładunku elektrycznego poprzez tarcie lub deformację materiałów o właściwościach elektrostatycznych.

W metodzie piezoelektrycznej wykorzystywany jest efekt piezoelektryczny. Na powierzchni niektórych rodzajów materiałów (piezoelektryków) pod wpływem naprężeń mechanicznych pojawiają się ładunki elektryczne. Naprężenia te mogą być generowane przez rozchodzące się w otoczeniu drgania, skutkując bezpośrednią konwersją energii mechanicznej w elektryczną.

 

Rys. 2. Ogólny mechanizm działania układu energy harvesting

W przypadku każdej z wymienionych metod bardzo ważnym elementem projektu układu jest przewidywany model odbieranych przez urządzenie drgań. Częstotliwość występujących w środowisku wibracji jest z reguły dość niska, nie przekraczając zwykle wartości 200 Hz. W przypadku drgań elementów infrastruktury, takich jak mosty lub inne elementy konstrukcyjne, a także drgań generowanych przez ludzkie ciało, wartość częstotliwości wynosi zazwyczaj mniej niż 5 Hz. Amplituda takich wibracji również nie należy do zbyt wysokich – generowane przez nie przyspieszenie rzadko przekracza wartość 10 m/s². W dodatku wartości częstotliwości oraz przyspieszenia potrafią istotnie zmieniać się w sposób losowy wraz z upływem czasu. Zmienność ta znacząco utrudnia zadanie projektantom układów przeznaczonych do zbierania energii – ich optymalne działanie wymaga odpowiedniego dobrania parametrów konstrukcyjnych, takich jak częstotliwość rezonansowa układu, wartość impedancji wyjściowej czy też charakterystyk częstotliwościowych.

Do efektywnej konstrukcji układów niezbędne jest korzystanie z technologii MEMS, pozwalającej na tworzenie oraz integrację w obwodach elektrycznych mikroskopijnych struktur mechanicznych (np. kondensator grzebieniowy), zdolnych do konwersji energii drgań w elektryczną.

Rozwój metod pozyskiwania energii z drgań związany jest również z pracami nad ulepszaniem oraz wytwarzaniem materiałów niezbędnych do konstrukcji tego typu układów. Każda z opisanych metod wymaga zastosowania materiałów o odpowiednich właściwościach elektrycznych lub magnetycznych. Substancje te bardzo często należą do grupy pierwiastków ziem rzadkich, co w istotny sposób podnosi koszt ich pozyskania. Wciąż prowadzone są jednak prace nad otrzymaniem nowych materiałów o lepszych właściwościach, zaś do ich wytworzenia korzysta się m.in. z osiągnięć nanotechnologii.

Od układów zbierających energię wymaga się dużej odporności na warunki środowiskowe oraz niezawodności działania. Jednak w przypadku obwodów konwersji energii drgań właściwości wykorzystywanych materiałów mogą ulec niekorzystnej zmianie już podczas procesu produkcji układu lub na etapie jego dalszej eksploatacji. Przykładowo, piezoelektryk może stracić znaczną część swoich właściwości na skutek mikroskopijnych pęknięć lub uszkodzeń struktury krystalicznej tworzącej tej materiał. To zaś spowoduje redukcję ilości generowanej przez ten element energii elektrycznej. Aby skutecznie przeciwdziałać tego typu efektom, wciąż niezbędne jest głębsze zrozumienie istoty procesów i zjawisk zachodzących w tych materiałach, również na gruncie teoretycznym.

Do skutecznej implementacji tego typu metod na szeroką skalę konieczne jest również uzyskanie dużej powtarzalności charakterystyk materiałów wytwarzanych na potrzeby konstrukcji układów, a także opracowanie skutecznych i zestandaryzowanych metod ich testowania. Prace nad dokumentami standaryzującymi są obecnie prowadzone przez jeden z komitetów Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC, International Electrotechnical Commission). Standaryzacja taka pozwoli nie tylko na wypracowanie mechanizmów obiektywnej oceny układów pochodzących od różnych producentów, ale umożliwi też upowszechnienie dobrych praktyk produkcyjnych oraz postępów w zakresie badań i rozwoju tej technologii.

 

Rys. 3. Typowa architektura układu energy harvesting z magazynowaniem energii

Energia fal radiowych

Fale radiowe są jednym z rodzajów promieniowania elektromagnetycznego – w większości regulacji oraz publikacji klasyfikuje się je jako promieniowanie o częstotliwości poniżej 3000 GHz (3 THz). Współczesny poziom rozwoju cywilizacji spowodował znaczący wzrost różnego typu emisji elektromagnetycznych. Każda z takich emisji związana jest z przesyłem energii, która może zostać za pomocą odpowiednich układów odbiorczych odebrana oraz przekonwertowana w celu dalszego użycia.

Jednym z najbardziej rozpowszechnionych przykładów wykorzystania fal radiowych do transmisji energii i do zasilania urządzenia jest proces bezprzewodowego ładowania. Jego charakterystyczną cechą jest fakt, że fale radiowe są celowo generowane na potrzeby zasilania układu, poza tym odległość między nadajnikiem oraz odbiornikiem jest niewielka. Do pozyskiwania energii elektrycznej z powodzeniem wykorzystywać można jednak również przypadkowe emisje dostępne w otoczeniu, na przykład te z powszechnie używanych pasm, takich jak pasma GSM czy ISM.

Wysoka częstotliwość odbieranego sygnału sprzyja miniaturyzacji układów do pozyskiwania energii, w szczególności rozmiaru anten odbiorczych. Jest to niewątpliwa zaleta, ponieważ w przeważającej większości aplikacji rozmiar oraz masa urządzenia są czynnikami krytycznymi, mającymi duże znaczenie dla projektantów oraz konstruktorów. Obwody przetwarzania energii pozyskanej z fal radiowych są co do zasady podobne do omawianych w poprzedniej części układów konwersji energii z drgań, wymagają jednak rozwiązania problemów związanych z wysoką częstotliwością odebranego sygnału, takich jak niska efektywność układów konwersji napięć. Wraz z rozwojem technologii 5G zbieranie energii fal radiowych o wyższych częstotliwościach będzie coraz bardziej atrakcyjnym rozwiązaniem, pozwalającym na dalszą redukcję rozmiarów tego typu układów, jednak przy konieczności zachowania dużej staranności w procesie projektowania obwodów zasilania.

 

Rys. 4. Typowa architektura układu energy harvesting z bezpośrednim wykorzystaniem generowanej energii

Anteny prostujące (rectenna) to anteny wyposażone w zintegrowane obwody przetwarzania oraz prostowania sygnału, generujące na wyjściu napięcie stałe pochodzące z konwersji energii fal elektromagnetycznych odebranych przez układ. Antena prostująca składa się zazwyczaj z trzech bloków: anteny, dopasowania impedancyjnego oraz prostownika. Niemal zawsze, szczególnie w sytuacji, gdy poziom generowanej mocy jest niewielki, energia dostępna jest jedynie okresowo lub nie jest wystarczająca do bezpośredniego zasilania obwodów odbiorczych, stosuje się dodatkowe elementy gromadzące energię, najczęściej kondensatory lub superkondensatory.

Sprawność procesu gromadzenia oraz konwersji energii fal radiowych zależy przede wszystkim od sprawności dwóch elementów: anten oraz układu konwersji napięcia (prostownika). Wciąż prowadzone jest wiele prac mających na celu poprawę efektywności obu tych elementów. Jednym z obiecujących kierunków jest wykorzystanie nowych rodzajów materiałów półprzewodnikowych (jak arsenek galu) do konstrukcji diod prostowniczych. Tematyka ta znajduje się obecnie w obszarze zainteresowań wielu zespołów badawczych oraz dużych przedsiębiorstw z branży elektroniki, w najbliższym czasie należy zatem spodziewać się uzyskania znaczących postępów i usprawnień w jej rozwoju.

Energia termiczna

Różnego rodzaju analizy wskazują, że nawet do 70% całkowitej ilości energii otrzymywanej i generowanej przez ludzką cywilizację rozpraszana jest ostatecznie w postaci ciepła, bardzo często prowadząc do strat oraz obniżenia efektywności energetycznej wybranych systemów. W większości przypadków uzyskana w ten sposób temperatura nie przekracza 100°C, dzięki czemu nie stanowi zagrożenia dla układów elektronicznych. Energia termiczna uwalniana w postaci ciepła może zostać ponownie przetworzona do postaci energii elektrycznej za pomocą odpowiednich układów konwersji.

 

Rys. 5. Energia elektryczna odzyskana z energii cieplnej

Jednym z fundamentów tej koncepcji jest zjawisko Seebecka, polegające na powstaniu siły elektromotorycznej w obwodzie zawierającym dwa metale lub półprzewodniki, gdy ich złącza znajdują się w różnych temperaturach. Zjawisko to wykorzystywane jest między innymi w termoparze. Jeśli pomiędzy dwoma końcami przewodnika występuje różnica temperatury, pojawia się również proporcjonalna do niej różnica wartości potencjału elektrycznego, czyli napięcia. Każdy z materiałów charakteryzuje się inną wartością przyrostu napięcia w funkcji różnicy temperatury – proporcja ta określana jest jako współczynnik Seebecka. Do praktycznych zastosowań w układach gromadzenia energii najlepiej nadają się materiały o jak najwyższej wartości współczynnika Seebecka. Wśród występujących naturalnie metali i ich związków ciężko znaleźć kandydatów charakteryzujących się wystarczająco dobrymi właściwościami, konieczne jest zatem opracowanie nowych substancji. W tym celu prowadzone jest obecnie wiele prac z zakresu inżynierii materiałowej oraz nanotechnologii. Dość dużo uwagi przyciągają również elastyczne materiały pochodzenia organicznego, typowane jako szczególnie atrakcyjne rozwiązanie w przypadku urządzeń noszonych. Jedną z ich największych zalet jest zdolność do swobodnego formowania kształtu, co pozwoli na zwiększenie efektywnej powierzchni gromadzenia energii.

 

Rys. 6. Schemat działania termopary – układu wykorzystującego efekt Seebecka

W praktyce układ gromadzący energię termiczną realizuje się jako równoległe połączenie pewnej liczby termopar, co pozwala zwiększyć wartość generowanego napięcia wyjściowego. Jeden z końców układu, tzw. zimne złącze, podłącza się zazwyczaj do radiatora, co pozwala zwiększyć gradient temperatur. Tzw. ciepłe złącze umieszcza się jak najbliżej źródła ciepła. Duży wpływ na efektywność działania układu ma nie tylko rodzaj materiałów wykorzystanych do konstrukcji termopar, ale również ich geometria (liczba, grubość oraz długość termopar), pozwalająca na optymalizację zarówno wartości przewodnictwa cieplnego, jak i rezystancji.

Większość układów elektronicznych do poprawnej pracy wymaga stabilnego napięcia zasilania rzędu przynajmniej 1 V. Napięcie wyjściowe układu gromadzącego energię termiczną jest proporcjonalne do różnicy temperatury na jego złączach, dla efektywnego działania aplikacji pożądane jest zatem uzyskanie jak największej wartości tej różnicy. W praktyce jednak wartość ta jest zazwyczaj dość mała, co w efekcie uniemożliwia bezpośrednie wykorzystanie sygnału wyjściowego. Dodatkowo, zmienność gradientu temperatury w czasie prowadzić będzie do niestabilności otrzymywanego napięcia zasilania. Do poprawnej pracy tego typu układu konieczne jest zatem skorzystanie z obwodu regulującego oraz stabilizującego wartość napięcia. Każdy układ konwersji napięcia ma minimalną wartość napięcia wejściowego wymaganą do jego poprawnej pracy, charakteryzuje się również pewną sprawnością konwersji. Do głównych wyzwań podczas projektowania układu gromadzącego energię termiczną zalicza się zatem spełnienie tych minimalnych wymagań oraz uzyskanie niezbędnej mocy wyjściowej, zdolnej do zasilania urządzenia.

Podobnie jak w przypadku innych systemów gromadzenia energii, w sytuacji braku możliwości zapewnienia bezpośredniego, stabilnego oraz ciągłego poziomu zasilania konieczne jest zastosowanie układu magazynującego energię w postaci kondensatora lub akumulatora.

 

Rys. 7. Przykładowa konstrukcja układu konwersji energii termicznej w elektryczną składająca się z połączonych równolegle termopar

Podsumowanie

Energy harvesting, czyli zasilanie urządzeń za pomocą energii zebranej z otoczenia, to jeden z najbardziej obiecujących kierunków współczesnej elektroniki. Wraz z miniaturyzacją układów oraz ich malejącym zapotrzebowaniem na energię elektryczną, coraz łatwiejsze staje się pozyskanie niezbędnej mocy zasilania poprzez konwersję energii świetlnej, mechanicznej, czy termicznej za pomocą wbudowanych w urządzenie obwodów. Skuteczna implementacja tego rozwiązania niesie ze sobą wiele zalet – zmniejszenie rozmiarów, masy oraz kosztów urządzenia, uproszczenie jego obsługi oraz wydłużenie czasu życia. Rozwój układów zdolnych do gromadzenia oraz konwersji energii pochodzącej z różnych źródeł bez wątpienia przyczyni się do dalszego upowszechnienia systemów IoT.

Bez względu na rodzaj wykorzystywanej energii, każdy układ przeznaczony do jej zbierania składać się musi z przetwornika, czyli elementu dokonującego konwersji wybranej energii na energię elektryczną oraz obwodu przetwarzania sygnału, generującego na wyjściu sygnał użyteczny do zasilania urządzenia. Efektywność całego procesu zależy w zasadzie głównie od efektywności tych dwóch elementów. Wciąż trwają intensywne prace nad rozwojem nowych technik i materiałów zwiększających skuteczność procesu konwersji oraz przetwarzania energii, co w niedalekiej przyszłości powinno skutkować dalszym wzrostem możliwości tego typu układów.

Damian Tomaszewski