Возобновляемые источники энергии находятся в авангарде глобальных усилий по обезуглероживанию. Используя экологически чистые источники энергии, не содержащие углерода, инженеры определили путь к бесконечной распределенной мощности в сети, которая не наносит вреда окружающей среде. Масштабы технических проблем и удаленность от текущего состояния означают, что до коммерческой жизнеспособности полностью возобновляемой сети еще далеко.
Для сетевых электронных приложений производители полупроводников существенно снизили энергопотребление, что сделало реальностью такие приложения, как беспроводные датчики со сверхнизким энергопотреблением . Это нововведение повысило устойчивость энергосистемы, в то время как инженеры параллельно разрабатывают подход к возобновляемым источникам энергии.
Переход на возобновляемые источники энергии является дорогостоящим оптовым изменением, поэтому в отрасли используются промежуточные методы, чтобы облегчить переход от ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии. Одним из таких подходов является сбор энергии, форма восстановления отработанной энергии, которая улавливает доступную энергию и возвращает ее в устройство-источник.
Важно различать устойчивую и возобновляемую энергию. Устойчивые решения расширяют существующие подходы, основанные на ископаемом топливе, дополняя их вспомогательной энергией. Возобновляемая энергия использует бесконечные источники, такие как энергия ветра и солнца, для выработки электроэнергии. Использование этих источников, не содержащих углеводородов, резко снижает или исключает их из выходной энергии. В результате сбор энергии является устойчивой мерой для увеличения мощности сети или источника энергии от аккумуляторов.
Сбор энергии становится возобновляемым, когда он может заменить конечный источник энергии бесконечными вариантами. Для автономных приложений, требующих батареи, таких как носимые устройства и автономные датчики, сбор энергии предлагает такой вариант возобновляемой энергии, используя свет, движение или тепловую энергию для обеспечения полной мощности нагрузки батареи.
Устройства с автономным питанием являются ключом к экономической жизнеспособности, и они значительно сокращают затраты на замену для потребителя , приближаясь к возобновляемым источникам энергии.
Стратегии сбора зеленой энергии
Приложения, подходящие для электронного сбора возобновляемой энергии, включают носимые технологии и автономные беспроводные сенсорные сети. Хотя эффективность сбора энергии не очень высока, важным показателем является сравнение вклада технологии в мощность с батареей, сбалансированной с ее стоимостью. Имея в виду устройства с автономным питанием, важно понимать долю мощности для трех возобновляемых источников сбора энергии (свет, движение и тепло):
Свет
Солнечная или фотогальваническая энергия дает от 0,1 мВт/см 2 (в помещении) до 100 мВт/см 2 (на открытом воздухе) при эффективности сбора около 10 процентов (возможно 15-20 процентов). Этот уровень обеспечивает мощность от 10 (в помещении) до 10 000 мкВт/см 2 (вне помещения) дополнительной мощности.
Движение
При номинальной вибрации/движении пьезоэлектрические преобразователи энергии восстанавливают 4 мкВт/см 2 (человеческий, измерено при 1 Гц и 50 Гц) и 100 мкВт/см 2 (машина, измерено при 5 Гц и 1000 Гц). Даже высокоэффективные пьезоэлектрические материалы работают с эффективностью около 10 процентов, как и фотоэлектрические устройства.
Термальный
Сбор энергии с использованием термоэлектрических сред дает вклад в мощность 30 мкВт/см 2 для перепада температур человека и до 10 000 мкВт/см 2 для промышленного оборудования. КПД машин снова составляет около 10 процентов из-за высокой теплопроводности металла. Тем не менее, небольшой перепад температуры человеческого тела дает эффективность сбора всего 0,15 процента от термоэлектрической среды, что является самым низким из трех источников. Поскольку температура человеческого тела существенно не меняется, окружающая среда оказывает более сильное влияние на термоэлектрические характеристики. Эти источники более эффективны в холодные дни из-за более высокого перепада температур.
Экономика сбора энергии
Три основных возобновляемых источника энергии — свет, движение и тепло — обеспечивают дополнительную мощность порядка 10–10 000 мкВт/см 2 . Этот уровень вклада означает, что сбор энергии может заменить сверхмаломощные батареи MCU. Хотя истинная экономия зависит от геометрии, конструкции и условий нагрузки конкретного приложения, есть основания полагать, что сбор энергии дает определенное экономическое преимущество по сравнению с батареями.
Инженеры значительно улучшили плотность производительности аккумуляторов. Учитывая это, сборщики энергии могут занимать больше места, чем батареи. Ограничения по компоновке внутричиповых компонентов затрудняют встраивание сборщиков энергии в оболочку.
Тем не менее, батареи конечны и требуют, чтобы люди заменили их. Поскольку батареи потребляют ограниченные природные ресурсы, эти подходы не возобновляемы. Они также используют природные ресурсы, такие как литий и щелочь, для производства частично перерабатываемого — в лучшем случае — продукта. Кроме того, для их замены необходимо привлекать людей, а при проектировании деталей необходимо учитывать замену, техническое обслуживание и время простоя датчика.
Одна только стоимость замены может составлять сотни часов в год, в то время как сбор возобновляемой энергии создает пассивное решение без помощи рук, которое не оказывает неблагоприятного воздействия на окружающую среду.
Ключом к стратегии проектирования с автономным питанием, использующей сбор возобновляемой энергии, является начало с микроконтроллеров со сверхнизким энергопотреблением в приложениях, которые уже имеют низкое энергопотребление, около 11 000 Вт/см 2 , таких как носимые устройства и удаленные беспроводные датчики. По мере совершенствования методов сбора возобновляемой энергии они станут более практичными для более крупных устройств на основе аккумуляторов. Этот подход может сделать достижения IoT менее вредными для окружающей среды, а также экономически жизнеспособными.