Еnergy harvesting: энергия из ничего Олег Нечай

Еnergy harvesting: энергия из ничего

Олег Нечай

Опубликовано 24 апреля 2013

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.

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.

К оглавлению