Введение
Как правило, электрическая энергия, получаемая из таких нестандартных источников, измеряется десятками микроватт, поэтому реализация подобных решений требует тщательного подхода к управлению энергоресурсами.
Один из наиболее распространенных видов внешних воздействий — это механическая вибрация. Ее источниками могут быть индустриальное оборудование, транспорт или движение потоков воздуха. Для преобразования этих сил в электрический ток обычно используются пьезоэлектрические элементы.
LTC3588-1 — новая микросхема от Linear Technology, предназначенная для управления процессами аккумулирования энергии, получаемой от пьезоэлемента, и эффективной передачи ее конечному устройству (рис. 1). Микросхема имеет встроенный мостовой вы- прямитель с низкими потерями и синхронный импульсный DC/DC-преобразователь, оптимизированные для работы с высокоимпедансным пьезоэлектрическим элементом, имеющим характерные значения тока порядка 10 мкА.
Рис. 1. Пьезоэлектрический источник питания
Из-за малой мощности пьезоэлектрического источника типичные значения тока, отдаваемого LTC3588-1 в нагрузку, значительно превосходят входной ток элемента. Это накладывает соответствующие ограничения на режим работы конечного устройства, использующего такой источник энергии. Бóльшую часть времени оно должно находиться в режиме пониженного энергопотребления. Например, это может быть беспроводной датчик, включающийся через определенные интервалы времени для того, чтобы произвести измерения, передать данные и снова вернуться в энергосберегающий режим.
Разнообразие решений
Помимо энергии пьезоэлектрических элементов, получаемой преобразованием энергии вибрации, LTC3588-1 способна работать и с другими источниками энергии. Характеристики встроенного мостового выпрямителя позволяют использовать широкий набор различных по свойствам источников. Например, на рис. 10 изображена схема преобразования излучения флюоресцентных ламп. Медные панели могут быть размещены над лампой на ее креплении для улавливания электромагнитного излучения трубки и передачи ее на LTC3588-1. Такие устройства могут устанавливаться по всему зданию, обеспечивая питанием распределенную систему кондиционирования воздуха.
Рис. 10. Схема преобразователя энергии электромагнитного излучения
Другое полезное применение — реализация питания от сети переменного тока через ограничивающие резисторы, как показано на рис. 11. Это позволяет изготовить недорогие бестрансформаторные источники питания для простых приложений.
Рис. 11. Реализация источника постоянного напряжения 3,6 В, работающего от сети переменного тока
Кроме того, в качестве источника входной мощности для LTC3588-1 могут использоваться такие источники постоянного тока, как солнечные панели и термопары. В этом случае они подключаются к одному из выходов, PZ1 или PZ2. Возможно подключение нескольких панелей к общему входу с использованием блокирующих диодов. Таким образом, можно организовать систему с несколькими солнечными батареями, сориентированными в различных направлениях для обеспечения питания схемы в течение всего дня.
Многие системы требуют питания несколькими уровнями напряжения. Для процессора может быть необходимо 1,8 В, при этом беспроводной передатчик может питаться от 3,6 В. Такая схема может быть построена на базе одного пьезоэлемента с двумя подключенными к нему LTC3588-1 (рис. 12). Порядок использования ресурсов пьезоэлемента определяется уровнем выходного сигнала. Микросхема с меньшим его значением имеет меньший порог включения, соответственно при нарастании входного напряжения элемента первой входит в активный режим. Несмотря на то, что пьезоэлемент подключен к обеим микросхемам, входные емкости изолированы друг от друга диодным мостом. А так как работающий DC/DC-преобразователь уменьшает напряжение на своей входной емкости, пьезоэлектрический ток будет стремиться именно к этому источнику до тех пор, пока схема придет в равновесие. Такая конфигурация может быть расширена до нескольких микросхем. Ограничение: суммарный ток покоя не должен превысить ток пьезоэлемента.
Рис. 12. Подключение двух LTC3588-1 к одному пьезоэлектрическому элементу
LTC3588-1 — это решение для бурно развивающегося в настоящее время направления беспроводных сенсорных сетей. Уникальные характеристики позволяют эффективно использовать микромощные источники энергии для питания автономных устройств, существенно упрощая процесс развертывания сетей беспроводных датчиков и навсегда решая проблему питания удаленных элементов сети.
Электричество из дерева
Если сжать древесину, а потом вернуть в исходное состояние, она вырабатывает электрическое напряжение — правда, очень низкое. Ученые из Швейцарии провели несколько экспериментов и в 2021 году сумели превратить древесину в мини-генератор.
Исследователи изменили химический состав древесины. Они поместили ее в смесь перекиси водорода и уксусной кислоты, растворили один из компонентов древесной коры — лигнин — и оставили только целлюлозу. В результате древесина превратилась в «губку», которая после сжатия самостоятельно возвращается в исходную форму. По словам ученых, такая губка генерирует электрическое напряжение в 85 раз выше, чем обычное дерево.
Так выглядит древесина после растворения лигнина
(Фото: САУ Nano / Empa)
Как это применять: пока исследователи проводят испытания получившегося материала. Они уже выяснили, что энергии 30 деревянных брусков длиной 1,5 см хватит для питания ЖК-дисплея.
Где еще будут использовать водород?
Важнейший элемент стратегий — это «энергетическая» реформа ЖКХ. В Великобритании первопроходцем станет Лидс: там энергоснабжение будет полностью водородным. А согласно плану H21 North of England газовые сети и транспортное оборудование английского севера также переведут под водород. Водородное отопление 4 млн жилых домов и предприятий снизит выбросы СО2 на 20 млн тонн, хотя и обойдутся в огромную сумму — 30 млрд долларов.
И хотя в стратегиях промышленность и сельское хозяйство практически не упоминаются, ассоциации отраслевых игроков тоже участвуют в выработке «водородного будущего». Предполагается, что уже в 2030 году 10% аммиака для удобрений будет получено «зеленым» способом с помощью электролизеров. В современных домнах во время плавки уже используется сингаз, на 55-58% состоящий из водорода. В ближайшем будущем практически все крупнейшие игроки, от Швеции и ФРГ, до США и Бразилии планируют довести долю водорода до 90% и выше, чтобы по максимуму отказаться от кокса. Эти меры позволят снизить на 10-11% выбросы углерода в атмосферу.
Вместе со странами стратегии пишут и многочисленные производители оборудования для ВИЭ. По одной из них у побережья Нидерландов предлагается соорудить гигаваттные оффшорные ветростанции, напрямую завязанные с электролизным производством водорода. Полученную электроэнергию предлагается распределить по всей Европе в зависимости от локального производства водорода. А чтобы сэкономить потребление энергии, стратегия предлагает подключить солнечный и сырьевой потенциал стран Северной Африки. Углеводороды перерабатывались бы в водород прямо на месте, после чего по новым водородным трубопроводам поступали в Европу. Фактически, ЕС получали бы сырьевой придаток к своей «зелёной» энергетики.
России пока ещё далеко до настолько проработанных программ. Основной упор в современной стратегии делается на экспорт водорода на наиболее перспективные рынки, например японский. В то же время, в энергобюллетенях Аналитического центра при правительстве РФ подчеркивается, что использование водородного топлива позволит снизить на треть энергопотребление на удаленных и малозаселенных территориях. Можно сказать, что сочетание ВИЭ и водорода здесь будет выигрышной стратегией.
Пульт управления производством в операторной установке производства водорода на площадке «Новойл» филиала «Башнефть-Уфанефтехим» ПАО АНК “Башнефть”. Фото: Кирилл Каллиников / Фотохост БРИКС/ШОС
Но многое будет зависеть от стоимости производства водорода, которая зависит от технологии получения. Так, стоимость электролиза 1 кг водорода на ветростанции — 4 доллара, с помощью солнечных панелей — 7 долларов. А вот газификация углеводородов и паровая конверсия метана пока обходится всего в 1,5-2,5 доллара.
Жидкое топливо из солнечной энергии
Сейчас электричество получают с помощью сжигания органического топлива, например угля и природного газа. У этого способа есть две проблемы: органическое топливо вредит экологии и когда-нибудь закончится. Это заставляет ученых искать замену органике.
С 2001 года китайские ученые пытались преобразовать солнечную энергию в жидкое топливо. Спустя 20 лет у них это получилось.
Исследователям удалось получить жидкий продукт с минимумом примесей — содержание метанола в нем достигает 99,5%. Для этого потребовалось три шага:
- превратить свет, полученный с помощью солнечных батарей, в энергию;
- с помощью этого электричества разложить воду на водород и кислород;
- соединить водород и оксид углерода и получить метанол.
Чтобы получить нужное количество солнечного света, исследователи используют целые фермы солнечных батарей
Как это применять: в отличие от нефти и угля, это топливо сгорает чисто. Если у Китая получится сделать производство жидкого метанола массовым, углекислого газа в атмосфере станет намного меньше — на долю Китая приходится около 29% мировых выбросов.
Виды альтернативных источников энергии
1. Солнечная энергия
Солнце — главный источник энергии на Земле, ведь около 173 ПВт (или 173 млн ГВт) солнечной энергии попадает на нашу планету ежегодно, а это более чем в 10 тыс. раз превышает общемировые потребности в энергии. Фотоэлектрические модули на крыше или на открытых территориях преобразуют солнечный свет в электрическую энергию с помощью полупроводников — в основном, кремния. Солнечные коллекторы вырабатывают тепло для отопления и производства горячей воды, а также для кондиционирования воздуха.
Солнечные панели могут вырабатывать энергию и в пасмурную погоду, и даже в снегопад. Для наибольшей эффективности их стоит устанавливать под определенным углом — чем дальше от экватора, тем больше угол установки панелей.
Зеленая экономика
Съедобная упаковка и солнечный парус: новинки космических эко-технологий
2. Энергия ветра
Использование ветра в качестве движущей силы — давняя традиция. Ветряные мельницы использовались для помола муки, лесопильных работ) и в качестве насосной или водоподъемной станции. Современные ветрогенераторы вырабатывают электроэнергию за счет энергии ветра. Сначала они превращают кинетическую энергию ветра в механическую энергию ротора, а затем в электрическую энергию.
Ветроэнергетика является одной из самых быстроразвивающихся технологий возобновляемой энергетики. По последним данным IRENA, за последние два десятилетия мировые мощности по производству энергии ветра на суше и на море выросли почти в 75 раз — с 7,5 ГВт в 1997 году до примерно 564 ГВт к 2018 году.
3. Энергия воды
Еще в древнем Египте и Римской империи энергия воды использовалась для привода рабочих машин, в том числе мельниц. В средние века водяные мельницы применялись в Европе на лесопильных и целлюлозно-бумажных предприятиях. С конца XIX века энергию воды активно используют для получения электроэнергии.
4. Геотермальная энергия
Геотермальная энергия использует тепло Земли для производства электричества. Температура недр позволяет нагревать верхние слои Земли и подземные водоемы. Извлекают геотермальную энергию грунта с помощью мелких скважин — это не требует больших капиталовложений. Особенно эффективна в регионах, где горячие источники расположены недалеко к поверхности земной коры.
5. Биоэнергетика
Биоэнергетика универсальна. Тепло, электричество и топливо могут производиться из твердой, жидкой и газообразной биомассы. При этом в качестве возобновляемого сырья используются отходы растительного и животного происхождения.
Зеленая экономика
Энергия из спирта и навоза: преимущества и недостатки биотоплива
6. Энергия приливов и отливов
Приливы и волны — еще один способ получения энергии. Они заставляют вращаться генератор, который и отвечает за выработку электричества. Таким образом для получения электроэнергии волновые электростанции используют гидродинамическую энергию, то есть энергию, перепад давления и разницу температур у морских волн. Исследования в этой области еще ведутся, но специалисты уже подсчитали — только побережье Европы может ежегодно генерировать энергии в объеме более 280 ТВт·ч, что составляет половину энергопотребления Германии.
Зеленая экономика
Как устроена самая мощная в мире приливная турбина
«Бесконечная» энергия из воздуха
В 2020 году ученые из Массачусетского университета создали Air-gen — генератор, который создает электричество с помощью натурального белка и влаги из воздуха.
Графическое изображение пленки из белковых нанопроводов, вырабатывающих электричество с помощью влаги из атмосферы
(Фото: UMass Amherst / Yao and Lovley labs)
С помощью протеобактерий Geobacter ученые выращивают белок, который может проводить ток. Из него делают пленку толщиной менее 10 микрон — в несколько раз тоньше, чем человеческий волос — и помещают между двумя электродами. Белок забирает влагу из воздуха и за счет тонких пор создает ток между электродами.
Лучшие результаты Air-gen показывает при влажности в 45%, но справляется и в засушливых регионах вроде Сахары. Генератор не зависит от погодных условий и работает даже в помещении.
Как это применять: пока мощности Air-gen хватает только для питания мелкой электроники. В скором времени ученые разработают версию для мобильных телефонов и смарт-часов, чтобы те никогда не разряжались. А если у исследователей получится совместить Air-gen с краской для стен, в домах появится бесконечный источник электроэнергии.
Комбинированное питание
Пьезоэлектрические источники могут служить заменой батарейного питания во многих устройствах. Однако зачастую интерес представляет реализация двойной цепи питания, где основное питание за счет пьезоэлемента будет дополняться резервным от батареи. Такое решение не только обеспечивает бóльшую надежность устройства, но и расширяет возможности его использования. Например, если такая схема реализована в портативной системе контроля местоположения. Когда объект движется, преобразованная энергия вибрации легко обеспечит устройство необходимой для работы мощностью. Но когда объект неподвижен долгое время, батарейное питание позволит прибору продолжать работу, передавая информацию о том, что устройство исправно и объект наблюдения все еще находится в указанном месте.
Рис. 9. Схема включения LTC3588-1 с резервным батарейным питанием
Схема включения LTC3588-1 с резервным батарейным питанием изображена на рис. 9. При зарядке входной емкости от пьезоэлемента через встроенный мостовой выпрямитель, последовательно включенный с батареей, диод предотвращает протекание обратного тока. На схеме изображен вариант с подключением 9-В батареи, однако возможно подключение целого блока из нескольких батарей. Основным ограничением здесь является результирующее напряжение блока, которое не должно быть выше 18 В, максимально допустимого напряжения от низкоимпедансного источника для LTC3588-1. При расчете подобных схем следует выбирать батарею таким образом, чтобы пиковые значения напряжений на пьезоэлементе превышали напряжение батареи. Иначе питание схемы будет непрерывно осуществляться только за счет батареи.
Возможно, вам также будет интересно
Введение Быстрое развитие электроники в последние годы привело к множеству значимых результатов, один из которых — многократное снижение энергопотребления электронной аппаратурой со средней потребляемой мощностью до 1 Вт. Сегодня системы накопления электрической энергии позволяют аккумулировать ее за длительный отрезок времени с последующим использованием за короткий период. Появились конденсаторы с электрической емкостью в единицы фарад. Широкое распространение получили DC/DC-преобразователи с КПД свыше 95%, обеспечивающие, в частности, согласование внешней нагрузки с внутренним
Данная публикация анализирует основные тенденции в развитии сенсорных технологий для систем контроля двигателя (Powertrain) и контроля эмиссии — наиболее крупных сегментов рынка автоэлектроники и датчиков. Оба сегмента нацелены на решение двух основных задач управления автомобилем — повышение топливной эффективности и минимизации эмиссии. Все статьи цикла: Часть 1. Состояние и перспективы рынка датчиков положения, скорости, датчиков
Компании, заинтересованные в высококвалифицированных специалистах, принимают активное участие в их подготовке. В этом году исполняется 10 лет деятельности на российском рынке maxon motor. Компания отметила этот юбилей по-особому: открыла свой второй учебный центр в стране — при МГТУ им. Н. Э. Баумана, в здании НУЦ «Робототехника».
Миниатюрные генераторы способны обеспечить беспроводные датчики и выключатели необходимой для работы энергией
Компания EnOcean использует фирменное понятие Energy Harvesting (Сбор энергии) чтобы подчеркнуть что устройство получает необходимую для работы энергию из окружающей среды. Пространство рядом с датчиком, как правило, имеет ряд энергетических свойств: свет солнца или ламп, малейшие перепады температур или давления, а также кинетическая энергия (нажатие, смещение). Все эти явления, собранные специальными преобразователями, обеспечивают устройства достаточным количеством энергии для питания сенсорных систем и работы приёмопередающих модулей.
Энергия из движения
Использование силы движения или кинетического воздействия позволяет генерировать достаточное количество энергии для передачи беспроводного сообщения. Самым эффективным устройством сбора, является электромеханический преобразователь энергии (ECO 200), используемый в большинстве энергонезависимых, беспроводных выключателей с технологией EnOcean. Энергии полученной от нажатия выключателя достаточно для включения / выключения бытовой техники, управления освещением и даже плавного изменения уровня яркости.
Подобный принцип используется и в других устройствах которые могут быть подвержены механическому воздействию: энергия полученная от поворота специальной оконной ручки позволяет передать беспроводной сигнал статуса открытия, закрытия или проветривания окна, а специальные датчики протечки с набухающим материалом, позволят вовремя выявить утечку воды и при необходимости послать команду для перекрытия водоснабжения.
Получение энергия из света
Использование солнечных батарей в качестве источника энергии — давно известно и широко распространено в самых различных областях. Препятствием к их применению в качестве серьезного технического решения в системах автоматизации и Умном доме, всегда являлась непостоянная освещенность в труднодоступных местах (изменение годового цикла, человеческий фактор искусственного освещения). Технология EnOcean позволяет полностью раскрыть потенциал устройств работающих от солнечно батареи. Бережное накопление и сверх-эффективное потребление энергии позволяет применять беспроводные датчики с солнечными фотоэлементами даже там, где уровень освещения составляет порядка 200 люкс. В перечень таких изделий входят датчики температуры, влажности, содержания CO2, детекторы присутствия, магнитоконтактные датчики и много другое.
Энергия из разницы температур
Специальный модуль сбора энергии тепла ECT 310 Perpetuum, представляет собой маломощный DC/DC преобразователь. Он позволяет получить достаточное количество энергии для электронных устройств при разнице температур всего в 2°C используя стандартный элемент Пельтье (TEC2L). Данная технология Сбора энергии применяется например в автономных клапанах регулировки отопления. Разница между радиатором и окружающей средой позволяет обеспечить электроэнергией привод, а также отправить данные для комнатного контроллера отопления, работающего к примеру, от солнечной энергии.
ECO 200 – Преобразователь Кинетической энергии
Преобразователь кинетической энергии в сочетании с радио-модулем позволяют создавать различные беспроводные выключатели. Энергия от срабатывания (нажатия) кнопки:
- Преобразование энергии движения
- Более чем 1 000 000 циклов переключения при 25°C
- Позволяет создавать миниатюрные, тонкие выключатели
ECS 300 – Солнечная батарея для беспроводных датчиков
Собирающая энергию солнечная батарея для беспроводных датчиков: ECS 300: 35,0×12,8×1,1 мм.
Для сенсоров с однонаправленной передачей возможно использовать батарею меньшего размера.
ECT 310 Perpetuum – Конвертер тепловой энергии
Преобразователь энергии тепла для питания беспроводных датчиков и исполнительных механизмов (актуаторов).
Тепло как источник энергии:
- Работает в паре со стандартным элемент Пельтье (TEC2L-15-15-15-5.6)
- Использование минимальных перепадов температур
- Не требует обслуживания, полная интеграция
Преимущества беспроводной технологии для энергозависимых устройств
Не смотря на уникальные свойства преобразователей энергии, перечень нашей продукции также включает ряд устройств, использующих внешние блоки питания и даже батареи. Подобные решения позволяют сохранить преимущества беспроводных устройств и применять их там, где получаемой энергии недостаточно.
https://youtube.com/watch?v=0mgyYL-FgxU
Энергия из ДНК
Оказалось, что органические молекулы тоже преобразуют солнечную энергию в электричество. В 2021 году немецкие ученые сумели супрамолекулярную — то есть более сложную, чем обычная молекула — систему на основе ДНК.
Структура супрамолекулы
(Фото: frontiersin.org)
Основа системы — фуллерен, «футбольный мяч» из 60 атомов углерода. К нему крепится краситель, который поглощает солнечный свет и отдает получившуюся энергию фуллерену. Но возникает проблема: если не упорядочить такие супрамолекулы, ток между ними будет протекать с трудом, а со временем и вовсе затухнет.
Ученые предложили такое решение: закрепили супрамолекулы на основе фуллеренов и красителя на спирали ДНК. Так движения электронов становятся упорядоченными, а электрический ток не затухает.
Как это применять: исследователи не обещают, что в скором времени на всех крышах появятся солнечные батареи из ДНК, но развивать это направление планируют. По их прогнозам, технология будет дешевле, прочнее и долговечнее, чем солнечные батареи на основе кремния.
Как разные страны мира выполняют планы по энергопереходу
Страны по всему миру поставили себе амбициозные задачи по переходу на возобновляемую энергию. Цели стали частью и Парижского соглашения — к 2030 году решения с нулевым выбросом углерода могут быть конкурентоспособными в секторах, на которые приходится более 70% глобальных выбросов. Сделать это планируется за счет энергетического перехода — процесса замены угольной экономики возобновляемой энергетикой. В 2020 году, несмотря на пандемию и экономическую рецессию, многие города, страны и компании продолжали объявлять или осуществлять планы по декарбонизации.
Зеленая экономика
Как государству продвигать экологическую повестку
Ожидается, что в 2021 году Индия внесет самый большой вклад в развитие возобновляемой энергетики. Здесь планируют запустить ряд ветряных и солнечных проектов.
В Евросоюзе также прогнозируется скачок в приросте мощностей в 2021 году. Здесь даже в условиях пандемии не забывают о Green Deal — крупнейшей в истории ЕС коррекции экономического курса. Цель проекта — сформировать в ЕС углеродно-нейтральное пространство к 2030 году. Для этого планируется сократить на 40% объем выбросов парниковых газов от уровня 1990 года и увеличить долю энергии из возобновляемых источников до 32% в общей структуре энергопотребления. Как посчитала Еврокомиссия, достичь этих задач можно будет с помощью ежегодных инвестиций в размере €260 млрд. Доля ВИЭ в энергосистеме ЕС также постоянно растет. Так, около 40% электроэнергии в первом полугодии 2020 года в ЕС было произведено из возобновляемых источников.
Пока же в лидерах инвестиций в развитие возобновляемой энергетики — Китай, США, Япония и Великобритания. С тех пор, как BloombergNEF начал отслеживать эти данные, глобальные инвестиции в ветровую и солнечную энергетику, биотопливо, биомассу и отходы, малую гидроэлектроэнергетику увеличились почти на порядок. В годовом выражении вложения в чистую энергию выросли с $33 млрд до более чем $300 млрд за 20 лет.
Китай за десять лет стал главным производителем оборудования для возобновляемой энергетики. В первую очередь, речь идет о солнечных панелях. Семь из десяти крупнейших мировых производителей солнечных батарей — это китайские компании. В целом развитие технологий удешевило стоимость строительства новых объектов ВИЭ. Это приближает планы Китая стать углеродно нейтральным к 2060 году.
Зеленая экономика
Ставка на солнце и уголь: два лица энергетики Китая
Серьезных шагов в сторону энергоперехода ожидают и от президента США Джо Байдена. Он не только вернул страну в Парижское соглашение, но и заявил о том, что намерен добиться чистых выбросов парниковых газов и перехода на 100% экологичной энергии к 2050 году.
Также к 2050 году планируют использовать только ВИЭ Япония, Южная Корея, Новая Зеландия и . Прошедший 2020 год уже стал самым экологичным для энергосистемы Великобритании со времен промышленной революции. Страна целых 67 дней смогла обходиться без угля. От традиционных источников энергии Британия планирует отказаться уже к 2025 году.
Активно развиваются ВИЭ в Испании — по прогнозам, сектор только солнечной энергетики в стране будет расти примерно вдвое быстрее, чем в Германии.
В 2020 году Шотландия получила 97% электроэнергии из возобновляемых источников. С помощью произведенной «зеленой» энергии получилось обеспечить электронужды более чем 7 млн домохозяйств. Шотландия планирует стать углеродной нейтральной уже к 2030 году.
Этот же год выбран временем полного отказа от традиционной энергетики для Австрии, а Саудовская Аравия запланировала к 2030 году получать 50% электроэнергии от ВИЭ.
Национальные цели по доле ВИЭ среди источников энергии
(Фото: REN21)
Полная версия отчета Renewables 2020 в формате PDF (см. стр. 57)
