Аккумулирование энергии (оно же – аккумулирование мощности) – процесс, в ходе которого энергия, выделяемая из внешних источников (солнечных, тепловых, ветряных и осмотических электростанций, а также – кинетической энергии или энергии окружающей среды), захватывается и хранится в небольших беспроводных автономных устройствах, подобных тем, что используются в носимых компьютерах и беспроводных сенсорных сетях.
Аккумуляторы энергии обеспечивают очень мало энергии для энергосберегающей электроники. В то время, как для выработки электроэнергии в больших объемах необходимы полезные ископаемые (нефть, уголь и так далее), источником энергии для аккумуляторов станет окружающая среда.
Так, к примеру, перепады температур появляются при работе двигателя внутреннего сгорания и в городских условиях, а больное количество электромагнитной энергии в окружающей среде из-за радио- и телевещания.
Одним из самых первых применений энергии, собранной из электромагнитного излучения окружающей среды, стал детекторный приемник.
Принципы аккумулирования энергии из фонового электромагнитного излучения могут быть продемонстрированы с помощью основных компонентов.
Эксплуатация
Аккумуляторы, преобразующие энергию окружающей среды в электричество, вызывают большой интерес как у военной, так и у коммерческой отрасли.
Некоторые системы, преобразующие кинетическую энергию, в частности – энергию океанических волн, электричество, могут применяться океанографическими датчиками контроля для автономной работы. В будущем такие аккумуляторы могут применяться для высокомощных устройств выдачи (или их антенн), развернутых в удаленной местности и служащих в качестве надежных электростанций для крупных систем.
Также аккумуляторы можно применять для носимой электроники, где с их помощью можно будет заряжать или перезаряжать сотовые телефоны, портативные компьютеры, радиотехнические средства связи и тому подобное. Все эти устройства должны быть достаточно надежными, чтобы переносить неблагоприятные условия окружающей среды, и иметь достаточно широкий уровень динамической чувствительности, чтобы использовать целый спектр волновых движений.
Накопление энергии
Энергия также может накапливаться в мощных миниатюрных автономных датчиках, подобных тем, что разработаны с использованием микроэлектромеханической технологии. Они зачастую очень малы и нуждаются в малых объемах энергии, но их применение ограничено из-за опоры на мощность батареи.
Аккумулирование энергии из колебаний окружающей среды, ветра, тепла или света может дать способность умным датчикам работать бесконечно долго. Несколько научных и коммерческих групп вовлечены в анализ и разработку аккумулирования энергии из колебаний.
В их числе – Группа по контролю над Управляющими Мощностями, Группа по разработке Оптических и Полупроводниковых устройств при Имперском колледже Лондона, ИМЕК и сотрудничающий Центр Хольста, компании «Adaptive Energy», «LLC», «ARVENI», Массачусетский технологический институт, Викторианский институт в Веллингтоне, Технологический институт Джорджии, Калифорнийский университет в Беркли, Саутгемтонский университет, Бристольский Университет, Лаборатория микроэнергетических систем при Токийском университете, Наньянский технологический университет, компании «Perpetuum» и «ReVibe Energy», Вестфолльский университетский колледж, Национальный университет Сингапура, Научно-исследовательская лаборатория при Университете Перуджи, Колумбийский университет, Автомномный университет Барселоны, Лаборатория по исследованию экологически чистой энергии при университете в Ульсане (Южная Корея). Национальный научный фонд также поддерживает совместный научно-исследовательский центр при Политехническом университете Виргинии и Техасском университете в Далласе. Он известен, как Центр по исследованию материалов и систем аккумулирования энергии.
Как правило, доступная удельная мощность аккумуляторов энергии сильно зависит от конкретной отрасли (влияя на размер генератора) и самой конструкции генератора. В целом, устройства, преобразующие движение в энергию, как правило, способны производить несколько мкВт/см3, работая от движений человеческого тела, и несколько сотен мкВт/см3 – работая с механизмом. Большинство аккумуляторов энергии для носимой электроники вырабатывают крайне малую мощность.
Хранение энергии
В основном, энергия может храниться в конденсаторе, ионисторе или батарее. Конденсаторы применяется в случае необходимости обеспечения крупных энергетических всплесков. Из батареи просачивается меньше энергии, поэтому ее используют, если устройству нужен стабильный ток.
Использование энергии
На данный момент аккумулирование энергии в малых объемах представляет интерес для независимых сенсорных сетей. В этой отрасли аккумуляторы энергии будут брать запасенную в конденсаторе энергию, изменять ее мощность посредством второго конденсатора или батареи, чтобы использовать ее в микропроцессоре. Эта энергия может быть использована датчиками или накопителями данных, или же, вероятнее всего, для передачи беспроводным путем.
Причины
История аккумулирования энергии уходит к ветряным мельницам и водяным колесам. Люди десятилетиями искали способы сохранения энергии из тепла и колебаний. Движущей силой для поиска новых устройств для накопления энергии стало стремление к созданию мощных сенсорных сетей и мобильных устройств без батарей. Также причиной развития этой отрасли стала стремление обратить внимание на вопрос изменения климата и глобальное потепление.
Устройства
Существует много источников энергии малой мощности, которые в, большинстве своем, не могут быть применены в промышленных масштабах:
- Некоторые наручные часы, работающие за счет кинетической энергии (известны, как часы с автоматическим заводом), где используется движение рук. За счет движений рук происходит скручивание спусковой пружины. Последний концепт, предложенный компанией «Seiko», использует ход магнита из электромагнитного генератора вместо мощности кварцевого элемента. Движение обеспечивается частотой изменения потока, из-за чего создается небольшая электродвижущая сила в катушках. Концепт тесно связан с законом электромагнитной индукции.
- Фотовольтаика – способ выработки электроэнергии путем преобразования солнечного излучения (как в помещении, так и на открытом воздухе) в постоянный ток с использованием полупроводников, обладающих фотоэлектрическими свойствами. Фотовольтаика осуществляется при помощи солнечных панелей, состоящих из многочисленных ячеек с фотоэлементами. Примечательно, что фотовольтаика может применяться в промышленных масштабах, так как существуют достаточные крупные солнечные фермы.
- Термоэлектрические генераторы (ТЭГи), состоящие из сплавов двух различных материалов и работающие за счет перепада температур. Большое напряжение на выходе возможно, если последовательно соединить электрические элементы, а и параллельно – тепловые. Как правило, переход дает напряжение в 100-300 мкВ/Кл. Такой способ выработки энергии можно использовать для того, чтобы собирать микроватты энергии от промышленного оборудования, систем или даже от человеческого тела. Как правило, они соединены с поглотителями тепла для увеличения перепада температур.
- Малая ветряная турбина применяется для аккумулирования энергии ветра, присутствующего и в окружающей среде, и в виде формы кинетической энергии, и предназначена для питания таких электронных устройств малой мощности, как узлы беспроводной сенсорной системы. Когда воздух обтекает лопасти турбины, из-за разницы над лопастями и под ними создается разница в давлении. В результате создается подъемная сила, в свою очередь, вращающая лопасти. Так же, как и в случае с фотовольтаикой, уже существуют ветряные электростанции промышленных масштабов, что может позволить им вырабатывать существенные объемы электроэнергии.
- Пьезоэлектрические кристаллы или волокна, создающие ток с малым напряжением после каждой механической деформации. Стимуляция пьезоэлектриков может произойти как от вибраций двигателя, так и от нажатия на кнопку или шагов в обуви.
- Специальные антенны, способные накапливать энергию из радиопомех. Также ее функция может выполнять антенна с выпрямителем или даже наноантенна (при работе с сверхвысокочастотным ЭМИ).
- Энергия от нажатия на клавиши во время использования портативной электроники или устройств с дистанционным управлением, используемая магнитными, катушечными или пьезоэлектрическими преобразователями, может использоваться в качестве вспомогательного источника питания.
Источники фонового изучения
Одним из возможных источников энергии могут стать распространенные радиопередатчики. Исторически сложилось так, что при большой области аккумулирования или близости к источнику беспроводной передачи электричества необходимо много энергии. Наноантенна – одно из изобретений, которое предлагает преодолеть это ограничение через преобразование энергии фонового излучения (к примеру, солнечного).
Теоретически можно использовать радиовещание для подпитки устройств с дистанционным управлением, так как сейчас широко распространены система пассивной радиочастотной идентификации (РИ), но Федеральная комиссия по связи США (как и ряд аналогичных структур по всему миру) ограничили максимальную мощность, которая может быть передана этим путем для гражданского пользования. Этот метод используется для усиления индивидуальных узлов в беспроводной сенсорной сети.
Движение потока жидкости или газа
Энергия из воздушных потоков тоже может быть аккумулирована при помощи различных генераторов с турбинами и без них. К примеру, малая ветряная турбина «Windbeam» собирает энергию для перезарядки батарей и подпитки электроники из воздушных потоков, создаваемых ветрами со скоростью менее 2 миль/ч. Кровоток может использоваться для подпитки приборов. К примеру, в Университете Берна был разработан кардиостимулятор, использующий кровоток для завода пружины, запускающей микроэлектрогенератор.
Фотовольтаика
Беспроводная технология накопления энергии с использованием фотоэлементов предлагает серьезные преимущества в сравнении с проводной или исключительно аккумуляторной технологиями хранения энергии. Среди них – практически неисчерпаемый источник энергии без негативных для окружающей среды последствий. Современные системы фотоэлементов, расположенные в помещении, набирают мощность за счет специального покрытия из некристаллического силикона, используемого также в калькуляторах на солнечных батарейках. В последние годы появились новые технологии в области фотовольтаики, в частности – ячейки Гретцеля. Краситель поглощает свет также, как хлорофилл в растениях. Освободившиеся электроны попадают на слой оксида титана, откуда распространяются по всей площади электролита. Краска может быть создана так, что при видимом свете она производит намного больше энергии. К примеру, ячейка Гретцеля при освещенности в 200 люкс способна обеспечить более 10мкВт/см2 энергии.
Пьезоэлектричество
Пьезоэлектрический эффект позволяет преобразовать механическое воздействие в электрический ток или напряжение. Воздействие может появиться за счет множества разных источников. Среди повседневных примеров – движение человека, низкочастотные сейсмические колебания и акустический шум. За редким исключением, пьезоэлектрический эффект связан с переменным током, требующим периодически сменяющегося значения механического резонанса для эффективной работы.
Большинство источников пьезоэлектричества вырабатывают мощность, измеряемую в мВт (милливаттами), которой недостаточно для систематического использования, но достаточно для таких наручных устройств, как некоторые коммерческие модели часов с автоматическим заводом.
Также предлагается использовать пьезоэлектрик в таких малогабаритных устройствах, как микронакопитель гидравлической энергии. В нем поток находящейся под давлением гидравлической жидкости будет управлять поршнем возвратно-поступательного хода, поддерживаемым тремя пьезоэлектрическими элементами, преобразующими изменения давления в переменный ток.
Так как аккумулирование энергии с помощью пьезоэлектриков начало изучаться только с конца 1990-х годов, эта технология развивается до сих пор. Несмотря на это, инженерный колледж при Научном институте прикладных исследований (связанном, в свою очередь, с компанией «Arveni») сделал немало интересных открытий, связанных с переключателями с автономным источником питания. В 2006 году была создана первая беспроводная кнопка для дверного звонка, работающая без батареи.
Так же недавно было доказано, что обычный беспроводной переключатель можно запитать от пьезоэлектрического аккумулятора. Остальные возможности применения в промышленности (примеры – аккумулирование энергии из колебаний или ударов с подающими датчиками) появились в 2000-2005 годах.
Пьезоэлектрические системы могут преобразовывать движение человека в энергию. Управление перспективных исследовательских проектов при Министерстве обороны США финансировало программы по преобразованию движений рук и ног, шагов в обуви, и кровяного давления в энергию, необходимую для маломощных имплантируемых или носимых датчиков.
Еще одним примером пьезоэлектрических аккумуляторов энергии являются нанощетки, которые можно вшить в одежду. Многие другие наносистемы использовались для создания устройства для аккумулирования энергии. Так, например, однокристальный ПМЯ-ИТ нанопояс был создан и преобразован в пьезоэлектрический аккумулятор энергии в 2016 году. Для того, чтобы до предела уменьшить дискомфорт человека, такие устройства нуждаются в тщательном проектировании.
Эти источники накапливаемой энергии будут также влиять и на тело. Еще одним проектом, который старается создать устройство для аккумулирования энергии из колебаний и движения окружающей среды, стал «Vibration Energy Scavenging». Для накопления энергии дыхания можно использовать микропояс. Наконец, удалось создать пьезоэлектрический накопитель энергии величиной в несколько миллиметров.
Использование пьезоэлектриков для аккумулирования энергии уже стало популярным. Они способны преобразовывать энергию механического воздействия в электрический заряд. Пьезоэлементы уже монтируют в покрытия аллей, чтобы собирать энергию из человеческих шагов.
Также их можно встроить в обувь для накопления «энергии от прогулок». В 2005 году исследователи из Массачусетского технологического университета разработали первый микроскопический пьезоэлектрический накопитель энергии с использованием тонкой пленки из цирконат-титаната свинца.
Арман Хаджати и Сан Гук Ким изобрели сверхширокополосный микроскопический пьезоэлектрический накопитель энергии, используя нелинейную жесткость двух резонаторов микроэлектромеханических систем. Сила деформации, направленная к двунаправленным лучам, приводит к изменяемой жесткости, обеспечивающей пассивную обратную связь, а позднее – резонанс.
Энергия из «умных дорог» и пьезоэлектричество
В 1880 году братья Пьер и Жак Кюри представили идею пьезоэлектричества. Пьезоэлектрический эффект позволяет преобразовать энергию механического воздействия в электричество, что дает возможность вырабатывать энергию от шагов, веса, колебаний и изменений температуры.
Пленки из цирконат-титаната свинца привлекли внимание, как перспективные компоненты для датчиков силы, акселерометров, гироскопов, исполнительных устройств, настраиваемой оптики, микроскопических насосов, сегнетоэлектрических ОЗУ, дисплеев и умных дорог.
Ведь при ограниченности источников энергии важную роль для окружающей среды будет играть именно аккумулирование энергии. Умные дороги также могут сыграть серьезную роль в выработке энергии. Вмонтированные в дорожное покрытие пьезоэлектрики могут преобразовывать давление движущихся автомобилей в напряжение и электричество.
Умная система транспортировки
Пьезоэлектрические датчики – самые полезные элементы, которые можно использовать для создания интеллектуальных систем «умных дорог», а также – увеличения их эффективности при продолжительной работе.
Многие десятилетия ученые и эксперты спорили о том, как лучше преодолеть пробки при помощи таких интеллектуальных транспортных систем, как датчики на обочинах, нужные для измерения плотности транспортного потока и синхронизации работы светофоров для его контроля.
Но из-за цены эти технологии очень ограничены. Существуют также умные технологии, которые уже готовы к быстрому развертыванию и эксплуатации, но большинство из них все еще находятся на стадии разработки и не могут быть воплощены на практике, как минимум, в ближайшие пять лет.
Пироэлектричество
Пироэлектрический эффект преобразовывает изменения температуры в электричество или напряжение так же, как и в случае с пьезоэлектрическим эффектом, являющимся разновидностью сегнетоэлектричества.
Пироэлектрик требует периодически изменяющегося входного сигнала и, как правило, отличается током крайне малой мощности на выходе, которой не хватает для аккумулирования.
Однако, ключевым преимуществом пироэлектрики над термоэлектрикой является стабильность многих пироэлектриков при температуре свыше 1200 °С, что позволяет использовать их для аккумулирования энергии из высокотемпературных источников, и в дальнейшем – увеличить их термодинамическое КПД.
Одним из способов превратить израсходованное тепло в электричество является осуществление цикла Ольсена с пироэлектриками. Цикл Ольсена состоит из двух изотермических и изоэлектрических полей, в которых происходят процессы по смещению электрического поля.
Основой цикла Ольсена является заряд конденсатора через охлаждение в маломощном электрическом поле и разряд – при нагревании или мощном электрическом поле. Для реализации цикла Ольсена было разработано несколько пироэлектрических преобразователей, использующих проводимость, конвекцию или излучение. Также существует теоретическое обоснование того, что пироэлектрическое преобразование основано на регенерации тепла, используемой в колеблющейся рабочей жидкости, а за счет цикла Ольсена можно достичь КПД цикла Карно между горячим и холодным тепловым резервуаром.
Более того, недавние исследования показали, что полимеры на основе поливинилденфторид-трифторэтилена или керамика на основе цирконат-титанат свинца могут стать перспективными пироэлектриками, которые будут применяться для в преобразователях энергии за счет своей большой плотности энергии, создаваемой при низких температурах. К тому же, недавно был представлен пироэлектрический накопитель энергии, не нуждающийся периодически меняющегося входного сигнала.
Аккумулятор энергии использует деполяризуемое электрическое поле нагретого пироэлектрика для преобразования тепловой энергии в механическую вместо извлечения электрического тока из двух электродов, прикрепленных к граням кристалла.
Термоэлектричество
В 1821 году Томас Иоганн Зеебек открыл, что перепад температур, созданный между двумя различными проводниками, вырабатывает напряжение.
В основе эффекта термоэлектричества – факт того, что перепад температур в проводнике приводит к появлению теплового потока, что, в свою очередь, к диффузии переносчика заряда. Поток в переносчике заряда между горячим и холодным пространствами, в свою очередь, создает напряжение.
В 1834 году Жан Шарль Атаниз Пельтье обнаружил, что движение электрического тока через соединение двух разных проводников, в зависимости от его направления, может служить как для нагрева, так и для охлаждения.
Поглощаемое или выделяемое тепло пропорционально току, и эта постоянная известна, как коэффициент Пельтье. Сегодня за счет сведений об эффекте Зеебека и Пельтье, термоэлектрики могут применяться, как нагреватели, охладители и генераторы (ТЭГи)
Идеальный термоэлектрик обладает высокими коэффициентом Зеебека и электропроводимостью и низкой теплопроводностью.
Она необходима для поддержки высокого перепада температур в переходе. Стандартные термоэлектрические модули, производимые сегодня, состоят из двух полупроводников из теллурита висмута (положительного и отрицательного), расположенных между двумя металлизированными керамическими пластинами. Пластины добавляют системе жесткости и изоляции. Полупроводники соединены последовательно в электрической схеме и параллельно – в тепловой.
Были разработаны миниатюрные термоэлементы, преобразующие тепло тела в электричества и вырабатывающие 40 мкВт и 3 В электричества при разнице температур в 5 градусов, в то время, как более крупные аналоги сейчас применяются в радиоизотопных термоэлектрических генераторах.
Примеры практического воплощения – пальчиковый тахокардиометр от «Holst Center» и термогенератор от немецкой компании «Fraunhofer».
Преимущества термоэлектрики:
- Никаких подвижных частей, что позволяет использовать прибор много лет. Компания-производитель термоэлектрики «Tellurex Corporation» заявляет, что их устройства способны работать более 100 000 часов.
- В термоэлектрике нет никаких материалов, которым необходима перезаправка.
- Процесс нагревания и охлаждения может быть обращен.
Недостатком преобразования тепла в электричество является низкий КПД (на данный момент – меньше 10 %). Сейчас происходит разработка материалов, способных работать при больших перепадах температуры и проводить электричество без тепла, что еще недавно считалось невозможным. Подобные разработки обещают увеличить КПД.
Предстоящие работы в этой области позволят преобразовывать потраченное тепло, к примеру, от двигателя внутреннего сгорания, в электричество.
Электростатика (емкостный накопитель)
Этот тип аккумулирования энергии основан на изменении емкости конденсаторов, преобразующих колебания в электричество. Колебания отделяют платы заряженного конденсатора переменной емкости, и механическая энергия преобразуется в электрическую.
Электростатические накопители энергии нуждаются в источнике поляризации для работы и преобразования механической энергии колебаний в электричество. Источник поляризации должен давать ток напряжением в несколько сотен вольт, что серьезно осложняет питание управляющей схемы.
Другое решение – использование электретов, представляющих собой электрически заряженные диэлектрики, способные хранить поляризацию конденсатора много лет. Для этой цели можно переделать схемы обычных генераторов электростатической индукции, извлекающих энергию различного емкостного сопротивления.
Получившиеся в итоге устройства будут способны к самозарядке, зарядке батарей и выработке энергии с напряжением, растущим в геометрической прогрессии, для хранения в конденсаторах, откуда ее будут периодически извлекать преобразователи постоянного тока.
Магнитная индукция
Магниты, качающиеся на консолях, чувствительны к малейшим колебаниям и создают токи малой мощности при движении относительно проводников благодаря закону электромагнитной индукции Фарадея.
После разработки устройства подобного типа в 2007 году, команда ученых из Саутгемптонского университета сделала возможной установку таких устройств в окружающей среде, которым не потребуется электричество извне. Датчики, установленные в недоступных местах, уже сейчас могут вырабатывать энергию сами и передавать данные внешним приемникам.
Одним из главных ограничений для накопителей энергии из магнитных колебаний, разработанных в Саутгемптонском университете, является размер генератора (в данном случае – около 1 см3), который слишком велик для установки в современные мобильные устройства.
Собранный генератор включает в себя схему размером 4х4х1 см, сравнимую с устройством «iPod nano». Последующее уменьшение габаритов станет возможным через интеграцию новых, более гибких материалов для консольного стержня. В 2012 году исследовательская группа из Северо-западного университета разработала генератор, получающий энергию из колебаний.
Он был собран из полимеров и имел форму струны. Это устройство было способно определять те же частоты, что и аналог из Сатугемптона на кремниевой основе, но его балка была на треть короче.
Также для аккумулирования энергии на основе магнитной индукции был предложен новый подход в виде использования феррожидкости.
Статья из журнала под названием «Электромагнитный накопитель энергии на основе феррожидкости» обсуждает использование феррожидкости для накопления энергии низкочастотных (менее 2.2 Гц) колебаний с выходной мощностью около 80мВ/г.
Коммерчески успешные накопители энергии из колебаний получили свое развитие после появления прототипов в Саутгемптонском университете.
Они были достаточно велики для производства необходимой беспроводным сенсорным узлам энергии, но не могли нормально применяться в областях, требующих взаимодействия механизмов. Эти накопители на данный момент распространены в больших количествах для подпитки беспроводных сенсорных узлов, созданных компаниями типа «General Electrics» или «Emerson», или вмонтированной в поезд системы проверки от компании «Perpetuum».
Беспроводные датчики линий электропередач могут использовать магнитную индукцию для аккумулирования энергии напрямую с контролируемого проводника.
Сахар в крови
Другой путь аккумулирования энергии – окисление сахара в крови. Эти накопители энергии называют биобатареями.
могут быть использованы для питания таких имплантированных электронных устройств, как кардиостимулятор, имплантированные биодатчики для диабетиков или активные системы РЧИ и других. На данный момент Майнтирская группа при Университете в Сент-Луисе создала энзимы, которые можно будет применять для генерации энергии из сахара в крови.
Однако каждые несколько лет их нужно будет вводить заново. В 2012 в Университете Кларксона под управлением доктора Евгения Катца удалось запитать кардиостимулятор от введенных биохимических топливных элементов.
Электроника, встроенная в деревья
Аккумулирование энергии из метаболизма в деревьях относится к биологическому способу.
Проект «Voltree» был разработан, как метод аккумулирования энергии из деревьев. Эти накопители используются для питания дистанционно управляемых датчиков и узловых сетей, как основы развернутой долгосрочной системы мониторинга лесных пожаров и погоды. Их веб-сайт утверждает, что срок службы такого устройства может быть ограничены лишь длительностью жизни самого дерева, где оно было установлено.
Недавно они развернули малую тестовую сеть в лесу Национального парка США.
Среди других источников энергии из деревьев – улавливание движения деревьев генератором.
Теоретический анализ этого источника показал некоторые перспективы для питания малых электронных устройств. Устройство, основанное на этой теории, было создано и успешно питало сенсорный узел в течение года.
Метаматериалы
Накопитель энергии на основе метаматериалов способен без использования проводов преобразовывать микроволны частотой в 900 МГц в постоянный ток напряжением в 7,3 В (больше, чем необходимо для USB-устройства).
Также оно может быть настроено для накопления энергии из таких сигналов, как Wi-Fi, спутникового или даже звукового. Экспериментальный образец использует ряж из пяти стеклопластиковых и медных проводников. КПД преобразования достигает 37 %.
Когда обычные антенны находятся слишком близко друг к другу, то они создают помехи друг другу, но, так как мощность радиоволны падает в отношении к кубу расстояние, количество энергии оказывается крайне малым.
Несмотря на то, что заявленные 7,3 В являются достаточно крупным значением, это измерение актуально только для незамкнутого контура. Так как энергия – крайне мала, то при подключении может не вырабатываться практически никакого тока.
Изменения атмосферного давления
В отличие от герметичной камеры, для обеспечения энергией механических часов типа «Atmos clock» используется изменения в атмосферном давлении, причиняемые изменениями температуры или синоптической ситуацией.
Энергия человека
Атлет способен произвести 300-400 Вт механической энергии за час, что примерно равно 1/3 кВтч или 0,5 л.с., в то время, как взрослый с хорошим физическим здоровьем – около 50-150 Вт за час энергичных упражнений (0,1 кВтч).
Здоровый работник может примерно за 8 часов обеспечить 75 Вт энергии (0,5 кВтч). Вследствие этого самым подходящим способом производства энергии для краткосрочных заданий, не нуждающихся в больших затратах энергии, является энергия от нажатия на педали.
Вспомогательная аппаратура для тела
Также уже появились биомеханические накопители энергии. Один из таких образцов, который пристегивается к колену, был создан Максом Донеланом. Устройства подобного типа позволяет вырабатывать 2,5 Вт энергии, чего достаточно для зарядки пяти мобильных телефонов. Футбольный мяч «Soccket», разработанный канадской компанией «Bionic Power», способен вырабатывать и хранить до 6 Вт энергии.
Также энергия, извлекаемая из тела, может использоваться для кардиостимуляторов.
Мостовые
Компания «PaveGen» выпустила специальную брусчатку для мостовых, способную к выработке электричества. Помимо стационарной установки, она также была продемонстрирована на таких мероприятиях, как Олимпиада 2012 года в Лондоне и Марафон в Париже
Энергия от нажатия на педали
Энергия от нажатия на педали является простым, эффективным и практичным методом получения энергии. По сути, существует всего две схемы подобных аппаратов – педаль с возвратно-поступательным движением и система ведущих звезд, вращающих педаль.
Стационарные устройства типа деревообрабатывающих станков использовались несколько тысячелетий (по меньшей мере, с Бронзового века) и точно такой же возвратно-поступательный механизм с небольшими улучшениями был использован для швейной машинки, запатентованной Айзеком Зингером в 1851 году.
Энергия от нажатия на педали чаще всего применяется в велосипедах или трициклах, которые пользуются большой популярностью с конца XIX века. Но квадроцикл, запатентованный в 1853 году, показал, что энергия может вырабатываться несколькими велосипедистами сразу.
Педальные электрогенераторы
Некоторые велотренажеры снабжены генераторами и батареями, и, по меньшей мере, один из них – запатентован американцами. Как правило, количество выработанной или накопленной полезной электроэнергии – мало, так как ни генераторы, ни батареи не обладают высоким КПД, а много энергии тратится на то, чтобы преобразовать мускульную силу во вращающую. Преодолимость этих проблем показали концепты, способные долгое время вырабатывать энергию мощностью в 120 Вт.
Генератор «Dynapod»
В 1980 году Добровольцами по оказанию технической помощи (ВИТА, штат Мэриленд, США) было предложено устройство для выработки энергии, названное ими «Dynapod». Их идея заключалась в том, чтобы оборудовать такую бытовую технику, как миксер, шлифовальный станок, ручная дрель и деревообрабатывающий станок, маломощными (меньше 1 л.с. или 500 – 1 000 Вт) электромоторами, используемыми в короткие промежутки времени.
Так как большинство бытовых приборов используют в относительно постоянных условиях, где часто очень важен контроль скорости рабочего органа, педальные механизмы могут одновременно передать мускульную силу и отлично управлять скоростью там, где это необходимо. При этом можно также обеспечить комфортное сидячее место для оператора и освободить обе руки для управления устройством.
Перспективные направления
Для аккумулирования энергии были предложены электроактивные полимеры. Они обладают большим коэффициентом деформации, большой энергетической плотностью и высоким КПД преобразования энергии. Предполагается, что общий вес систем на основе ЭАП (электроактивных полимеров) будет значительно ниже, чем у их аналогов на основе пьезоэлектриков.
Наногенераторы, подобные тем, что были созданы в Технологическом университете Джорджии, могут предложить новый путь для обеспечения энергией устройств без батарей. По состоянию на 2008 год, они могут вырабатывать ток мощностью лишь в несколько десятков нВт, что слишком мало для практического применения.
Итальянскими учеными был предложен шум в качестве источника энергии. Предполагается, что из различных низкочастотных колебаний можно будет извлекать и аккумулировать энергию за счет нелинейного динамического механизма, способного улучшить КПД накопителя в 4 раза по сравнению с традиционными линейными накопителями.
Сочетание различных типов накопителей энергии в дальнейшем может уменьшить зависимость от батарей, в частности – в тех условиях, где периодически меняются виды доступной в окружающей среде энергии. Этот тип взаимодополняющего и сбалансированного аккумулирования энергии обладает потенциалом для увеличения надежности беспроводных сенсорных систем для структурной дозиметрии.
