Уголь, нефть, природный газ и нефть считаются ископаемыми видами топлива и были созданы из организмов, таких как растения и животные, которые умерли миллионы лет назад. Со временем эти организмы окаменели. Окаменелость — это процесс сохранения животного или растения в твердой окаменевшей форме и, в конечном счете, превращение в богатые углеродом источники, такие как уголь и нефть. По энергии осьминогаожидается, что наши известные запасы нефти закончатся к 2052 году; в то время как угля и природного газа, как ожидается, хватит до 2060 года. Поскольку на создание этих ископаемых видов топлива уходят миллионы лет, мы не можем воссоздать их до того, как они истощатся. Возможно, мы сможем обнаружить неизвестные запасы, но нет никакой гарантии. Возобновляемая энергетика является единственным жизнеспособным решением этой проблемы. Источники энергии, такие как солнечная, гидро- и ветровая энергия, являются наиболее подходящими и экологически безопасными решениями.

Сбор энергии использует энергию, находящуюся в окружающей среде, и преобразует ее в полезную электрическую энергию. Электрическая энергия предназначена либо для непосредственного использования, либо может быть накоплена и сохранена в качестве источника энергии для приложений в более позднее время. Здесь мы исследуем, как сбор энергии может обеспечить энергию, необходимую для питания устройств и цепей, и предлагаем решения для устройств с батарейным питанием.

Драйверы глобального рынка сбора энергии
Многие факторы влияют на мировой рынок сбора энергии. Спрос на безопасные, энергоэффективные и долговечные системы, требующие минимального обслуживания или не требующие его вообще, растет с каждым днем. Поскольку технологии развиваются быстрее, чем когда-либо, расширяется широкое применение устройств «Интернета вещей» в автоматизации зданий и дома. Еще одним важным движущим фактором является стоимость возобновляемой энергии. Менее дорогим топливом для автомобилей является электроэнергия, а не ископаемое топливо. Электромобили со временем становятся все более доминирующими. Исследования показали, что к 2030 году количество автомобилей с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) сократится примерно на 50 процентов ( рис. 1 ).

зарядка электромобиля дома

Рисунок 1 : Обеспокоенность по поводу истощения запасов ископаемого топлива и использования автомобилей с ДВС заставляет уделять больше внимания внедрению электромобилей. (Источник: герр Леффлер/Shutterstock.com)

Источники энергии
Чтобы генерировать энергию, для сбора энергии требуется источник энергии, из которого можно собирать. Некоторыми основными источниками энергии являются фотоэлектрическая, кинетическая, пироэлектрическая, пьезоэлектрическая и радиочастотная (РЧ) энергия ( рис. 2 ).

 

Рисунок 2: Фотоэлектрическая, кинетическая, пироэлектрическая, пьезоэлектрическая  и радиочастотная энергия составляют основные источники энергии для систем сбора энергии. (Источник: Электроника КЕМЕТ)

Давайте обсудим каждый из этих источников энергии.

Фотоэлектрическая энергия
Фотоэлектрические (PV) устройства вырабатывают электроэнергию непосредственно из солнечного света. Солнечная батарея является примером фотогальванического устройства ( рис. 3 ). Солнечные батареи сделаны из материала, называемого полупроводниками. Из-за структуры полупроводникового материала, когда падает солнечный свет, электроны высвобождаются и направляются в одном направлении, создавая поток электрического тока.

Кинетическая энергия
Кинетическая энергия объекта — это энергия, которую объект может произвести благодаря своему движению. Ветряные турбины, океанские буи и гидроэнергетика — все это примеры источников кинетической энергии, возникающих за счет движения ветра или воды. Ветряные турбины вырабатывают электричество, вращая пропеллер турбины вокруг ротора, который вращает генератор, вырабатывая электричество. Как и ветряные турбины, гидроэлектроэнергия вырабатывается путем вращения генератора с использованием потока воды.

Солнечные батареи и ветряные турбины, используемые для сбора энергии

Рисунок 3 : Фотогальванические солнечные элементы и ветряные турбины производят возобновляемую энергию и практически не требуют обслуживания. (Источник: Альберто Масново/Shutterstock.com)

Пироэлектрическая и пьезоэлектрическая энергия
Пироэлектричество и пьезоэлектричество обладают высокой термодинамической эффективностью и могут использоваться только на микроуровне. Пироэлектричество — это способность определенных материалов создавать электрический ток при изменении температуры. Пьезоэлектричество — это способность некоторых материалов преобразовывать механическую энергию, такую ​​как звук или давление, в электрическую энергию.

Радиочастотная энергия
Система сбора радиочастотной (РЧ) энергии может преобразовывать электромагнитную энергию в пригодное для использования напряжение постоянного тока. Система обычно содержит антенну и схему выпрямителя, которая улавливает мощность ВЧ, представляющую собой переменный ток, и преобразует ее в мощность постоянного тока.

Конденсаторы, используемые для хранения энергии
Почти во всех сценариях сбора энергии требуется какое-либо хранилище энергии. Специализированный преобразователь постоянного тока получает питание от преобразователя и выводит электричество, используемое для питания устройств. Системный преобразователь требует тщательной электронной конструкции для минимизации потерь мощности. Аккумулятор энергии уравновешивает спрос и предложение энергии. Для приложений, где энергия используется, как только она собрана, хранение не требуется, и обычно используется электролитический конденсатор. Определение запаса энергии, необходимого в системе сбора энергии, во многом зависит от приложения.

Выбор электролитических конденсаторов для приложений по сбору энергии
Технологическая дорожная карта KEMET включает в себя электролитические решения для алюминия и онлайн-инструменты, разработанные для удовлетворения растущих потребностей сектора сбора энергии. Одним из наиболее важных факторов, которые следует учитывать при проектировании сбора энергии, является ожидаемый срок службы и емкость выбранного электролитического конденсатора. KEMET предлагает широкий ассортимент электролитических конденсаторов, включая винтовые клеммы ALS .серии, которые могут работать от 6 000 до 20 000 часов в зависимости от диаметра при номинальной температуре (85ºC или 105ºC), номинальном напряжении и номинальном пульсирующем токе. Кроме того, KEMET предоставляет онлайн-калькулятор ожидаемого срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов. Калькулятор помогает разработчикам определить, какой электролитический конденсатор подходит для их применения, путем расчета теоретического срока службы устройства с учетом конкретных условий эксплуатации ( рис. 5 ).

 

Рисунок 5 : Калькулятор ожидаемого срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов KEMET помогает разработчикам оценить теоретический ожидаемый срок службы электролитического конденсатора KEMET в зависимости от номера детали, используя конкретные рабочие условия приложения. (Источник: Электроника КЕМЕТ)

В таблице 1 показан пример возможных результатов с использованием высоковольтных электролитических конденсаторов с винтовыми клеммами серий ALS70 и ALS80 в теоретическом приложении для сбора энергии.

Таблица 1 : Пример расчетного ожидаемого срока службы высоковольтных электролитических конденсаторов с винтовыми клеммами серий ALS70 и ALS80 в теоретическом приложении для сбора энергии с использованием калькулятора ожидаемого срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов. (Источник: Электроника КЕМЕТ)

     АЛС70 85°С

     АЛС80 105°С

до 1 300 000 мкФ

до 600В

до 20 000 часов ( применяется T R , V R , I R )

до 1 200 000 мкФ

до 500В

до 9000 часов (T R , V R , I R применяются)

Заключение
Ожидается, что к 2052 году запасы нефти в мире закончатся; в то время как угля и природного газа, как ожидается, хватит до 2060 года. Поскольку спрос на энергию продолжает расти, нет другого выбора, кроме как обратиться к альтернативным и устойчивым вариантам. Сбор энергии использует энергию из окружающей среды, такую ​​как фотогальваника, кинетическая энергия, пироэлектрическая, пьезоэлектрическая и радиочастотная энергия, и преобразует ее в полезную электрическую энергию. Почти во всех сценариях сбора энергии требуется какое-либо хранилище энергии, чтобы сбалансировать спрос и предложение энергии. Для приложений, где энергия используется сразу после ее сбора, хранение не требуется, и в этих приложениях часто используются алюминиевые электролитические конденсаторы. Поскольку срок службы является одним из ключевых параметров, проектировщики должны выбирать надежные