Настоящето време, което е изпълнено с маса иновативни неща и устройства, пряко свързани с интернет, се развива по-активно поради появата на нова безжична комуникационна система, която позволява на електронните устройства да извършват собствената си работа без батерии, батерии и други източници на електроенергия. Технологията, разработена от учени от Вашингтонския университет в Сиатъл, може да акумулира и събира енергията на околните радиовълни, превръщайки я в електрическа енергия. Електронните устройства се нуждаят от това електричество, за да работят безжично. На пръв поглед това изглежда невъзможно, но комуникационната система изобщо не излъчва своите сигнали - взаимодействието между устройствата се осъществява на принципа на модулация и отразяване на радиовълни, идващи отвън.
Екип от изследователи, ръководен от Shyam Gollakota, създаде прототипни устройства, за да докаже отличното представяне на технологията. Опитните устройства са малки по размер, приблизително колкото кредитна карта. Всяко устройство може да функционира и да обменя информация, използвайки телевизионни радиосигнали. Системата за наблюдение на устройството може да засече телевизионен сигнал, да определи посоката на неговото разпространение и да отрази сигнала в желаната посока, като го модулира с информация, която е предназначена за предаване към друго устройство.
"Устройствата не излъчват сигнали, обменът на данни се осъществява единствено чрез отражение на сигнала, последващо отражение сред отраженията на сигнала от коли, дървета и стаи. Ние поглъщаме само малко количество енергия на сигнала, която след определено време ще изчезне сама, ” Голакота съобщава.
Примерни устройства, които използват телевизионни сигнали, могат да комуникират помежду си на разстояние от няколко метра. Консумираната енергия от радиовълните е достатъчна, за да светнат светодиодите, които индикират приемането на данни от друго устройство, както и да позволи функционирането на малък микроконтролер.
Примерни устройства
Възможностите за използване на такава технология са много широки - от малък ключодържател, който изпраща SMS до мобилния телефон на собственика, показващ местоположението му, до различни сензори, вградени в структурни елементи на конструкции и сгради, които съобщават за проблеми и постоянно следят състоянието им.
"Тъй като такива устройства получават електрическа енергия отвън, собственикът не трябва постоянно да мисли за подмяна на източници на енергия. Такива устройства се инсталират веднъж и функционират дълго време, докато напълно се повредят", казва ученият Джошуа Смит.
В допълнение към създаването на напълно автономни и енергонезависими електронни устройства, учените обмислят интегрирането на нови технологии в дизайна на смартфони и други преносими електронни устройства. Енергията, получена от енергията на радиовълните, може да се използва за непрекъснато зареждане на батерии, увеличавайки многократно живота им. Тази енергия е достатъчна за изпращане на SMS при някакво събитие - например пълно разреждане на батерията.
За да може технологията да отговаря на идеята за Интернет на нещата, учените трябва да работят усилено. Първо, те трябва да разширят радиочестотния обхват, който системата покрива. Това ще позволи на системата да консумира енергия не само от телевизионни сигнали, сигнали от кули за мобилни телефони, безжични мрежи, но и от предавания на радиостанции. Подобно разширение ще позволи непрекъсната комуникация между устройствата при абсолютно всякакви условия и ще увеличи количеството електроенергия, което може да се използва за вашите собствени цели.
В съвременния свят, когато енергийните ресурси непрекъснато поскъпват, много хора насочват вниманието си към възможността да спестят парите си, като използват алтернативни източници на електроенергия.
Този проблем занимава умовете не само на домашни изобретатели, които се опитват да намерят решение у дома с поялник в ръцете си, но и на истински учени. Това е въпрос, който се обсъжда от дълго време и се правят различни опити за намиране на нови източници на електроенергия.
Възможно ли е да се получи електричество от въздуха?
Може би мнозина смятат, че това е пълна глупост. Но реалността е, че е възможно да се получи електричество от нищото. Има дори схеми, които могат да помогнат за създаването на устройство, способно да получи този ресурс буквално от нищото.
Принципът на работа на такова устройство е, че въздухът е носител на статично електричество, само в много малки количества, и ако създадете подходящо устройство, тогава е напълно възможно да се натрупа електричество.
Опитът на известни учени
Можете да се обърнете към трудовете на вече известни учени, които в миналото се опитаха да получат електричество буквално от нищото. Един от тези хора е известният учен Никола Тесла. Той беше първият човек, който се сети, че електричество може да се получи, грубо казано, от нищото.
Разбира се, по времето на Тесла не е било възможно да се запишат всички негови експерименти на видео, така че в момента експертите трябва да пресъздадат неговите устройства и резултатите от изследванията му според записките му и старите свидетелства на съвременниците му. И благодарение на много експерименти и изследвания на съвременни учени е възможно да се изгради устройство, което ще позволи генерирането на електричество.
Тесла установи, че има електрически потенциал между основата и повдигнатата метална плоча, представляващ статично електричество, и също така установи, че може да се съхранява.
Впоследствие Никола Тесла успява да конструира устройство, което може да акумулира малко количество електричество, използвайки само потенциала, съдържащ се във въздуха. Между другото, самият Тесла предполага, че наличието на електричество в състава си въздухът дължи на слънчевите лъчи, които, прониквайки в пространството, буквално разделят частиците си.
Ако разгледаме изобретенията на съвременните учени, можем да дадем пример за устройството на Стивън Марк, който създаде тороидален генератор, който ви позволява да съхранявате много повече електроенергия, за разлика от най-простите изобретения от този вид. Предимството му е, че това изобретение е в състояние да осигури електричество не само на слаби осветителни устройства, но и на доста сериозни домакински уреди. Този генератор може да работи без презареждане доста дълго време.
Прости вериги
Има доста прости схеми, които ще помогнат за създаването на устройство, способно да приема и съхранява електрическа енергия, съдържаща се във въздуха. Това се улеснява от наличието в съвременния свят на много мрежи и електропроводи, които допринасят за йонизацията на въздушното пространство.
Можете да създадете устройство, което получава електричество от въздуха със собствените си ръце, като използвате само доста проста схема. Има и различни видеоклипове, които могат да предоставят необходимите инструкции за потребителя.
За съжаление, създаването на мощно устройство със собствените си ръце е много трудно. По-сложните устройства изискват използването на по-сериозни схеми, което понякога значително усложнява създаването на такова устройство.
Можете да опитате да създадете по-сложно устройство. В интернет има по-сложни схеми, както и видео инструкции.
Видео: домашен генератор на безплатна енергия
Електромагнитното излъчване вече е навсякъде, където отидете. Радио, телевизия, мобилни и сателитни комуникации, битова техника. Сега ние буквално се „къпем“ в море от електромагнитно излъчване, което сами произвеждаме, нарича се още „електронен смог“. Използваме го неефективно и го прахосваме. Плащаме много пари за енергийни ресурси, но не сме се научили как да ги използваме. Дори хартията, пластмасата и металът могат да бъдат рециклирани и използвани, но енергията от електромагнитно излъчване не може. Малко хора знаят, че тази енергия може да се използва повторно. как?
Енергия около нас
Напоследък се появиха редица публикации по темата за получаване на енергия от вакуум. Темата със сигурност е интересна и за мнозина все още непозната и неразбираема. Това се доказва от вълната от критики в коментарите към подобни публикации. Всички сме свикнали с факта, че електричеството в по-голямата част от случаите идва при нас чрез проводници от електроцентрали. Слънчевите панели и вятърните генератори също не са екзотика за никого. Някои дори ги използват, въпреки че масовото приложение е все още далеч, процентът на използване на „безплатна“ енергия все още е относително нисък.
В научния свят много се говори за така наречената „тъмна материя” и съответно за откритата в нея „тъмна енергия”. Засега използването на такава енергия остава „тъмна материя“. Ние просто знаем, че има изобилие от тази енергия около нас. Но малко хора знаят (или по-скоро не забелязват) факта, че около нас има много друга енергия, която отдавна ни е позната - електромагнитни вълни.
Детекторни приемници
Още като ученик посещавах клуб по радиоелектроника, където с момчетата сглобихме първите си електронни схеми. Сред тях имаше приемници, които можеха да работят без батерии (!). "Как е възможно?" Да, много е просто - за да работи такъв приемник, енергията на радиовълните, излъчвана от предавателната станция, е достатъчна (особено ако се намира наблизо). Можете да намерите много подобни вериги на приемника на детектора.
Радиото със сигурност е интересно, но исках да опитам да използвам енергията на радиовълните по различен начин, например за захранване на електрически мотор за играчки. Той се въртеше, но нямаше достатъчно енергия за него. Но все пак проработи!
Работата на източниците на постоянен ток, които са описани по-долу, се основава на използването на така наречената свободно достъпна енергия, т.е. енергията на радиовълните от мощна местна радиостанция. Такива източници ви позволяват да захранвате транзисторни приемници (1...3 транзистора). Такъв експеримент беше проведен. Далеч от града, телена антена с дължина около 30 м беше окачена на височина 4 м. DC мощност от 0,9 mW беше разпределена при товар от 9 kOhm. В същото време предавателят с мощност 1 kW и работна честота 1,6 MHz се намираше на разстояние около 2,5 km. На изводите на филтриращия кондензатор (на празен ход) е регистрирано напрежение от около 5 V. Такива резултати се получават само с помощта на голяма антена, насочена към предавателя.
На практика се използват други по-ефективни схеми. Има три известни метода за захранване на приемници от изправено радиочестотно напрежение на радиостанция. Първият е, че радиостанцията се приема с помощта на две антени. Радиосигналите, получени от втората антена, се преобразуват в постоянен ток, който се използва за захранване на приемника. Друг метод използва една антена и част от енергията, която улавя, се прехвърля към преобразувателна верига. При последния метод се използват две антени: първата антена е за приемане на радиопредавания, които се слушат, а втората приема сигнали от друга радиостанция, които се преобразуват в захранващо напрежение.
Най-простата схема на безжична радио точка е показана на фиг. a-c. Той може да приема местна радиостанция, например същата „Варшава II“ и в същото време да използва енергията си, за да я преобразува в електричество. д.с. постоянен ток. За приемане на радиовълни с честота над 50 MHz, т.е. сигнали от VHF предаватели (например телевизия), RF преобразувателят на напрежение трябва да има специална антена - контурен вибратор (дипол). Тази антена може едновременно да работи в диапазона на средните вълни и като приемник, и като източник на енергия. Ако енергията на един вибратор не е достатъчна, тогава се използват няколко антени от този тип (фиг. д), свързани последователно (за увеличаване на напрежението) или паралелно (за увеличаване на тока).
С помощта на антената, показана на фиг. d, улавяйки енергията на радиовълните от предавател с мощност 50 kW, работещ в диапазона 50...250 MHz, се получава постоянна мощност от около 3 mW. Антената се намираше на 1,5 км от предавателя. На фиг. Той показва схема на приемник с две антени, едната от които (VHF) се използва в източника на захранване. Приемникът със средни вълни може да работи с всяка антена, докато източникът на захранване трябва да получава радиочестотна енергия от диполна антена. В позиция 1 на превключвател B1 устройството действа като сигнално устройство, управлявано от модулиран HF сигнал, в позиция 2 като приемник.
Интересен пример за използване на енергия от радиовълни за захранване на радио устройства е схемата, показана на фиг. и. Това е радиомаяк (земя, река или море), който се активира от сигнал от предавател, монтиран на автомобил, кораб, планер или самолет. Сигналите за запитване задействат предавател на шамандурата, чиито отговорни сигнали служат за определяне на нейното местоположение. Сигналните устройства от този тип улесняват намирането на хора, изгубени в морето, планината, гъстите гори и др. Те са част от екипировката на туристи и алпинисти. Умелото използване на енергията на радиовълните очевидно ще направи възможно значително намаляване на размера на слуховите апарати, приемниците, устройствата за дистанционно управление, играчките и т.н. Трябва да се каже обаче, че както показват експериментите, приемливи резултати се получават при захранване приемници от получено изправено радиочестотно напрежение Радиовълни могат да бъдат постигнати само чрез използване на внимателно настроени антени и добро заземяване. Друг недостатък е, че количеството изправено напрежение зависи от дълбочината на модулация на носещата честота по време на приемане.
Ако има електромагнитно излъчване, то има енергия и тази енергия може да се използва. Тук нищо не противоречи на законите на физиката, за разлика от така наречените „генератори на вакуумна енергия“. В този случай говорим за реално енергийно излъчване.
Самата тази идея не е нова; тя е толкова стара, колкото и самото радиоразпръскване. Бележки по тази тема могат да бъдат намерени и в местни списания, публикувани в зората на нашето любителско радио. Ясно е, че няма да получите много „безплатна енергия“ от такъв източник и като цяло има смисъл да правите това само за тези, които живеят на сравнително кратко разстояние от предавателите.
Например, диаграма на американския радиолюбител Майкъл Лий:
За получаване на „безплатна енергия“ авторът използва антената (WA1) и заземителната система на любителска радиостанция. Антената е лъч с дължина 43 метра. Това е няколко пъти по-малко от дължината на вълната на средновълновите радиостанции, така че входният импеданс на такава антена има забележим капацитивен компонент. Паралелно свързан променлив кондензатор C1 и постоянен кондензатор C2 са свързани последователно с него, което ви позволява да регулирате намалената стойност на капацитивния компонент в точката на свързване на горния (според диаграмата) изход на бобината L1 ( с други думи, променете резонансната честота на последователната верига, образувана от тази намотка и капацитета на антената).
Когато веригата резонира, може да възникне значително радиочестотно напрежение върху намотката L1 от носещата радиостанция, към която е настроена осцилиращата верига. В експериментите на автора, с индуктивност на намотката L1 от 39 μH, се появи резонанс с честота 1370 kHz (най-мощната местна радиостанция работи върху него) с общия капацитет на кондензаторите C1 и C2. равен на 950 pF (интервалът за настройка е ограничен до честоти от 1100 и 1600 kHz).
Тъй като RF напрежението в този случай трябва да бъде премахнато от веригата с високо съпротивление, токоизправителният диод VD1 е свързан към крана на бобината. Мястото му се избира при настройка на устройството според максималната изходна мощност. Както отбелязва авторът, местоположението на крана не е критично: приблизително същите резултати са получени, когато е разположен в диапазона от 1/4 до 1/6 от броя на завъртанията на бобината, като се брои от долната му (според към веригата) терминал.
За да се избегне презареждане на батерията или повреда на токоизправителните диоди, когато батерията е изключена (поради възможно повреда от обратно напрежение), в устройството се въвежда защитно устройство на транзистори VT1 и VT2. Когато напрежението на натоварването е по-малко от 12 V, през ценеровия диод VD3 не протича ток, така че транзисторите са затворени. Когато напрежението се повиши над тази стойност, те се отварят и резистор R4 заобикаля изхода на токоизправителя.
Според измерванията на автора, устройство, настроено на честотата на посочената по-горе радиостанция, осигурява ток за зареждане на батерията до 200 mA. (За съжаление в бележката няма информация за мощността на предавателя, пише само, че разстоянието до него е около 1,6 км). Според изчисленията, концентраторът е „произвеждал“ около 1700 Ah за една година за зареждане на батерията... Освен това, за разлика от например слънчевите панели, той може да се използва почти денонощно (по-точно през цялото време на работа). работно време на радиостанцията).
За да настрои веригата, авторът използва променлив кондензатор с голяма междина между плочите на ротора и статора, но ако напрежението, развито в системата при резонанс, не е твърде високо, можете също да използвате кондензатор с въздушен диелектрик от излъчване приемник.
Индукторът L1 е навит върху рамка с диаметър 50 mm и съдържа 60 навивки тел с диаметър 1,6 mm, дължината на намотката е 250 mm (стъпката е приблизително 4 mm). Магнитната сърцевина на индуктора 12 е пръстен T-106-2 (27 × 14,5 × 11,1 mm), изработен от карбонилно желязо, намотката се състои от 88 навивки тел с диаметър 0,4 mm. Диодите VD1 и VD2 са предназначени за прав ток до 1 A и обратно напрежение 40 V. Zener диод VD3 - със стабилизиращо напрежение 12 V.
Разбира се, при повторение на устройството, параметрите на елементите на осцилиращата верига (индуктивността на намотката L1 и капацитета на кондензаторите C1 и C2) трябва да бъдат настроени към съществуващата антена и честотата на местната радиостанция.
Й. Войцеховски, Експериментални източници на електричество (Глава 6 от книгата "Радио-електронни играчки")Глава 6 от книгата на Я. Войцеховски „Радиоелектронни играчки”, превод от полски, Москва, 1979 г.
6. Експериментални източници на електричество
В допълнение към класическите химически източници на ток: сухи галванични елементи и батерии, както и всички видове преобразуватели (машина, вибратор, транзистор) - в нашите експерименти използваме устройства, които преобразуват топлина, светлина, радиовълни и звук в електрически ток. Трябва да се отбележи обаче, че въпреки простотата на схемите, такива преобразуватели на енергия обикновено са трудни за регулиране, главно поради тяхната ниска мощност и ниска ефективност. Именно тук се отваря широко поле за дейност за упоритите експериментатори.
6.1. Светлинна енергия
Мощността на слънчевите лъчи, падащи вертикално върху външната част на атмосферата, е приблизително 1350 W/m2. В средните географски ширини мощността за земната повърхност е 300 W/m2 през лятото и 80 W/m2 през зимата. Приблизителните стойности на интензитета на различните източници на светлина (в микровати на квадратен метър) са съответно: слънчева светлина 10 6 и повече, флуоресцентна лампа 1...10, лунна светлина - 10 -1 ...1, добро електрическо осветление - 10 - 2, слаба светлина (едва видима) 10 -10.
Усилията на дизайнерите вървят по пътя на използването на фотоклетки за директно преобразуване на слънчевата енергия в електрическа. Фотоконверторите, наричани още слънчеви панели, се състоят от няколко фотоклетки, свързани последователно или паралелно. Ако преобразувателят трябва да зарежда батерия, която захранва например радиоустройство по време на облачно време, тогава той се свързва паралелно към клемите на слънчевата батерия (фиг. 6.1, b).
Елементите, използвани в слънчевите батерии, трябва да имат висока ефективност, благоприятни спектрални характеристики, сравнително ниско вътрешно съпротивление, ниска цена, прост дизайн и ниско тегло. За съжаление само няколко от известните днес фотоклетки отговарят поне частично на тези изисквания. Това са предимно някои видове полупроводникови фотоклетки. Най-простият от тях - селенът - има максимална спектрална характеристика при дължина на вълната 560 nm, което почти съответства на максималното излъчване в слънчевия спектър. За съжаление, ефективност Най-добрите селенови фотоклетки са малки (0,1...1%), а вътрешното им съпротивление достига (1...50)x10 3 Ohms, което не им позволява да бъдат свързани към вериги с ниско входно съпротивление и отрича практическата им стойност . Но тези елементи се използват лесно от радиолюбители, тъй като са евтини и достъпни (те са инсталирани в много експонометри на снимки).
Основата на слънчевите батерии са силициеви фотопреобразуватели, които имат формата на кръгли или правоъгълни плочи с дебелина 0,7...1 mm и площ до 5...8 cm 2. Опитът показва, че малки елементи с площ от около 1 cm 2 дават добри резултати. Фотоклетка с работна повърхност от 1 cm 2 създава ток от 24 mA при напрежение от 0,5 V (при товар от 0,3 V) и има ефективност. около 10%
Няколко примера за практическо използване на слънчеви клетки са показани на фиг. 6.1. Те се използват заедно с химически източници на ток за захранване на устройства на изкуствени спътници на Земята и техните модели (виж фиг. 16.22).
Силиконовите слънчеви клетки все още са много скъпи. Въпреки това се очаква в бъдеще те да намерят широко приложение в домакинството. Изчислено е, че за осветяване на стая с лампи с мощност 3 A x 110 V е достатъчно да се използва слънчева батерия с размери 2 x 2 x 0,05 m, която зарежда алкална батерия.
Създадени са и фотоклетки от полупроводникови материали, например от кадмиев сулфид CdS с теоретична ефективност. 18% и e.m.f. 2...2,5 V при пряка слънчева светлина. Между другото, практическа ефективност фотоелектрически преобразуватели (около 10%) надвишава, по-специално, ефективността. парен локомотив (8%), коефициент на полезно действие на слънчевата енергия в растителния свят (1%), както и к.п.д. много хидравлични и вятърни устройства. Фотоволтаичните преобразуватели имат практически неограничена издръжливост.
Нека представим за сравнение стойностите на ефективността. различни източници на електрическа енергия (в проценти): комбинирана топлоелектрическа централа - 20...30, полупроводников термоелектрически преобразувател - 6...8, селенова фотоклетка - 0,1...1, слънчева батерия - 6...11, горивна клетка - 70, оловна батерия 80... 90, алкална батерия - 50...60, сребърно-цинкова батерия 88...95.
Ориз. 6.1. Слънчеви панели
а - последователно (или паралелно) 1 и смесено 2 свързване на фотоволтаични клетки; b - верига за зареждане на миниатюрни батерии; c - дизайнът на източника на захранване, монтиран на тялото на приемника; ъгълът на осветяване на батериите (в нашия случай, състоящ се от четири елемента) може да се регулира; d - дизайн на източника на захранване; d - модел на ферибот; e - батерия от елементи, направени от транзистори.
Фотоклетките могат да бъдат свързани последователно, паралелно или смесено (фиг. 6.1, а). Могат да работят и на изкуствено осветление с електрическа лампа с мощност 200...300 W. В този случай трябва да обърнете внимание на факта, че температурата на фотоклетката не надвишава +70° C. Минималната допустима температура е -30° C.
1. Селенова слънчева батерия.Можете да използвате селенови фотоклетки от всякакъв тип от фотоекспонометр или домашно направени (вижте Фиг. 2.10). Източник на захранване от този тип осигурява енергия на приемник с 1...3 транзистора. Той трябва да се състои от 10 последователно свързани фотоконвертора. Батерията произвежда ток от 1 mA и напрежение от 4,5 V, когато е осветена от слънчева светлина или електрическа лампа с висока мощност. За захранване на еднотранзисторни приемници е достатъчно батерията да съдържа 4...6 елемента и, когато е облъчена от слънчева светлина, падаща перпендикулярно на повърхността й, развива ток от 1 mA при напрежение 2...3 V. същата батерия, инсталирана на прозорец през деня, но не осветена от слънцето, осигурява ток от само 1 mA при напрежение 1,5 V.
Може да се приеме, че един селенов фотопреобразувател с площ от 3 cm 2 може да произведе (при пълно осветяване) ток от 1 mA при напрежение 0,5 V. Ако е необходимо да се захранва електродвигател или да се зарежда миниатюрен батерия, преобразувателите са свързани паралелно. На фиг. 6.1d показва модел на ферибот с електрически двигател, консумиращ ток от 5 mA, и диаграма на захранването му от слънчева селенова батерия. Моделът е изработен от балса [ Балсовото дърво расте на север. Андите, дървото му е шест пъти по-леко от върбовото дърво, понякога дори по-леко от кората на корковия дъб.] под формата на катамаран, за да се избегнат загубите от триене на карданния вал. При това решение е достатъчно да използвате телеен пръстен като лагер на карданния вал.
Експериментално е установено, че при смесено свързване на селенови фотопреобразуватели (осем последователно свързани групи, всяка група има шест паралелно свързани елемента) може да се получи ток от около 20 mA при напрежение 4 V. Препоръчва се свържете фотоконверторите с помощта на пружинни скоби (изработени от фосфорен бронз, вижте фиг. 13, 7, a, b), тъй като запояването може да унищожи елемента.
2. Силиконова слънчева клетка.Произвежда се почти по същия начин като селеновата батерия, така че ще покажем само как да поставите батерията върху тялото на захранваното устройство (фиг. 6.1, b). Четири фотоклетки са свързани последователно и при пълна слънчева светлина произвеждат ток от около 50 mA при напрежение 1,5 V. Същата батерия може да достави ток от 90...100 mA при напрежение 0,5...0,7 V към малък електрически вентилатор.
3. Домашна слънчева батерия.Почти всички полупроводникови диоди и транзистори в стъклен корпус могат да служат като фотоелектрически преобразуватели. За да направите това, достатъчно е да премахнете непрозрачната им обвивка. Соларна клетка може да бъде направена от дефектни транзистори, при условие че нямат късо съединение между база и колектор или база и емитер. Колкото по-голяма е мощността на транзистора, толкова по-добра фотоклетка прави. За транзистори в метален корпус внимателно отстранете корпуса или отрежете горната му част (вижте фиг. 2.10, c-e). Преди да сглобите батерията, трябва да проверите всеки от нейните елементи. За да направите това, милиамперметър с граница на измерване до 1 mA е свързан между клемите на основата и колектора: "плюсът" на устройството е свързан към колектора (или излъчвателя), а "минусът" към основата. При осветяване на елемента със слънчева или изкуствена светлина микроамперметърът трябва да показва ток 0,2...0,3 mA. Измереното напрежение на клемите на елемента ще бъде около 0,15 V.
За слънчева батерия се избират елементи с подобни характеристики на тока и напрежението. Батерията се състои от два паралелно свързани реда фотопреобразуватели, всеки ред съдържа 10...12 елемента, свързани последователно (фиг. 6.1, д). Предният панел на фотодетектора е показан на фиг. 6.1, d, елементите са защитени с тънко стъкло или плексиглас. На практика няма нужда от ключ за захранване, тъй като батерията се изключва сама, когато е скрита в джоба или чекмеджето на бюрото.
Слънчева батерия, сглобена с транзистори тип TG50, произвежда ток от 0,5 mA при напрежение 1,5 V. С помощта на транзистори TG70, P201...203 може да се получи ток от 3 mA при напрежение 1,5 V.
Обемът на приемник, захранван от слънчева батерия, зависи не само от интензитета на осветеност, но и от размера на антената и качеството на заземяването. В апартамент заземяването може да бъде водопровод или радиатор за централно отопление, а на открито - заземителен метален прът с дължина 0,5...0,7 m, свързан с многожилен проводник към заземяващата букса на приемника. Приемникът със слънчева енергия е особено полезен на плажа, където има ярко слънце и мокър пясък (добро заземяване).
6.2. Термална енергия
Термоелектрическите преобразуватели използват ефекта от появата на ток под въздействието на температурни разлики във вериги, състоящи се от различни метали или полупроводници. Този ток възниква във веригите на батерията на термодвойката, където топлинната енергия се преобразува в електрическа. Ако вземем, например, два електрически проводника, които са направени от различни метали и запоим краищата им, тогава когато единият край се нагрее, а другият край се охлади, електрически ток ще тече във веригата на тези проводници на термодвойки (наричани още термодвойка). Създаденият по този начин е.м.с. ще зависи от температурната разлика, както и от избора на материали, които изграждат термоелемента. Високата топлопроводимост на металните термоелементи не позволява постигане на значителна температурна разлика и следователно висока ефективност. източник. Понастоящем се използват полупроводникови термоелементи или елементи, състоящи се от проводник и полупроводник.
Термоелектрическите преобразуватели (или генератори) преди появата на транзисторните приемници бяха широко използвани в много страни за захранване на тръбни батерии (те се нагряваха с помощта на керосин или газови лампи). По време на войната са известни съветските „партизански чайници“, които са били използвани за готвене и същевременно за производство на електричество за захранване на уоки-токита.
Полупроводниковите термоелектрически батерии се използват в хладилни агрегати и дори в домашни хладилници. Принципът на работа на такива батерии се основава на обратимостта на свойствата на термоелементите. Всички охлаждащи възли на термоелектрическата батерия са разположени вътре в хладилника, а нагревателните възли са разположени отвън. И двете съединителни системи са оборудвани с метални радиатори. Вътрешните радиатори абсорбират топлината от хладилното отделение, а външните радиатори (разположени в задната част на хладилника) я излъчват, когато такава система е свързана към DC батерия. Предимството на такива устройства е липсата на движещи се части и издръжливостта.
Ефективността на термоелектрическите батерии е 5...6%, но се очаква в бъдеще да достигне 8...10%. От този момент нататък ще има несъмнена революция в технологията на така наречената малка енергия.
При работа с термоелементи се използва и температурната разлика между повърхностния слой на почвата и въздуха. Обикновено е 2...6°C (в някои случаи 8...10°C). По този начин се получава мощност от 70...160 W на квадратен метър повърхност, което средно е 1000 kW/ha.
1. Термоелектрическа батерия.Нека разгледаме дизайна на термоелектрически източник на енергия, който има по-скоро образователна стойност, тъй като ви позволява да изпитате проблемите на термоелектричеството. Източникът може да се използва за захранване на прости транзисторни радиостанции, модели, малки вентилатори и др.
Първо, няколко общи бележки. Максималната температура, до която може да се нагрее термодвойка, се определя от точката на топене на един от елементите. И така, двойка мед - константан може да се нагрее до 350 ° C, стомана - константан - до 315...649 ° C (в зависимост от диаметъра на жицата). Защитата на откритите проводници ви позволява да увеличите температурата на нагряване. Двойка хромел - алумел може да се нагрее до 700 ... 1151 ° C. Най-често се използва тел с диаметър 0,25 ... 3,5 mm, а дебелата тел може да издържи на по-високи температури. За повишаване на ефективността термодвойки, температурната разлика между връзките (краищата) на термоелементите трябва да бъде максимално увеличена, т.е. двойките метали трябва да бъдат избрани по такъв начин, че да се получи максимална термоелектромоторна сила; човек трябва да се стреми да гарантира, че съотношението на средната топлопроводимост на материалите към средната електрическа проводимост е минимално.
В табл Таблица 6.1 показва редица метали, които могат да се използват за създаване на термоелементи. За да получите най-добри резултати, трябва да изберете материали, които са възможно най-отдалечени един от друг в колоната. Например двойката стомана (отгоре) - константан (отдолу) дава добри резултати, но медта и среброто са нискоактивна двойка. Двойката антимон-бисмут е най-добрата, но практически недостъпна за аматьор: тя дава високо термоелектрическо напрежение - около 112 μV / ° C. В допълнение, всеки материал, посочен в таблицата. 6.1, има отрицателен потенциал (-) по отношение на всички останали по-високи в тази колона. Например, в двойка стомана-константан (53 μV/° C), стоманата ще има положителен потенциал (+). и константата е отрицателна (-). В хромел-алумелова термодвойка хромелът ще бъде (+), а алумелът (-).
Практическият дизайн на термоелектрическа батерия е показан на фиг. 6.2. За направата на батерия от термоелементи са необходими две парчета тел (стоманена и константанова) с диаметър 0,3 mm и дължина 18 m всяко. След като се направят 19 термоелемента (фиг. 6.2, b), краищата на всеки елемент се почистват внимателно с шкурка и се завъртат заедно с клещи на приблизително три оборота. След това усуканите краища се заваряват с ацетиленова горелка или се запояват със сребро върху газова горелка. Можете също така да използвате точково заваряване (фиг. 6.2, h). Термодвойките се монтират върху плоскост от етернит (азбестоцимент) с дебелина 5 mm или повече, която се поддържа със скоби върху основа от шперплат или дърво с дебелина 20 mm. Методът на производство на връзката и размерите са дадени на фиг. 6.2, d-j. Когато се тестват, отделните термодвойки трябва да произвеждат ток: около 22 mA при нагряване с кибрит, около 30 mA след нагряване с алкохолна горелка.
Готовата термоелектрическа батерия се нагрява в средната част върху газова, спиртна или бензинова горелка. Медната обвивка съхранява топлина и осигурява електричество, като например електрически микромотор, за няколко минути след изключване на горелката, което е най-зрелищният момент по време на демонстрацията. При тези условия измервателният уред, свързан към клемите на този източник на захранване, показва напрежение от около 0,5 V. Когато нагревателят гори нормално, батерията произвежда мощност от 1,5 V x 0,3 A, което е напълно достатъчно, например за работа с микромотор с вентилатор. Можете да изградите модел на електроцентрала на бъдещето, да свържете транзисторно радио към батерията и т.н. На фиг. 6.2 и показва опростен модел на описаната по-горе термоелектрическа батерия. Той преобразува вътрешната енергия на пламъка на свещта в електричество и включва 50 термоелемента с дължина 50 mm, закрепени към азбестов пръстен, обграждащ медна облицовка с 6 mm отвор в средата (камина). Батерията произвежда напрежение от 0,6 V и ток от 8 mA (ток на късо съединение) и от нея може да работи приемник с един транзистор. И още една малка забележка. При последователно свързване на произволен брой идентични термодвойки (например стомана - константан - стомана - константан - стомана и т.н.), стойността на термо-емф. на изходните клеми ще се увеличи, но вътрешното съпротивление на батерията се увеличава със същото количество.
Ориз. 6.2. Термоелектрическа батерия:
а - азбестоциментов диск; b - термоелементи; c - работният възел е прикрепен към диска с медна жица; d - предварителен монтаж; e - медна облицовка, поставена в отвора на диска, както и метод за инсталиране на „горещи“ кръстовища (те трябва да са над обвивката, но не и да я докосват); g - общ изглед на батерията; h - машина за заваряване на фуги (може да се вземе въглероден електрод от използвана галванична батерия); и - опция за дизайн.
6.3. Енергия на електромагнитното поле
Работата на източниците на постоянен ток, които са описани по-долу, се основава на използването на така наречената свободно достъпна енергия, т.е. енергия от радиовълни от мощна местна радиостанция. Такива източници ви позволяват да захранвате транзисторни приемници (1...3 транзистора). Такъв експеримент беше проведен. Далеч от града, телена антена с дължина около 30 м беше окачена на височина 4 м. DC мощност от 0,9 mW беше разпределена при товар от 9 kOhm. В същото време на разстояние около 2,5 км е разположен предавател с мощност 1 kW и работна честота 1,6 MHz. На изводите на филтриращия кондензатор (на празен ход) е регистрирано напрежение от около 5 V. Такива резултати се получават само с помощта на голяма антена, насочена към предавателя.
На практика се използват други по-ефективни схеми. Има три известни метода за захранване на приемници от изправено радиочестотно напрежение на радиостанция. Първият е, че радиостанцията се приема с помощта на две антени. Радиосигналите, получени от втората антена, се преобразуват в постоянен ток, който се използва за захранване на приемника. Друг метод използва една антена и част от енергията, която улавя, се прехвърля към преобразувателна верига. При последния метод се използват две антени: първата антена е за приемане на радиопредавания, които се слушат, а втората приема сигнали от друга радиостанция, които се преобразуват в захранващо напрежение.
Във всеки случай минималната радиочестотна мощност, необходима за работа на приемника, е 50 µW. Това е достатъчно само за приемници (или предаватели) с един транзистор. Ако нашият приемник изисква ток от например 1 mA при напрежение 3 V, тогава необходимата RF мощност се увеличава до 3 mW и тази стойност трябва да се приеме като средна. Фактът, че на разстояние 20...30 km от радиостанция "Варшава I" (818 kHz) все още е възможно практически да се получи мощност на изправен ток от около 8 mW, показва перспективността на подобни експерименти.
Най-простата схема на безжична радио точка е показана на фиг. 6.3, a-c. Той може да приема местна радиостанция, например същата "Варшава I" и в същото време да използва енергията си, за да я преобразува в емф. постоянен ток. За приемане на радиовълни с честота над 50 MHz, т.е. сигнали от VHF предаватели (например телевизия), RF преобразувателят на напрежение трябва да има специална антена - контурен вибратор (дипол). Тази антена може едновременно да работи в диапазона на средните вълни и като приемник, и като източник на енергия. Ако енергията на един вибратор не е достатъчна, тогава се използват няколко антени от този тип (фиг. 6.3, d), свързани последователно (за увеличаване на напрежението) или паралелно (за увеличаване на тока).
С помощта на антената, показана на фиг. 6.3, d, улавяйки енергията на радиовълните от 50 kW на предавател, работещ в диапазона от 50.. 250 MHz, се получава постоянна мощност от около 3 mW. Антената се намираше на 1,5 км от предавателя.
На фиг. Фигура 6.3e показва схема на приемник с две антени, едната от които (VHF) се използва в източника на захранване. Приемникът със средни вълни може да работи с всяка антена, докато източникът на захранване трябва да получава радиочестотна енергия от диполна антена. В позиция 1 на превключвател B1 устройството действа като сигнално устройство, управлявано от модулиран HF сигнал, в позиция 2 като приемник.
Интересен пример за използване на енергия от радиовълни за захранване на радио устройства е схемата, показана на фиг. 6.3, g. Това е радиомаяк (земя, река или море), който се активира от сигнал от предавател, монтиран на автомобил, кораб, планер или самолет. Сигналите за запитване задействат предавател на шамандурата, чиито отговорни сигнали служат за определяне на нейното местоположение. 1 устройства от този тип улесняват търсенето на хора, изгубени в морето, планината, гъстите гори и др. Те са част от екипировката на туристи и алпинисти. Умелото използване на енергията на радиовълните очевидно ще направи възможно значително намаляване на размера на слуховите апарати, приемниците, устройствата за дистанционно управление, играчките и т.н.
Трябва обаче да се каже, че както показват експериментите, приемливи резултати при захранване на приемници от коригирано радиочестотно напрежение на приети радиовълни могат да бъдат постигнати само чрез използване на внимателно настроени антени и добро заземяване. Друг недостатък е, че количеството изправено напрежение зависи от дълбочината на модулация на носещата честота по време на приемане.
Приемникът работи по-добре, чиято схема е показана на фиг. 6.3, d, в която коригираното високочестотно напрежение на приетата радиостанция се използва за презареждане на миниатюрни кадмиево-никелови батерии в момент, когато приемникът не работи. На разстояние 20 км от радиостанция Варшава I и при дължина на външната приемна антена 40 м, зарядният ток на батерия 2,5 V е 5 mA. Такова зареждане на практика попълва потреблението на електроенергия по време на едночасова работа на приемника.
Ориз. 6.3. Захранване на радиоустройства с енергия от електромагнитно поле:
a...c - приемник за приемане на предавания от мощни радиостанции в CB диапазона; d - приемник с токоизправител, който зарежда батериите (превключвател B е показан в позиция "Зареждане"); d - комплект VHF антени, захранващи токоизправителя; c - приемник-сигнализатор; g - автоматичен буй-фар.
6.4 Енергия на звуковите вибрации
За захранване, например, на миниатюрен предавател, можете да използвате устройство (фиг. 6.4, а), което преобразува електричеството в звукови сигнали. Преобразувателят е динамичен микрофон. Напрежението, индуцирано в движещата се намотка на микрофона, се подава към токоизправител с изглаждащ филтър под формата на кондензатор. Обхватът на предавателя (фиг. 6.4, b), който се захранва от такъв преобразувател, не надвишава, разбира се, няколкостотин метра. Мощността на захранването е около 0,25 W. Понякога е полезно да се включи филтър с дълго времеконстанта на изхода на токоизправителя, за да се изгладят пулсациите на най-ниските честоти.
Ако поставите микрофона близо до източник на звук с постоянен интензитет (например работещ двигател), можете да получите доста стабилен източник на захранване. Опитът обаче показва, че нормалните звукови източници (например градски шум) обикновено са твърде слаби за нашите цели.
Приблизителните стойности на интензитета на различните източници на звук (µW/m2) са както следва: реактивен самолет 10 6, граница на болка 10 4, влак от 1 до 10, уличен шум 10 -2, нормален разговор от 10 -4 до 10 - 3, шепот 10 -7, граница на слуха 10 -10.
Ориз. 6.4. Използване на микрофон или динамична глава на високоговорител (a, b) и ръчно задвижван генератор (от електрическо фенерче) (c) като източник на енергия (в нашия случай за предавателя).
6.5 Ръчни захранвания
Известно е, че транзисторите консумират значително по-малко енергия от източника на захранване дори от най-икономичните вакуумни тръби. Следователно за захранване на транзисторни устройства е напълно възможно да се използва преобразувател, задвижван от малко усилие на човешки мускули.
Масово използваният някога мускулен (ръчен) генератор за фенерчета е с мощност 0,25...0,5 W. Той може да служи като основен източник на захранване за миниатюрен предавател (фиг. 6.4, b), работещ на един транзистор. Такива предаватели се използват за дистанционно управление (на къси разстояния) на модели, битово радио оборудване, а също и като „ключове“ за отваряне на гаражни врати от разстояние няколко метра, без да напускате колата (вижте Фиг. 7.25, c).
Радиотелефонът (фиг. 6.4, в, 1), захранван от ръчен генератор, има обхват 1...2 km (на открити места); може да работи на честоти в диапазона 4...50 MHz. Неговата схема на захранване е същата като на фиг. 6.4, c.
6.6. Домашни химически източници на енергия
Най-простата галванична клетка (вид клетка на Волта) се състои от стоманени и медни пластини, разделени от слой попивателна хартия (15x40 mm), напоена с обикновена чешмяна вода или просто слюнка (фиг. 6.5. а). Ако елементът не работи, хартията трябва да се накисва в разтвор на готварска сол (половин чаена лъжичка на чаша вода). Такъв „воден“ източник на енергия, който захранва всяко устройство (радиоприемник, зумер и т.н.), изненадва непосветените наблюдатели.
Голям ефект има използването на медни, цинкови или калаени плочи. Такъв елемент се състои от дървена или пластмасова щипка, медна, сребърна или никелова монета и тампон от влажна вестникарска хартия (фиг. 6.5, б).
Електродвижещата сила (emf) на клетката ще бъде около 0,1 V и те могат да бъдат свързани, за да образуват батерия. Достатъчно е да поставите два проводника - желязо и мед (фиг. 6.5, c) в лимон, ябълка или кисела краставица (или дори по-добре в бира), за да получите източник на ток с емф. 0,1 V. Свързвайки няколко от тези елементи, ще имаме батерия, подходяща за захранване на обикновен радиоприемник.
Ориз. 6.5. Експериментални източници на ток:
а - най-простият електрохимичен елемент; b - същото, но с монети; c - "плодов" галваничен елемент; d - заземен галваничен елемент и двулентов приемник, захранван от него (L1 - 150 оборота на проводник PEV 0,25, L2 - 90 оборота на същия проводник, L3 - 900 оборота на проводник PEV 0,45; феритна сърцевина 10x160 mm).
Енергията за захранване на радиото може да бъде извлечена не само от антената, но и от земята. Това е добър метод за захранване на радиостанции при екскурзии, палатки, къмпинг и др. Ако нашият елемент е поставен в изба или дълбоко в земята (под слоя на замръзване - средно на дълбочина 1 m), тогава той може да се използва непрекъснато през цялата година.
Конструкцията на "земна" галванична клетка е показана на фиг. 6.5, г. Качеството на работата му зависи от вида на почвата, нейното съдържание на влага, както и от размера и материала на електрода. Влажната, мазна почва е най-подходяща. Колкото по-голяма е повърхността на електродите, толкова по-малко е вътрешното съпротивление на източника на ток. Видът на електродния материал има малък ефект върху величината на електродвижещата сила на източника, която обикновено варира в рамките на 0,8...1,1 V. Следните галванични двойки дават най-добри резултати: цинк - въглища, алуминий - мед, цинк - мед . Ако свържете някакъв товар към елемента, напрежението му постепенно ще намалява, докато се стабилизира след 15...30 минути. Ако имате стандартни цинкови пластини (с размери 170x210 мм) и въглеродни електроди от големи телефонни батерии (можете да използвате и въглеродни пръти от 1,5-волтови клетки), тогава разстоянието между електродите на източника на ток може да бъде 0,3...0,5 m Изводите от положителни електроди (въглища, мед) се изработват с гол или изолиран меден проводник. За отрицателната клема (цинк, алуминий) се използва медна или алуминиева изолирана жица. Връзките към електродите се осъществяват чрез запояване или заваряване. Най-висока ефективност такъв земен елемент се постига при ток на натоварване 1...2 mA.
На фиг. Фигура 6.5d показва схема на детекторен приемник, захранван от земен елемент, който се състои от два кръгли пръта - стоманен (2,5 x 400 mm) и мед (4 x 400 mm), разделени на разстояние 50 mm. Такъв елемент работи в режими 0,5 V/0,25 mA в суха почва и 0,75 V/0,9 mA във влажна почва.
За задоволителна работа на прост приемник, захранван от заземен елемент, е необходимо да се направи външна антена с дължина най-малко 4 m и да се окачи на височина най-малко 5 m от земята (колкото по-високо, толкова по-добре). Ако след няколко месеца работа напрежението на клетката под товар намалее, площта на електрода трябва да се увеличи.
6.7. Горивни и биологични клетки
В горивна клетка, предназначен за любителски експерименти (фиг. 6.6, а), се използва смес: разяждаща топлина (NaOH), водороден прекис (H 2 O 2), метилов алкохол и каталитични плочи (сребро и платина). E.m.f. елемент около 1,5 V, КПД 60...80%. Времето за работа на електродвигател, консумиращ ток от 0,15 A, достига 15 минути при еднократно зареждане на елемента.
Биологична батерия(Фиг. 6.6, b) се състои от 12 елемента, които са пластмасови съдове с диаметър 50 и височина 100 mm, в които се изсипва прах от оризови люспи и се монтират електроди (анод и катод). Бактериите (безопасни за другите), размножаващи се в тази среда в присъствието на вода, произвеждат (с 12 съда) ток от около 40 mA при напрежение 6 V. Доставянето на хранителна среда е достатъчно за шест месеца непрекъсната работа на елементът.
Биологичните клетки с хранителна среда, състояща се от банани и неорганични соли, захранват електронни устройства с мощност до 3,7 W (0,76 V x 4,92 A) през целия ден. Бананите могат да бъдат заменени с грозде, пъпеш и др.
Ориз. 6.6. Експериментални източници на енергия:
а - горивна клетка; b - биологична батерия, c - елемент за пълнене.
6.8. Предмети за еднократна употреба
Тези елементи се наричат резервни и се използват предимно като аварийни източници на енергия, както и в радиозонди и геофизично оборудване. Те могат да се използват и за захранване на електрически задвижвани летящи модели и малки плаващи модели. Те започват да действат след напълване с морска вода или 10...20% разтвор на готварска сол.
Конструктивно елементите най-често се изработват в пластмасови торби (фиг. 6.6, в). Елементите са надеждни, леки, способни да работят при ниски температури и на голяма надморска височина и имат висок разряден ток. Основният им недостатък е високата цена.
Както може да се види от горните примери, изборът на първични източници на захранване за транзисторни устройства с ниска мощност до голяма степен зависи от творческото въображение и изобретателността на дизайнера. Оттук и неизчерпаемите възможности за решения.
Интересен източник на електрическа енергия е "енергийната" хартия. Състои се от сух лист влакнеста хартия, импрегнирана с калиев персулфат и въглищен прах. Този лист се покрива от едната страна с проводимо фолио, а от другата, първо с лист тънка суха хартия, например филтърна хартия, съдържаща кристали от готварска сол, а след това с тънко цинково или магнезиево фолио. Такъв елемент може да служи например за еднократно захранване на електрическа самобръсначка. С размери 1x45x45 mm той доставя ток 0,5 A при напрежение 2 V за 5...7 мин. Преди употреба филтърната хартия се навлажнява, след което върху нея се нанася цинково фолио. Използвайки "енергийна" хартия, можете да направите ролкова филмова батерия.
Ефективността и другите характеристики на производителността на безжичните сензори непрекъснато се подобряват и въпросът за захранването на автономни устройства се разширява отвъд нишата и в ежедневните приложения.
Енергията – слънчева, топлинна, пиезоелектрична или електромагнитна – ни заобикаля от всички страни. Събирайки дори малка част от него, инженерните компании могат да разширят приемането на сензорни технологии, насочени към осигуряване на общото благо. Такива сензорни приложения включват различни носими медицински диагностични и мониторингови устройства, авиационни и автомобилни функционални монитори, както и технически средства за дистанционно измерване на консумирания газ, топлина и електроенергия. Възможността за извличане на енергия от различни източници ще подобри здравеопазването в райони с лоша инфраструктура, като селските райони. Глобалното развитие на тази област на електрониката се поддържа от нарастващ брой технически средства - от специализирани интегрални схеми до активни и пасивни дискретни компоненти.
Примери могат да бъдат намерени сред компонентите на модулите за разработка „Energy Harvesting Solution To Go“ от Energy Micro и Würth Elektronik. Двата основни компонента на тези комплекти са дъската за събиране на енергия и стартовият комплект Giant Gecko. И двата елемента съдържат пасивни компоненти от Würth Elektronik. Например трансформаторите WE-EHPI, специално проектирани за приложения за събиране на енергия от околната среда, са високоефективни поради ниското съпротивление на намотките и сърцевината, проектирана специално за тежки условия на работа. Ефективното потискане на електромагнитните смущения се постига с помощта на SMD феритни филтри на всеки терминал на трансформатора.
Многофункционалната платка за събиране на енергия (Фигура 1) идва с четири преобразувателя на напрежение от Linear Technology, всеки оптимизиран за различен източник на енергия. Например, LTC3588 е предназначен за източници на променлив ток до 20 V, като пиезоелектрични и индуктивни генератори. Стартовият комплект Giant Gecko (Фигура 2) включва микроконтролер (MK), който консумира само 200 µA/MHz в активен режим. Ядрото ARM Cortex M3 на този MCU работи на честоти до 48 MHz. MK има 1024 KB флаш памет, 128 KB RAM, USB интерфейс, LCD контролер и сензорен интерфейс LESENCE.
 |
|
| Фигура 2. | Стартов комплект EFM32 Giant Gecko. |
Ако разгледате различните подходи, приложени в инструментите за извличане на енергия, става ясно, че този комплект съдържа всичко необходимо, за да започнете пълноценна работа. За безжични приложения с малък обхват, като сензорни възли с външно захранване, се използват евтини чипове за извършване на сензорни функции, обработка на сигнали, събиране на данни и комуникационни функции. Всеки възел на такива системи е оборудван с безжичен интерфейс с ниска мощност.
Повечето самостоятелни сензори имат структура, подобна на тази, показана на фигура 3. Функциите на основните блокове са както следва:
- сензорът измерва и събира произволен брой параметри на околната среда, необходими за конкретно приложение;
- преобразувател преобразува някакъв вид енергия в електрическа енергия;
- модулът за управление на мощността стабилизира, пренасочва и съхранява получената енергия;
- MC обработва получените сигнали от първичните сензори и поддържа комуникация с други възли на системата по радиоканал;
- Приемникът на сигнала за събуждане приема външна заявка за събуждане на сензора от режим на заспиване.
Ключовата характеристика на такива системи обаче не е просто как различните части са свързани една с друга. Устройствата за извличане на енергия поставят много строги изисквания към всеки отделен компонент, особено по отношение на консумация на енергия и ефективност. Така че, за да се удължи експлоатационният живот на източника на енергия, МК и радиомодулът трябва да работят в режими с минимална консумация, когато е възможно. През последните години производителите на IC и RF чипове инвестираха сериозно в разработването и производството на устройства с ниска мощност, които могат да се използват в безжични сензорни възли с малък обхват, захранвани от извлечена енергия. Пример са RF модули и микроконтролери, които могат да работят при захранващо напрежение от 1,8 V, което прави възможно постигането на ултра ниска консумация на енергия в безжично устройство.
Също така е необходимо микроконтролерът да може бързо да преминава от режим на заспиване към активен режим. Това намалява консумацията на ток между предаване и получаване на информация, което означава спестяване на енергийни резерви. Ключът към по-рентабилната архитектура на радиочестотно устройство е изискването за намаляване на мощността при предаване и получаване на пакети данни. Системите за събиране на енергия също изискват стабилни протоколи за пренос на информация. Минимизирането на грешките по време на обмен на пакети данни намалява времето за работа на устройствата в ефир, което означава, че дневната необходима „част“ енергия, събрана от конвертора от околната среда, е намалена.
Също толкова важни са въпроси, свързани със структурата на безжичните сензорни мрежи. Например, повечето от тези мрежи работят в цикличен режим, който пести енергия и ограничава радиочестотното пространство, но генерира пикове в тока, консумиран от сензорите. Ниските нива на пикова консумация на радиопредаватели намаляват тежестта на проблема с разработването на захранващи устройства за автономни сензори.
Тези ограничения са още по-важни за сензори, които се захранват изцяло чрез събиране на външна енергия. Често преобразувателите на първична енергия имат изходен импеданс много по-висок от този на батериите. Това означава, че възелът за управление на микромощността трябва не само да управлява разпределението на мощността между преобразувателя и сензора, но също така да преобразува импеданса на източника.
Независимо от методите и технологиите за изграждане на системи за събиране на енергия, всички решения са подчинени на основната цел – максимизиране на ефективността с цел възможно най-често предаване на информация. Всяка технология за събиране обаче има доста тесни граници на използване. Днес преобразувателите на слънчева енергия са най-разпространени, тъй като те работят с ефективност от 25% до 50% на cm 2 (Таблица 1). Последицата от широкото разпространение на фотоволтаичните клетки ще бъде постоянното намаляване на цената им за cm 2.
| Маса 1. | Сравнителна характеристика на различни енергийни източници (според Texas Instruments) |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||
Текущо състояние на технологията за извличане на енергия от радиовълни
Системите за събиране на енергия от радиовълни все още остават основно обект на лабораторни изследвания и все още не са широко разпространени като самостоятелно решение. Радиочестотните системи за извличане на енергия са значително различни от всички останали. Функционално те са разделени на две части:
- приемник с регулируема антена, токоизправител, запаметяващ елемент (кондензатор), DC/DC преобразувател;
- предавател, който насочва енергията на радиовълните, например с помощта на технологията PowerCast, или външен източник на електромагнитно излъчване (WiFi, клетъчна комуникация или радио).
Типичната система за събиране на електромагнитна енергия се състои от четири компонента: регулируема антена, входен елемент за съхранение на енергия, верига за управление на захранването и изходна батерия.
Подобно на други системи за подобни цели, устройствата за събиране на енергия от радиовълни трябва да бъдат подобрени по много начини. От списъка със задачи, изискващи приоритетно решение (много от които вече се изпълняват), можем да подчертаем:
- проблеми с използването на източници на насочени радиовълни вместо енергията на околния електромагнитен „фон“,
- подобряване на DC/DC преобразувателите по отношение на повишаване на тяхната ефективност и намаляване на тока на покой,
- разработване на микроконтролери с по-ниска мощност и RF приемопредаватели.
Радиочестотната и микровълновата индустрия може значително да подобри такива системи чрез въвеждане на нови рентабилни трансивъри на пазара. Но дори системите с насочено предаване на радиочестотна енергия, които отговарят на изброените изисквания, остават тясно специализирани. Тези, които използват „фонови“ радиовълни, са по-ниски от фотоволтаичните или топлинните системи за събиране на енергия по отношение на консумираната мощност. Технологиите за събиране на енергия от радиовълни трябва да преодолеят друг недостатък, типичен за радиосистемите - ограничен обхват поради влиянието на сградите, взаимното разположение и други причини.
Докато технологиите за събиране на енергия от електромагнитни вълни едва започват да си проправят път, системите за извличане на енергия от други източници улавят все повече и повече нови области на използване. Например слънчевите панели само ще увеличат своята ефективност с времето и ще се използват както на закрито, така и на открито, т.е. навсякъде, където има източник на светлина. Устройствата за събиране на топлинна енергия се използват в системи за автоматизация на сгради, където температурните разлики между вътрешните и външните пространства могат да бъдат максимално увеличени, като например при прозорците. Термичните преобразуватели се използват и като източници на енергия за различни носими медицински устройства.
За да обобщим, системите за събиране на енергия имат светло бъдеще, тъй като все повече и повече продукти идват на пазара от научни лаборатории.
Изложената гледна точка се потвърждава от постоянно появяващите се нови продукти. Например интерфейсният чип AS3953, разработен от ams AG, предназначен за системи за комуникация в близко поле (NFC), ви позволява да създадете високоскоростен канал за обмен на данни между NFC устройство, като смартфон, и всеки хост контролер, който има стандартен SPI интерфейс. Чипът се захранва от събраната енергия на радиовълните, излъчвани от NFC четеца, и не изисква външен източник на захранване или външни компоненти, освен може би един кондензатор. AS3953 има конфигурируем изход за външно прекъсване, предназначен да събуди микроконтролера от състояние на заспиване, което позволява устройствата да бъдат изградени с нулева консумация на енергия в неактивен режим. Микросхемата е способна да "извлича" ток до 5 mA от енергията на околното магнитно поле. С външна схема за управление на захранването, AS3953 може да осигури събрана мощност на самостоятелно устройство.
Друг от дебютите обещава да реши дългогодишния проблем с определянето на местоположението на закрито за службите за спешна помощ. Японската компания, в сътрудничество с Ritsumeikan University и ISID, обяви технологията Guidepost Cell. Използвайки мрежа от съвместими с IEEE 802.11 безжични маяци с ниска мощност, инфраструктурата на технологията позволява на смартфони и други мобилни устройства да определят точно местоположения на закрито. Системата се захранва с енергия от евтини соларни панели, направени от органични багрила. Панелите събират енергия от изкуствена и естествена светлина на закрито, елиминирайки необходимостта от външен източник на захранване и намалявайки инсталационните и оперативните разходи. Предвижда се, че такива слънчеви клетки, способни да доставят 48 μW/cm 2 при осветеност от 1000 лукса, имат обещаващо бъдеще.
Разгледахме само два от безбройните примери. Потенциалът за развитие на тези решения има и няма да има граници, докато те са в състояние да отговорят на нарастващите ни изисквания за ефективност и производителност. С течение на времето описаните решения ще стават все по-миниатюризирани, завладявайки пазара за преносими медицински приложения. И инженерите, с подобряването на чиповете и дискретните компоненти, последователно ще преодоляват бариерите на обхвата, устойчивостта на шум и размера.