Masa kini yang dipenuhi dengan banyak hal dan perangkat inovatif yang berhubungan langsung dengan Internet, berkembang semakin aktif karena munculnya sistem komunikasi nirkabel baru yang memungkinkan perangkat elektronik melakukan pekerjaannya sendiri tanpa baterai, baterai, dan sumber listrik lainnya. Teknologi yang dikembangkan oleh para ilmuwan di University of Washington di Seattle ini dapat mengakumulasi dan mengumpulkan energi gelombang radio di sekitarnya, mengubahnya menjadi energi listrik. Perangkat elektronik membutuhkan listrik ini untuk beroperasi secara nirkabel. Sepintas hal ini tampak mustahil, namun sistem komunikasi tidak memancarkan sinyalnya sama sekali - interaksi antar perangkat terjadi berdasarkan prinsip modulasi dan refleksi gelombang radio yang datang dari luar.
Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Shyam Gollakota menghasilkan perangkat prototipe untuk membuktikan kinerja luar biasa dari teknologi tersebut. Perangkat berpengalaman berukuran kecil, seukuran kartu kredit. Setiap perangkat mampu berfungsi dan bertukar informasi menggunakan sinyal radio televisi. Sistem pemantauan perangkat dapat mendeteksi sinyal televisi, menentukan arah rambatnya dan memantulkan sinyal ke arah yang diinginkan, memodulasinya dengan informasi yang dimaksudkan untuk ditransmisikan ke perangkat lain.
"Perangkat tidak memancarkan sinyal, pertukaran data hanya terjadi melalui pantulan sinyal, pantulan berikutnya di antara pantulan sinyal dari mobil, pohon, dan ruangan. Kita hanya menyerap sedikit energi sinyal, yang setelah waktu tertentu akan padam dengan sendirinya, ” lapor Gollakota.
Perangkat sampel yang menggunakan sinyal TV dapat berkomunikasi satu sama lain dalam jarak beberapa meter. Energi yang dikonsumsi dari gelombang radio cukup untuk menyalakan LED yang menandakan penerimaan data dari perangkat lain, serta untuk mengaktifkan berfungsinya mikrokontroler kecil.
Perangkat sampel
Kemungkinan untuk menggunakan teknologi tersebut sangat luas - mulai dari key fob kecil yang mengirimkan SMS ke ponsel pemilik yang menunjukkan lokasinya, hingga berbagai sensor yang terpasang pada elemen struktural struktur dan bangunan yang melaporkan masalah dan terus memantau kondisinya.
"Karena perangkat tersebut menerima energi listrik dari luar, pemiliknya tidak perlu terus-menerus memikirkan untuk mengganti sumber listrik. Perangkat tersebut dipasang sekali dan berfungsi dalam jangka waktu lama, hingga gagal total," kata ilmuwan Joshua Smith.
Selain menciptakan perangkat elektronik yang sepenuhnya otonom dan tidak bergantung pada energi, para ilmuwan juga mempertimbangkan integrasi teknologi baru ke dalam desain ponsel pintar dan perangkat elektronik portabel lainnya. Energi yang diperoleh dari energi gelombang radio dapat digunakan untuk mengisi daya baterai secara terus menerus, sehingga meningkatkan masa pakainya berkali-kali lipat. Energi ini cukup untuk mengirim SMS jika terjadi suatu peristiwa - misalnya, baterai benar-benar habis.
Agar teknologinya sesuai dengan gagasan Internet of Things, para ilmuwan masih perlu bekerja keras. Pertama, mereka perlu memperluas jangkauan frekuensi radio yang dicakup oleh sistem. Hal ini akan memungkinkan sistem mengkonsumsi energi tidak hanya dari sinyal televisi, sinyal menara telepon seluler, jaringan nirkabel, tetapi juga dari transmisi stasiun radio. Perluasan seperti itu akan memungkinkan komunikasi berkelanjutan antar perangkat dalam kondisi apa pun dan akan meningkatkan jumlah listrik yang dapat digunakan untuk keperluan Anda sendiri.
Di dunia modern, ketika sumber daya energi semakin mahal, banyak orang mengalihkan perhatian mereka pada kemungkinan menghemat uang dengan menggunakan sumber listrik alternatif.
Masalah ini tidak hanya memenuhi pikiran para penemu dalam negeri yang mencoba menemukan solusi di rumah dengan besi solder di tangan mereka, tetapi juga para ilmuwan sejati. Pertanyaan ini sudah lama dibicarakan dan berbagai upaya dilakukan untuk mencari sumber listrik baru.
Apakah mungkin mendapatkan listrik dari udara?
Mungkin banyak yang berpikir bahwa ini adalah omong kosong belaka. Namun kenyataannya listrik bisa dihasilkan dari udara tipis. Bahkan ada skema yang dapat membantu menciptakan perangkat yang mampu memperoleh sumber daya ini dari ketiadaan.
Prinsip pengoperasian alat tersebut adalah bahwa udara merupakan pembawa listrik statis, hanya dalam jumlah yang sangat kecil, dan jika Anda membuat alat yang sesuai, maka sangat mungkin untuk mengakumulasi listrik.
Pengalaman ilmuwan terkenal
Anda dapat melihat karya-karya ilmuwan terkenal yang di masa lalu mencoba memperoleh listrik dari udara tipis. Salah satunya adalah ilmuwan terkenal Nikola Tesla. Dia adalah orang pertama yang berpikir bahwa listrik dapat diperoleh, secara kasar, dari ketiadaan.
Tentu saja, pada masa Tesla tidak mungkin merekam semua eksperimennya dalam bentuk video, sehingga saat ini para ahli harus membuat ulang perangkatnya dan hasil penelitiannya sesuai dengan catatannya dan kesaksian lama orang-orang sezamannya. Dan, berkat banyak eksperimen dan penelitian para ilmuwan modern, dimungkinkan untuk membuat perangkat yang memungkinkan menghasilkan listrik.
Tesla menetapkan bahwa terdapat potensi listrik antara alas dan pelat logam yang ditinggikan, yang mewakili listrik statis, dan ia juga menetapkan bahwa potensi tersebut dapat disimpan.
Selanjutnya, Nikola Tesla mampu merancang sebuah perangkat yang dapat mengakumulasi sejumlah kecil listrik, hanya dengan menggunakan potensi yang terkandung di udara. Ngomong-ngomong, Tesla sendiri berasumsi bahwa kehadiran listrik dalam komposisinya, udara disebabkan oleh sinar matahari, yang, ketika menembus ruang angkasa, secara harfiah membelah partikel-partikelnya.
Jika kita melihat penemuan para ilmuwan modern, kita dapat memberikan contoh perangkat Stephen Mark, yang menciptakan generator toroidal yang memungkinkan Anda menyimpan lebih banyak listrik, berbeda dengan penemuan paling sederhana semacam ini. Keunggulannya adalah penemuan ini mampu menyediakan listrik tidak hanya untuk perangkat penerangan lemah, tetapi juga untuk peralatan rumah tangga yang cukup serius. Generator ini mampu beroperasi tanpa mengisi ulang dalam waktu yang cukup lama.
Sirkuit sederhana
Ada rangkaian yang cukup sederhana yang akan membantu menciptakan perangkat yang mampu menerima dan menyimpan energi listrik yang terkandung di udara. Hal ini difasilitasi oleh kehadiran banyak jaringan dan saluran listrik di dunia modern yang berkontribusi terhadap ionisasi wilayah udara.
Anda dapat membuat perangkat yang menerima listrik dari udara dengan tangan Anda sendiri, hanya dengan menggunakan rangkaian yang cukup sederhana. Ada juga berbagai video yang dapat memberikan instruksi yang diperlukan pengguna.
Sayangnya, membuat perangkat canggih dengan tangan Anda sendiri sangatlah sulit. Perangkat yang lebih kompleks memerlukan penggunaan sirkuit yang lebih serius, yang terkadang secara signifikan mempersulit pembuatan perangkat tersebut.
Anda dapat mencoba membuat perangkat yang lebih kompleks. Ada diagram yang lebih kompleks di Internet, serta instruksi video.
Video: generator energi gratis buatan sendiri
Radiasi elektromagnetik kini ada di mana pun Anda pergi. Radio, televisi, komunikasi seluler dan satelit, peralatan rumah tangga. Sekarang kita secara harfiah “mandi” di lautan radiasi elektromagnetik yang kita hasilkan sendiri, yang disebut juga dengan “kabut elektronik”. Kita menggunakannya secara tidak efektif dan menyia-nyiakannya. Kita mengeluarkan banyak uang untuk sumber daya energi, namun kita belum benar-benar belajar cara menggunakannya. Bahkan kertas, plastik, dan logam dapat didaur ulang dan digunakan, namun energi radiasi elektromagnetik tidak. Hanya sedikit orang yang tahu bahwa energi ini dapat digunakan kembali. Bagaimana?
Energi di sekitar kita
Baru-baru ini terdapat sejumlah publikasi tentang topik memperoleh energi dari ruang hampa. Topiknya tentu menarik dan bagi banyak orang masih belum familiar dan sulit dipahami. Hal ini dibuktikan dengan banyaknya kritik dalam komentar-komentar pada publikasi tersebut. Kita semua terbiasa dengan kenyataan bahwa listrik dalam sebagian besar kasus disalurkan kepada kita melalui kabel dari pembangkit listrik. Panel surya dan generator angin juga tidak eksotis bagi siapa pun. Bahkan ada yang menggunakannya, meskipun penerapannya secara massal masih jauh; persentase penggunaan energi “gratis” masih relatif rendah.
Ada banyak pembicaraan di dunia ilmiah tentang apa yang disebut “Materi Gelap” dan, oleh karena itu, “energi gelap” yang ditemukan di dalamnya. Sejauh ini, penggunaan energi tersebut masih merupakan “materi gelap”. Kita hanya tahu bahwa ada banyak energi ini di sekitar kita. Namun hanya sedikit orang yang mengetahui (atau lebih tepatnya tidak memperhatikan) fakta bahwa di sekitar kita terdapat banyak energi lain yang telah lama kita kenal - gelombang elektromagnetik.
Penerima detektor
Saat masih bersekolah, saya menghadiri klub elektronik radio, tempat saya dan teman-teman merakit sirkuit elektronik pertama kami. Diantaranya adalah receiver yang dapat bekerja tanpa baterai(!). "Bagaimana ini mungkin?" Ya, ini sangat sederhana - agar penerima seperti itu dapat beroperasi, energi gelombang radio yang dipancarkan oleh stasiun pemancar cukup (terutama jika letaknya berdekatan). Anda dapat menemukan banyak rangkaian penerima detektor serupa.
Radio memang menarik, namun saya ingin mencoba menggunakan energi gelombang radio dengan cara yang berbeda, misalnya untuk menggerakkan motor listrik mainan. Dia berputar, tetapi energinya tidak cukup. Tapi itu masih berhasil!
Pengoperasian sumber arus searah, yang dijelaskan di bawah, didasarkan pada penggunaan apa yang disebut energi yang tersedia secara bebas, yaitu energi gelombang radio dari stasiun radio lokal yang kuat. Sumber tersebut memungkinkan Anda memberi daya pada penerima transistor (1...3 transistor). Eksperimen semacam itu dilakukan. Jauh dari kota, sebuah antena kawat sepanjang sekitar 30 m digantung pada ketinggian 4 m, daya DC sebesar 0,9 mW dialokasikan pada beban 9 kOhm. Pada saat yang sama, pemancar dengan daya 1 kW dan frekuensi operasi 1,6 MHz terletak pada jarak sekitar 2,5 km. Tegangan sekitar 5 V dicatat pada terminal kapasitor filter (saat idle), Hasil seperti itu hanya diperoleh dengan bantuan antena besar yang diarahkan ke pemancar.
Dalam praktiknya, skema lain yang lebih efektif juga digunakan. Ada tiga metode yang diketahui untuk memberi daya pada penerima dari tegangan RF yang diperbaiki dari sebuah stasiun radio. Yang pertama adalah stasiun radio diterima menggunakan dua antena. Sinyal radio yang diterima oleh antena kedua diubah menjadi arus searah, yang digunakan untuk memberi daya pada penerima. Metode lain menggunakan satu antena dan sebagian energi yang ditangkapnya ditransfer ke rangkaian konverter. Metode terakhir menggunakan dua antena: antena pertama untuk menerima siaran radio yang sedang didengarkan, dan antena kedua menerima sinyal dari stasiun radio lain, yang diubah menjadi tegangan suplai.
Diagram paling sederhana dari titik radio nirkabel ditunjukkan pada Gambar. a-c. Ia dapat menerima stasiun radio lokal, misalnya “Warsawa II” yang sama dan pada saat yang sama menggunakan energinya untuk mengubahnya menjadi listrik. d.s. arus searah. Untuk menerima gelombang radio dengan frekuensi di atas 50 MHz, yaitu sinyal dari pemancar VHF (misalnya televisi), konverter tegangan RF harus memiliki antena khusus - vibrator loop (dipol). Antena ini secara bersamaan dapat beroperasi pada rentang gelombang tengah sebagai penerima dan sumber listrik. Jika energi satu vibrator tidak mencukupi, maka digunakan beberapa antena jenis ini (Gbr. e), dihubungkan secara seri (untuk menaikkan tegangan) atau secara paralel (untuk menambah arus).
Menggunakan antena yang ditunjukkan pada Gambar. d, menangkap energi gelombang radio dari pemancar 50 kW yang beroperasi pada rentang 50...250 MHz, diperoleh daya DC sekitar 3 mW. Antena terletak 1,5 km dari pemancar. Pada Gambar. Ini menunjukkan rangkaian penerima dengan dua antena, salah satunya (VHF) digunakan sebagai sumber listrik. Penerima gelombang menengah dapat beroperasi dengan antena apa pun, sedangkan sumber listrik harus menerima energi RF dari antena dipol. Pada posisi 1 sakelar B1, perangkat bertindak sebagai perangkat pemberi sinyal yang digerakkan oleh sinyal HF termodulasi, pada posisi 2 sebagai penerima.
Contoh menarik penggunaan energi gelombang radio untuk menyalakan perangkat radio adalah rangkaian yang ditunjukkan pada Gambar. Dan. Ini adalah suar radio (darat, sungai atau laut), yang diaktifkan oleh sinyal dari pemancar yang dipasang di mobil, kapal, pesawat layang atau pesawat terbang. Sinyal interogasi memicu pemancar di pelampung, yang sinyal responsnya berfungsi untuk menentukan lokasinya. Alat persinyalan jenis ini memudahkan untuk menemukan orang yang hilang di laut, gunung, hutan lebat, dll. Alat tersebut merupakan bagian dari perlengkapan wisatawan dan pendaki. Penggunaan energi gelombang radio yang terampil, tampaknya, akan memungkinkan pengurangan secara signifikan ukuran alat bantu dengar, penerima, perangkat kendali jarak jauh, mainan, dll. Namun, harus dikatakan bahwa, seperti yang telah ditunjukkan oleh eksperimen, hasil yang dapat diterima diperoleh. ketika memberi daya pada penerima dari tegangan RF yang diperbaiki, gelombang radio hanya dapat dicapai dengan menggunakan antena yang disetel dengan cermat dan grounding yang baik. Kerugian lainnya adalah jumlah tegangan yang diperbaiki bergantung pada kedalaman modulasi frekuensi pembawa selama penerimaan.
Jika ada radiasi elektromagnetik, maka ia mempunyai energi dan energi tersebut dapat dimanfaatkan. Tidak ada apa pun di sini yang bertentangan dengan hukum fisika, tidak seperti apa yang disebut “generator energi vakum”. Dalam hal ini kita berbicara tentang radiasi energi nyata.
Ide ini sendiri bukanlah hal baru; ide ini sudah setua penyiaran radio itu sendiri. Catatan tentang topik ini juga dapat ditemukan di majalah-majalah dalam negeri yang diterbitkan pada awal mula radio amatir kita. Jelas bahwa Anda tidak akan mendapatkan banyak “energi bebas” dari sumber seperti itu, dan secara umum hal ini hanya masuk akal bagi mereka yang tinggal pada jarak yang relatif dekat dari pemancar.
Misalnya, diagram amatir radio Amerika Michael Lee:
Untuk menerima “energi bebas” penulis menggunakan antena (WA1) dan sistem grounding stasiun radio amatir. Antena tersebut berbentuk balok dengan panjang 43 meter. Ini beberapa kali lebih kecil dari panjang gelombang stasiun radio gelombang menengah, sehingga impedansi masukan antena tersebut memiliki komponen kapasitif yang nyata. Kapasitor variabel C1 dihubungkan secara paralel dan kapasitor konstan C2 dihubungkan secara seri dengannya, yang memungkinkan Anda untuk menyesuaikan nilai yang dikurangi dari komponen kapasitif pada titik sambungan keluaran atas (sesuai diagram) dari kumparan L1 ( dengan kata lain mengubah frekuensi resonansi rangkaian seri yang dibentuk oleh kumparan ini dan kapasitansi antena) .
Ketika rangkaian beresonansi, tegangan RF yang signifikan dapat timbul pada kumparan L1 dari stasiun radio pembawa tempat rangkaian osilasi disetel. Dalam percobaan penulis, dengan induktansi kumparan L1 sebesar 39 μH, resonansi pada frekuensi 1370 kHz (stasiun radio lokal paling kuat yang mengerjakannya) terjadi dengan kapasitansi total kapasitor C1 dan C2. sama dengan 950 pF (interval penyetelan dibatasi pada frekuensi 1100 dan 1600 kHz).
Karena tegangan RF dalam hal ini harus dihilangkan dari rangkaian resistansi tinggi, dioda penyearah VD1 dihubungkan ke keran koil. Tempatnya dipilih saat mengatur perangkat sesuai dengan daya keluaran maksimum. Seperti yang dicatat oleh penulis, lokasi keran tidak terlalu penting: hasil yang kira-kira sama diperoleh ketika keran ditempatkan pada kisaran 1/4 hingga 1/6 dari jumlah lilitan kumparan, dihitung dari yang lebih rendah (menurut ke sirkuit) terminal.
Untuk menghindari pengisian daya baterai yang berlebihan atau kegagalan dioda penyearah saat baterai dilepas (karena kemungkinan kerusakan akibat tegangan balik), unit perlindungan pada transistor VT1 dan VT2 dimasukkan ke dalam perangkat. Ketika tegangan beban kurang dari 12 V, tidak ada arus yang mengalir melalui dioda zener VD3, sehingga transistor tertutup. Ketika tegangan meningkat di atas nilai ini, mereka terbuka dan resistor R4 melewati keluaran penyearah.
Menurut pengukuran penulis, perangkat yang disetel ke frekuensi stasiun radio yang ditunjukkan di atas memberikan arus pengisian baterai hingga 200 mA. (Sayangnya, informasi tentang daya pemancar tidak ada di catatan; hanya disebutkan jaraknya sekitar 1,6 km). Menurut perkiraan, konsentrator “menghasilkan” sekitar 1.700 Ah selama setahun untuk mengisi daya baterai... Selain itu, tidak seperti, misalnya, panel surya, panel ini dapat digunakan hampir sepanjang waktu (lebih tepatnya, selama keseluruhan waktu pengoperasian stasiun radio).
Untuk menyetel rangkaian, penulis menggunakan kapasitor variabel dengan celah besar antara pelat rotor dan stator, tetapi jika tegangan yang dikembangkan dalam sistem pada resonansi tidak terlalu tinggi, Anda juga dapat menggunakan kapasitor dengan dielektrik udara dari siaran. penerima.
Induktor L1 dililitkan pada rangka dengan diameter 50 mm dan berisi 60 lilitan kawat dengan diameter 1,6 mm, panjang belitan 250 mm (pitch kira-kira 4 mm). Inti magnet induktor 12 berupa cincin T-106-2 (27×14,5×11,1 mm) terbuat dari besi karbonil, belitannya terdiri dari 88 lilitan kawat dengan diameter 0,4 mm. Dioda VD1 dan VD2 dirancang untuk arus maju hingga 1 A dan tegangan balik 40 V. Dioda Zener VD3 - dengan tegangan stabilisasi 12 V.
Tentu saja, ketika mengulangi perangkat, parameter elemen rangkaian osilasi (induktansi kumparan L1 dan kapasitansi kapasitor C1 dan C2) harus disesuaikan dengan antena yang ada dan frekuensi stasiun radio lokal.
J. Voitsekhovsky, Sumber listrik eksperimental (Bab 6 dari buku "Mainan radio-elektronik")Bab 6 dari buku karya J. Woitsekhovsky “Mainan radio-elektronik”, terjemahan dari bahasa Polandia, Moskow, 1979.
6. Sumber listrik percobaan
Selain sumber arus kimia klasik: sel dan baterai galvanik kering, serta semua jenis konverter (mesin, vibrator, transistor) - dalam percobaan kami, kami menggunakan perangkat yang mengubah panas, cahaya, gelombang radio, dan suara menjadi arus listrik. Namun perlu dicatat bahwa meskipun rangkaiannya sederhana, konverter energi tersebut biasanya sulit diatur, terutama karena dayanya yang rendah dan efisiensinya yang rendah. Di sinilah tepatnya bidang aktivitas yang luas terbuka bagi para peneliti yang gigih.
6.1. Energi cahaya
Kekuatan sinar matahari yang datang secara vertikal di atmosfer bagian luar kira-kira 1350 W/m2. Di garis lintang pertengahan, daya permukaan bumi adalah 300 W/m2 di musim panas dan 80 W/m2 di musim dingin. Perkiraan nilai intensitas berbagai sumber cahaya (dalam mikrowatt per meter persegi) masing-masing adalah: sinar matahari 10 6 ke atas, lampu neon 1...10, cahaya bulan - 10 -1 ...1, penerangan listrik yang baik - 10 - 2, cahaya lemah (hampir tidak terlihat) 10 -10.
Upaya para perancang bergerak melalui penggunaan fotosel untuk secara langsung mengubah energi matahari menjadi energi listrik. Fotokonverter, juga disebut panel surya, terdiri dari sejumlah fotosel yang dihubungkan secara seri atau paralel. Jika konverter harus mengisi daya baterai yang memberi daya, misalnya, perangkat radio selama cuaca mendung, maka konverter tersebut dihubungkan secara paralel ke terminal baterai surya (Gbr. 6.1, b).
Elemen yang digunakan dalam baterai surya harus memiliki efisiensi tinggi, karakteristik spektral yang baik, resistansi internal yang cukup rendah, biaya rendah, desain sederhana, dan bobot rendah. Sayangnya, hanya sedikit fotosel yang dikenal saat ini yang memenuhi setidaknya sebagian persyaratan ini. Ini terutama beberapa jenis fotosel semikonduktor. Yang paling sederhana - selenium - memiliki karakteristik spektral maksimum pada panjang gelombang 560 nm, yang hampir sama dengan radiasi maksimum dalam spektrum matahari. Sayangnya, efisiensi Fotosel selenium terbaik berukuran kecil (0,1...1%), dan resistansi internalnya mencapai (1...50)x10 3 Ohm, yang tidak memungkinkannya dihubungkan ke sirkuit dengan resistansi masukan rendah dan meniadakan nilai praktisnya. . Namun elemen-elemen ini mudah digunakan oleh amatir radio, karena murah dan mudah diakses (dipasang di banyak pengukur eksposur foto).
Dasar dari baterai surya adalah fotokonverter silikon, yang berbentuk pelat bulat atau persegi panjang dengan ketebalan 0,7...1 mm dan luas hingga 5...8 cm 2. Pengalaman menunjukkan bahwa elemen kecil dengan luas sekitar 1 cm 2 memberikan hasil yang baik. Sebuah fotosel dengan permukaan kerja 1 cm 2 menghasilkan arus 24 mA pada tegangan 0,5 V (di bawah beban 0,3 V), dan memiliki efisiensi. sekitar 10%
Beberapa contoh penggunaan praktis sel surya ditunjukkan pada Gambar. 6.1. Mereka digunakan bersama dengan sumber arus kimia untuk memberi daya pada perangkat satelit Bumi buatan dan modelnya (lihat Gambar 16.22).
Sel surya silikon masih sangat mahal. Namun, diharapkan kedepannya dapat diterapkan secara luas dalam rumah tangga. Telah dihitung bahwa untuk menerangi suatu ruangan dengan menggunakan lampu berkekuatan 3 A x 110 V cukup menggunakan baterai solar berdimensi 2 x 2 x 0,05 m yang mengisi baterai alkaline.
Fotosel juga telah dibuat dari bahan semikonduktor, misalnya dari kadmium sulfida CdS dengan efisiensi teoritis. 18% dan ggl. 2...2.5 V di bawah sinar matahari langsung. Omong-omong, efisiensi praktis konverter fotolistrik (sekitar 10%) melebihi, khususnya, efisiensinya. lokomotif uap (8%), faktor efisiensi energi surya di dunia pembangkit (1%), serta efisiensi. banyak perangkat hidrolik dan angin. Konverter fotovoltaik memiliki daya tahan yang hampir tidak terbatas.
Mari kita sajikan sebagai perbandingan nilai efisiensi. berbagai sumber energi listrik (dalam persen): gabungan panas dan pembangkit listrik - 20...30, konverter termoelektrik semikonduktor - 6...8, fotosel selenium - 0,1...1, baterai surya - 6...11, sel bahan bakar - 70, baterai timbal 80...90, baterai alkaline - 50...60, baterai perak-seng 88...95.
Beras. 6.1. Panel surya
a - koneksi serial (atau paralel) 1 dan campuran 2 sel fotovoltaik; b - sirkuit untuk mengisi baterai mini; c - desain sumber daya yang dipasang pada badan penerima; sudut penerangan baterai (dalam kasus kami, terdiri dari empat elemen) dapat disesuaikan; d - desain sumber listrik; d - model feri; e - baterai elemen yang terbuat dari transistor.
Fotosel dapat dihubungkan secara seri, paralel, atau campuran (Gbr. 6.1, a). Mereka juga dapat bekerja di bawah penerangan buatan dengan lampu listrik dengan daya 200...300 W. Dalam hal ini, Anda harus memperhatikan fakta bahwa suhu fotosel tidak melebihi +70° C. Suhu minimum yang diizinkan adalah -30° C.
1. Baterai surya selenium. Anda dapat menggunakan fotosel selenium jenis apa pun dari pengukur eksposur foto atau buatan sendiri (lihat Gambar 2.10). Sumber listrik jenis ini memberikan energi ke penerima dengan 1...3 transistor. Ini harus terdiri dari 10 fotokonverter yang dihubungkan secara seri. Baterai menghasilkan arus 1 mA dan tegangan 4,5 V bila disinari sinar matahari atau lampu listrik berdaya tinggi. Untuk memberi daya pada penerima transistor tunggal, baterai cukup berisi 4...6 elemen dan, ketika disinari oleh sinar matahari yang jatuh tegak lurus pada permukaannya, menghasilkan arus 1 mA pada tegangan 2...3 V. baterai yang sama dipasang di jendela pada siang hari, tetapi tidak disinari matahari, memberikan arus hanya 1 mA pada tegangan 1,5 V.
Dapat diasumsikan bahwa satu fotokonverter selenium dengan luas 3 cm 2 dapat menghasilkan (dalam penerangan penuh) arus sebesar 1 mA pada tegangan 0,5 V. Jika diperlukan untuk menyalakan motor listrik atau mengisi daya miniatur baterai, konverter dihubungkan secara paralel. Pada Gambar. 6.1d menunjukkan model kapal feri dengan motor listrik yang mengkonsumsi arus 5 mA, dan diagram catu dayanya dari baterai selenium surya. Modelnya terbuat dari balsa [ Pohon balsa tumbuh di Utara. Andes, kayunya enam kali lebih ringan dari kayu willow, bahkan terkadang lebih ringan dari kulit kayu ek gabus.] berbentuk kapal katamaran untuk menghindari kerugian gesekan pada poros baling-baling. Dengan solusi ini cukup menggunakan wire ring sebagai bantalan poros baling-baling.
Telah ditetapkan secara eksperimental bahwa dengan sambungan campuran fotokonverter selenium (delapan grup terhubung seri, setiap grup memiliki enam elemen terhubung paralel), arus sekitar 20 mA dapat diperoleh pada tegangan 4 V. Direkomendasikan untuk sambungkan fotokonverter menggunakan klem pegas (terbuat dari perunggu fosfor, lihat Gambar 13, 7, a, b), karena penyolderan dapat merusak elemen.
2. Sel surya silikon. Ini dibuat dengan cara yang hampir sama seperti baterai selenium, jadi kami hanya akan menunjukkan cara memasang baterai pada badan perangkat yang diberi daya (Gbr. 6.1, b). Empat fotosel dihubungkan secara seri dan, di bawah sinar matahari penuh, menghasilkan arus sekitar 50 mA pada tegangan 1,5 V. Baterai yang sama dapat mensuplai arus 90...100 mA pada tegangan 0,5...0,7 V ke kipas angin listrik kecil.
3. Baterai surya buatan sendiri. Hampir semua dioda semikonduktor dan transistor dalam wadah kaca dapat berfungsi sebagai konverter fotolistrik. Untuk melakukan ini, cukup dengan menghilangkan cangkang buramnya. Sel surya dapat dibuat dari transistor yang rusak, asalkan tidak terdapat hubungan pendek antara basis dan kolektor atau basis dan emitor. Semakin besar daya transistor, semakin baik fotosel yang dihasilkannya. Untuk transistor dalam wadah logam, lepaskan wadahnya dengan hati-hati atau potong bagian atasnya (lihat Gambar 2.10, c-d). Sebelum merakit baterai, sebaiknya periksa setiap elemennya. Untuk melakukan ini, miliammeter dengan batas pengukuran hingga 1 mA dihubungkan antara terminal basis dan kolektor: "plus" perangkat terhubung ke kolektor (atau emitor), dan "minus" ke basis. Saat menerangi elemen dengan sinar matahari atau cahaya buatan, mikroammeter harus menunjukkan arus 0,2...0,3 mA. Tegangan yang diukur pada terminal elemen akan menjadi sekitar 0,15 V.
Untuk baterai surya, elemen dengan karakteristik tegangan arus serupa dipilih. Baterai terdiri dari dua baris fotokonverter yang dihubungkan secara paralel, setiap baris berisi 10...12 elemen yang dihubungkan secara seri (Gbr. 6.1, e). Panel depan fotodetektor ditunjukkan pada Gambar. 6.1, d, elemen dilindungi oleh kaca tipis atau kaca plexiglass. Hampir tidak diperlukan saklar daya, karena baterai akan mati sendiri bila disembunyikan di dalam saku atau laci meja.
Sebuah baterai surya yang dirangkai dengan transistor tipe TG50 menghasilkan arus sebesar 0,5 mA pada tegangan 1,5 V. Dengan menggunakan transistor TG70, P201...203, dapat diperoleh arus sebesar 3 mA pada tegangan 1,5 V.
Volume penerima yang ditenagai oleh baterai surya tidak hanya bergantung pada intensitas penerangan, tetapi juga pada ukuran antena dan kualitas grounding. Di apartemen, pembumian dapat berupa pipa air atau radiator pemanas sentral, dan di area terbuka - batang logam pembumian sepanjang 0,5...0,7 m, dihubungkan dengan kabel terdampar ke soket pembumian penerima. Penerima bertenaga surya sangat berguna di pantai, di mana terdapat sinar matahari cerah dan pasir basah (landasan yang baik).
6.2. Energi termal
Konverter termoelektrik menggunakan efek munculnya arus di bawah pengaruh perbedaan suhu pada sirkuit yang terdiri dari berbagai logam atau semikonduktor. Arus ini terjadi pada rangkaian baterai termokopel, dimana energi panas diubah menjadi energi listrik. Jika kita ambil misalnya dua buah penghantar listrik yang terbuat dari logam berbeda dan ujungnya disolder, maka ketika salah satu ujungnya dipanaskan dan ujung lainnya didinginkan, arus listrik akan mengalir pada rangkaian penghantar termokopel tersebut (disebut juga a). termokopel). Emf yang tercipta dengan cara ini. akan bergantung pada perbedaan suhu, serta pemilihan bahan penyusun termoelemen. Konduktivitas termal yang tinggi dari elemen termo logam tidak memungkinkan tercapainya perbedaan suhu yang signifikan sehingga efisiensinya tinggi. sumber. Saat ini, termoelemen semikonduktor atau elemen yang terdiri dari konduktor dan semikonduktor digunakan.
Konverter (atau generator) termoelektrik sebelum munculnya penerima transistor banyak digunakan di banyak negara untuk memberi daya pada radio baterai tabung (dipanaskan menggunakan minyak tanah atau lampu gas). Selama perang, “ceret partisan” Soviet dikenal, yang digunakan untuk memasak dan pada saat yang sama menghasilkan listrik untuk menyalakan walkie-talkie.
Baterai termoelektrik semikonduktor digunakan di unit pendingin dan bahkan di lemari es rumah. Prinsip pengoperasian baterai tersebut didasarkan pada reversibilitas sifat termoelemen. Semua sambungan pendingin baterai termoelektrik ditempatkan di dalam lemari es, dan sambungan pemanas ditempatkan di luar. Kedua sistem sambungan dilengkapi dengan heat sink logam. Radiator internal menyerap panas dari ruang lemari es, dan radiator eksternal (terletak di bagian belakang lemari es) memancarkannya ketika sistem tersebut dihubungkan ke baterai DC. Keuntungan dari perangkat tersebut adalah tidak adanya bagian yang bergerak dan daya tahan.
Efisiensi baterai termoelektrik adalah 5...6%, namun diharapkan kedepannya mencapai 8...10%. Mulai saat ini, tidak diragukan lagi akan terjadi revolusi dalam teknologi energi skala kecil.
Saat bekerja dengan termoelemen, perbedaan suhu antara lapisan permukaan tanah dan udara juga digunakan. Biasanya suhunya 2...6°C (dalam beberapa kasus 8...10°C). Dengan cara ini diperoleh daya sebesar 70...160 W per meter persegi permukaan, yang rata-rata 1000 kW/ha.
1. Baterai termoelektrik. Mari kita pertimbangkan desain sumber listrik termoelektrik, yang memiliki nilai pendidikan, karena memungkinkan Anda untuk mengalami masalah termoelektrik. Sumbernya dapat digunakan untuk memberi daya pada radio transistor sederhana, model, kipas kecil, dll.
Pertama, beberapa catatan umum. Suhu maksimum termokopel dapat dipanaskan ditentukan oleh titik leleh salah satu elemen. Jadi, pasangan tembaga - konstantan dapat dipanaskan hingga 350 ° C, baja - konstantan - hingga 315...649 ° C (tergantung diameter kawat). Melindungi kabel yang terbuka memungkinkan Anda meningkatkan suhu pemanasan. Sepasang kromel - alumel dapat dipanaskan hingga 700...1151 °C. Paling sering, kawat dengan diameter 0,25...3,5 mm digunakan, dan kawat tebal dapat menahan suhu yang lebih tinggi. Untuk meningkatkan efisiensi termokopel, perbedaan suhu antara sambungan (ujung) elemen termokopel harus dimaksimalkan, yaitu pasangan logam harus dipilih sedemikian rupa untuk memperoleh gaya gerak termoelektromotif maksimum; kita harus berusaha untuk memastikan bahwa rasio konduktivitas termal rata-rata bahan terhadap konduktivitas listrik rata-rata adalah minimal.
Di meja Tabel 6.1 menunjukkan sejumlah logam yang dapat digunakan untuk membuat termoelemen. Untuk memperoleh hasil terbaik, sebaiknya pilih bahan yang jaraknya sejauh mungkin satu sama lain dalam kolom. Misalnya, pasangan baja (atas) - konstantan (bawah) memberikan hasil yang baik, tetapi tembaga dan perak adalah pasangan yang aktifnya rendah. Pasangan antimon-bismut adalah yang terbaik, tetapi praktis tidak dapat diakses oleh seorang amatir: pasangan ini memberikan tegangan termoelektrik yang tinggi - sekitar 112 μV / ° C. Selain itu, setiap bahan tercantum dalam tabel. 6.1, mempunyai potensi negatif (-) dibandingkan dengan potensi lainnya yang lebih tinggi pada kolom ini. Misalnya, pada pasangan baja-konstantan (53 μV/° C), baja tersebut akan mempunyai potensial positif (+). dan konstanta bernilai negatif (-). Pada termokopel chromel-alumel, chromel akan menjadi (+) dan alumel (-).
Desain praktis baterai termoelektrik ditunjukkan pada Gambar. 6.2. Untuk membuat baterai termoelemen, diperlukan dua potong kawat (baja dan konstantan) dengan diameter 0,3 mm dan panjang masing-masing 18 m. Setelah membuat 19 termoelemen (Gbr. 6.2, b), ujung setiap elemen dibersihkan secara hati-hati dengan amplas dan dipelintir dengan tang kira-kira tiga putaran. Ujung yang terpelintir kemudian dilas dengan obor asetilena atau disolder dengan perak di atas obor gas. Anda juga dapat menggunakan pengelasan titik (Gbr. 6.2, h). Termokopel dipasang pada papan yang terbuat dari ethernite (semen asbes), tebal 5 mm atau lebih, yang ditopang dengan braket di atas alas yang terbuat dari kayu lapis atau kayu setebal 20 mm. Metode pembuatan sambungan dan dimensi diberikan pada Gambar. 6.2, dj. Saat diuji, masing-masing termokopel harus menghasilkan arus: sekitar 22 mA bila dipanaskan dengan korek api, sekitar 30 mA setelah dipanaskan dengan pembakar alkohol.
Baterai termoelektrik yang sudah jadi dipanaskan di bagian tengah di atas kompor gas, alkohol atau bensin. Lapisan tembaga menyimpan panas dan menghasilkan listrik, seperti motor mikro listrik, selama beberapa menit setelah pembakar dimatikan, yang merupakan momen paling spektakuler selama demonstrasi. Dalam kondisi seperti ini, alat pengukur yang dihubungkan ke terminal sumber listrik ini menunjukkan tegangan sekitar 0,5 V. Saat pemanas menyala normal, baterai menghasilkan daya sebesar 1,5 V x 0,3 A yang cukup, misalnya, untuk mengoperasikan motor mikro dengan kipas angin. Anda dapat membuat model pembangkit listrik masa depan, menghubungkan radio transistor ke baterai, dll. Pada Gambar. 6.2 dan menunjukkan model baterai termoelektrik yang disederhanakan yang dijelaskan di atas. Ini mengubah energi internal nyala lilin menjadi listrik dan mencakup 50 termoelemen, panjang 50 mm, dipasang pada cincin asbes yang mengelilingi lapisan tembaga dengan lubang 6 mm di tengahnya (perapian). Baterai menghasilkan tegangan 0,6 V dan arus 8 mA (arus hubung singkat), dan penerima transistor tunggal dapat beroperasi dari baterai tersebut. Dan satu lagi catatan kecil. Saat menghubungkan sejumlah termokopel identik secara seri (misalnya, baja - konstantan - baja - konstantan - baja, dll.), nilai ggl termo. pada terminal keluaran akan meningkat, namun resistansi internal baterai meningkat dengan jumlah yang sama.
Beras. 6.2. Baterai termoelektrik:
a - piringan asbes-semen; b - elemen termo; c - sambungan kerja terpasang ke disk dengan kawat tembaga; d - instalasi awal; e - lapisan tembaga dimasukkan ke dalam lubang disk, serta metode untuk memasang sambungan "panas" (harus berada di atas lapisan, tetapi tidak menyentuhnya); g - tampilan umum baterai; h - mesin las untuk sambungan (elektroda karbon dapat diambil dari baterai galvanik bekas); dan - pilihan desain.
6.3. Energi medan elektromagnetik
Pengoperasian sumber arus searah, yang dijelaskan di bawah, didasarkan pada penggunaan energi yang tersedia secara bebas, yaitu. energi dari gelombang radio dari stasiun radio lokal yang kuat. Sumber tersebut memungkinkan Anda memberi daya pada penerima transistor (1...3 transistor). Eksperimen semacam itu dilakukan. Jauh dari kota, sebuah antena kawat sepanjang sekitar 30 m digantung pada ketinggian 4 m, daya DC sebesar 0,9 mW dialokasikan pada beban 9 kOhm. Pada saat yang sama, sebuah pemancar dengan daya 1 kW dan frekuensi operasi 1,6 MHz terletak pada jarak sekitar 2,5 km. Tegangan sekitar 5 V dicatat pada terminal kapasitor filter (saat idle), Hasil seperti itu hanya diperoleh dengan bantuan antena besar yang diarahkan ke pemancar.
Dalam praktiknya, skema lain yang lebih efektif juga digunakan. Ada tiga metode yang diketahui untuk memberi daya pada penerima dari tegangan RF yang diperbaiki dari sebuah stasiun radio. Yang pertama adalah stasiun radio diterima menggunakan dua antena. Sinyal radio yang diterima oleh antena kedua diubah menjadi arus searah, yang digunakan untuk memberi daya pada penerima. Metode lain menggunakan satu antena dan sebagian energi yang ditangkapnya ditransfer ke rangkaian konverter. Metode terakhir menggunakan dua antena: antena pertama untuk menerima siaran radio yang sedang didengarkan, dan antena kedua menerima sinyal dari stasiun radio lain, yang diubah menjadi tegangan suplai.
Bagaimanapun, daya RF minimum yang diperlukan untuk mengoperasikan receiver adalah 50 µW. Ini hanya cukup untuk penerima (atau pemancar) transistor tunggal. Jika receiver kita membutuhkan arus, misalnya 1 mA pada tegangan 3 V, maka daya RF yang dibutuhkan meningkat menjadi 3 mW dan nilai ini harus diambil sebagai rata-rata. Fakta bahwa pada jarak 20...30 km dari stasiun radio "Warsawa I" (818 kHz) secara praktis masih mungkin untuk memperoleh daya arus yang diperbaiki sekitar 8 mW menunjukkan janji eksperimen semacam itu.
Diagram paling sederhana dari titik radio nirkabel ditunjukkan pada Gambar. 6.3,a-c. Ia dapat menerima stasiun radio lokal, misalnya "Warsawa I" yang sama dan pada saat yang sama menggunakan energinya untuk mengubahnya menjadi ggl. arus searah. Untuk menerima gelombang radio dengan frekuensi di atas 50 MHz, yaitu sinyal dari pemancar VHF (misalnya televisi), konverter tegangan RF harus memiliki antena khusus - vibrator loop (dipol). Antena ini secara bersamaan dapat beroperasi pada rentang gelombang tengah sebagai penerima dan sumber listrik. Jika energi satu vibrator tidak mencukupi, maka digunakan beberapa antena jenis ini (Gbr. 6.3, d), dihubungkan secara seri (untuk menaikkan tegangan) atau secara paralel (untuk menambah arus).
Menggunakan antena yang ditunjukkan pada Gambar. 6.3, d, menangkap energi gelombang radio sebesar 50 kW dari pemancar yang beroperasi pada rentang 50..250 MHz, diperoleh daya DC sekitar 3 mW. Antena terletak 1,5 km dari pemancar.
Pada Gambar. Gambar 6.3e menunjukkan rangkaian penerima dengan dua antena, salah satunya (VHF) digunakan pada sumber listrik. Penerima gelombang menengah dapat beroperasi dengan antena apa pun, sedangkan sumber listrik harus menerima energi RF dari antena dipol. Pada posisi 1 sakelar B1, perangkat bertindak sebagai perangkat pemberi sinyal yang digerakkan oleh sinyal HF termodulasi, pada posisi 2 sebagai penerima.
Contoh menarik penggunaan energi gelombang radio untuk menyalakan perangkat radio adalah rangkaian yang ditunjukkan pada Gambar. 6.3, hal. Ini adalah suar radio (darat, sungai atau laut), yang diaktifkan oleh sinyal dari pemancar yang dipasang di mobil, kapal, pesawat layang atau pesawat terbang. Sinyal interogasi memicu pemancar di pelampung, yang sinyal responsnya berfungsi untuk menentukan lokasinya. 1 perangkat jenis ini memudahkan pencarian orang yang hilang di laut, gunung, hutan lebat, dll. Mereka adalah bagian dari perlengkapan wisatawan dan pendaki. Penggunaan energi gelombang radio secara terampil tampaknya akan mengurangi ukuran alat bantu dengar, penerima, perangkat kendali jarak jauh, mainan, dll secara signifikan.
Namun, harus dikatakan bahwa, seperti yang ditunjukkan oleh eksperimen, hasil yang dapat diterima ketika memberi daya pada penerima dari tegangan RF yang disearahkan dari gelombang radio yang diterima hanya dapat dicapai dengan menggunakan antena yang disetel dengan cermat dan grounding yang baik. Kerugian lainnya adalah jumlah tegangan yang diperbaiki bergantung pada kedalaman modulasi frekuensi pembawa selama penerimaan.
Penerima bekerja lebih baik, rangkaiannya ditunjukkan pada Gambar. 6.3, d, di mana tegangan HF yang diperbaiki dari stasiun radio yang diterima digunakan untuk mengisi ulang baterai miniatur kadmium-nikel pada saat penerima tidak bekerja. Pada jarak 20 km dari stasiun radio Warsawa I dan dengan panjang antena penerima eksternal 40 m, arus pengisian baterai 2,5 V adalah 5 mA. Pengisian daya seperti itu secara praktis mengisi kembali konsumsi energi listrik selama satu jam pengoperasian receiver.
Beras. 6.3. Memberi daya pada perangkat radio dengan energi medan elektromagnetik:
a...c - penerima untuk menerima transmisi dari stasiun radio kuat dalam jangkauan CB; d - penerima dengan penyearah yang mengisi daya baterai (saklar B ditunjukkan pada posisi "Pengisian"); d - satu set antena VHF yang memberi daya pada penyearah; c - penerima sinyal; g - suar pelampung otomatis.
6.4 Energi getaran bunyi
Untuk memberi daya, misalnya, pada pemancar mini, Anda dapat menggunakan perangkat (Gbr. 6.4, a) yang mengubah listrik menjadi sinyal suara. Transduser adalah mikrofon dinamis. Tegangan yang diinduksi pada kumparan bergerak mikrofon disuplai ke penyearah dengan filter penghalusan berupa kapasitor. Jangkauan pemancar (Gbr. 6.4, b), yang ditenagai oleh konverter semacam itu, tentu saja tidak melebihi beberapa ratus meter. Daya catu daya sekitar 0,25 W. Terkadang berguna untuk menyertakan filter dengan konstanta waktu yang lama pada keluaran penyearah untuk menghaluskan riak frekuensi terendah.
Jika Anda meletakkan mikrofon di dekat sumber suara dengan intensitas konstan (misalnya mesin yang sedang berjalan), Anda bisa mendapatkan sumber daya yang cukup stabil. Namun, pengalaman menunjukkan bahwa sumber suara normal (misalnya kebisingan kota) biasanya terlalu lemah untuk tujuan kita.
Perkiraan nilai intensitas berbagai sumber suara (µW/m2) adalah sebagai berikut: pesawat jet 10 6, batas nyeri 10 4, kereta api dari 1 hingga 10, kebisingan jalanan 10 -2, percakapan normal dari 10 -4 hingga 10 - 3, bisikan 10 -7, batas pendengaran 10 -10.
Beras. 6.4. Menggunakan mikrofon atau kepala dinamis loudspeaker (a, b) dan generator yang digerakkan secara manual (dari senter listrik) (c) sebagai sumber listrik (dalam kasus kami untuk pemancar).
6.5 Catu daya manual
Transistor diketahui mengkonsumsi daya yang jauh lebih sedikit dari sumber listrik dibandingkan tabung vakum paling ekonomis sekalipun. Oleh karena itu, untuk memberi daya pada perangkat transistor, sangat mungkin untuk menggunakan konverter yang digerakkan oleh sedikit usaha otot manusia.
Generator otot (tangan) yang dulu banyak digunakan untuk senter memiliki daya 0,25...0,5 W. Ini dapat berfungsi sebagai sumber daya utama untuk pemancar mini (Gbr. 6.4, b), yang beroperasi pada satu transistor. Pemancar tersebut digunakan untuk kendali jarak jauh (jarak pendek) model, peralatan radio rumah tangga, dan juga sebagai "kunci" untuk membuka pintu garasi dari jarak beberapa meter, tanpa meninggalkan mobil (lihat Gambar 7.25, c).
Telepon radio (Gbr. 6.4, c, 1), yang ditenagai oleh generator tangan, memiliki jangkauan 1...2 km (di area terbuka); dapat beroperasi pada frekuensi di kisaran 4...50 MHz. Rangkaian catu dayanya sama seperti pada Gambar. 6.4, c.
6.6. Sumber tenaga kimia buatan sendiri
Sel galvanik paling sederhana (sejenis sel Volta) terdiri dari pelat baja dan tembaga yang dipisahkan oleh lapisan kertas isap (15x40 mm) yang direndam dalam air keran biasa atau hanya air liur (Gbr. 6.5.a). Jika elemennya tidak berfungsi, kertas harus direndam dalam larutan garam meja (setengah sendok teh per gelas air). Sumber listrik “air” yang memberi daya pada perangkat apa pun (penerima radio, bel, dll.) mengejutkan para pengamat yang belum tahu.
Penggunaan pelat tembaga, seng atau timah mempunyai pengaruh yang besar. Elemen tersebut terdiri dari jepitan kayu atau plastik, koin tembaga, perak atau nikel, dan selembar kertas koran basah (Gbr. 6.5, b).
Gaya gerak listrik (ggl) sel akan menjadi sekitar 0,1 V dan dapat dihubungkan untuk membentuk baterai. Cukup dengan memasukkan dua konduktor - besi dan tembaga (Gbr. 6.5, c) ke dalam lemon, apel atau acar mentimun (atau bahkan lebih baik ke dalam bir) untuk mendapatkan sumber arus dengan ggl. 0,1 V. Dengan menghubungkan beberapa elemen ini, kita akan memiliki baterai yang cocok untuk memberi daya pada penerima radio sederhana.
Beras. 6.5. Sumber eksperimental saat ini:
a - unsur elektrokimia paling sederhana; b - sama, tetapi dengan koin; c - elemen galvanik "buah"; d - elemen galvanik bumi dan penerima dual-band yang ditenagai olehnya (L1 - 150 putaran kabel PEV 0,25, L2 - 90 putaran kabel yang sama, L3 - 900 putaran kabel PEV 0,45; inti ferit 10x160 mm).
Energi untuk menyalakan radio tidak hanya dapat diambil dari antena, tetapi juga dari tanah. Ini adalah metode yang bagus untuk menyalakan radio saat bertamasya, berkemah, berkemah, dll. Jika elemen kita ditempatkan di ruang bawah tanah atau jauh di dalam tanah (di bawah lapisan beku - rata-rata pada kedalaman 1 m), maka elemen tersebut dapat digunakan terus menerus sepanjang tahun.
Desain sel galvanik "bumi" ditunjukkan pada Gambar. 6.5, g Kualitas kerjanya tergantung pada jenis tanah, kadar airnya, serta ukuran dan bahan elektroda. Tanah yang lembab dan berminyak adalah yang paling cocok. Semakin besar permukaan elektroda, semakin rendah resistansi internal sumber arus. Jenis bahan elektroda memiliki pengaruh yang kecil terhadap besarnya gaya gerak listrik sumber, yang biasanya bervariasi antara 0,8...1,1 V. Pasangan galvanik berikut memberikan hasil terbaik: seng - batu bara, aluminium - tembaga, seng - tembaga . Jika Anda menghubungkan beban apa pun ke elemen, tegangannya akan berkurang secara bertahap hingga stabil setelah 15...30 menit. Jika Anda memiliki pelat seng standar (berukuran 170x210 mm) dan elektroda karbon dari baterai telepon besar (Anda juga dapat menggunakan batang karbon dari sel 1,5 volt), maka jarak antara elektroda sumber arus bisa 0,3...0,5 m Timbal dari elektroda positif (batubara, tembaga) dibuat dengan kawat tembaga telanjang atau terisolasi. Untuk terminal negatif (seng, aluminium), digunakan kawat berinsulasi tembaga atau aluminium. Sambungan ke elektroda dilakukan dengan menyolder atau mengelas. Efisiensi tertinggi elemen tanah seperti itu dicapai pada arus beban 1...2 mA.
Pada Gambar. Gambar 6.5d menunjukkan diagram penerima detektor yang ditenagai oleh elemen tanah, yang terdiri dari dua batang bundar - baja (2,5 x 400 mm) dan tembaga (4 x 400 mm), dipisahkan dengan jarak 50 mm. Elemen tersebut dioperasikan dalam mode 0,5 V/0,25 mA di tanah kering dan 0,75 V/0,9 mA di tanah basah.
Untuk pengoperasian yang memuaskan dari penerima sederhana yang ditenagai oleh elemen tanah, perlu membuat antena eksternal dengan panjang minimal 4 m dan menggantungnya pada ketinggian minimal 5 m dari tanah (semakin tinggi semakin baik). Jika setelah beberapa bulan beroperasi tegangan sel di bawah beban berkurang, luas elektroda harus ditingkatkan.
6.7. Bahan bakar dan sel biologis
Dalam sel bahan bakar, dimaksudkan untuk eksperimen amatir (Gbr. 6.6, a), campuran digunakan: panas kaustik (NaOH), hidrogen peroksida (H 2 O 2), metil alkohol dan pelat katalis (perak dan platinum). E.m.f. elemen sekitar 1,5 V, efisiensi 60...80%. Waktu pengoperasian motor listrik yang mengkonsumsi arus 0,15 A mencapai 15 menit bila elemen diisi satu kali.
Baterai biologis(Gbr. 6.6, b) terdiri dari 12 elemen, yaitu bejana plastik dengan diameter 50 dan tinggi 100 mm, di dalamnya dituangkan bubuk dari serpihan beras, dan dipasang elektroda (anoda dan katoda). Bakteri (aman bagi yang lain), berkembang biak di lingkungan ini dengan adanya air, menghasilkan (dengan 12 wadah) arus sekitar 40 mA pada tegangan 6 V. Pasokan media nutrisi cukup untuk enam bulan pengoperasian terus menerus. elemen.
Sel biologis dengan media nutrisi yang terdiri dari pisang dan garam anorganik memberi daya pada perangkat elektronik dengan daya hingga 3,7 W (0,76 V x 4,92 A) sepanjang hari. Pisang bisa diganti dengan anggur, melon, dll.
Beras. 6.6. Sumber energi eksperimental:
a - sel bahan bakar; b - baterai biologis, c - elemen pengisi.
6.8. Barang sekali pakai
Elemen-elemen ini disebut cadangan dan digunakan terutama sebagai sumber daya darurat, serta dalam radiosonde dan peralatan geofisika. Mereka juga dapat digunakan untuk memberi daya pada model terbang bertenaga listrik dan model terapung kecil. Mereka mulai bertindak setelah diisi dengan air laut atau larutan garam meja 10...20%.
Secara struktural, elemen paling sering dibuat dalam kantong plastik (Gbr. 6.6, c). Elemen-elemennya andal, ringan, mampu beroperasi pada suhu rendah dan ketinggian, serta memiliki arus pelepasan yang tinggi. Kelemahan utama mereka adalah biayanya yang tinggi.
Seperti dapat dilihat dari contoh di atas, pilihan catu daya utama untuk perangkat transistor berdaya rendah sangat bergantung pada imajinasi kreatif dan kecerdikan perancang. Oleh karena itu kemungkinan solusi yang tidak ada habisnya.
Sumber energi listrik yang menarik adalah kertas “energi”. Ini terdiri dari selembar kertas berserat kering yang diresapi dengan kalium persulfat dan debu batubara. Lembaran ini di satu sisi ditutup dengan foil konduktif, dan di sisi lain, pertama dengan selembar kertas tipis kering, misalnya kertas saring yang mengandung kristal garam meja, dan kemudian dengan foil seng atau magnesium tipis. Elemen seperti itu dapat berfungsi, misalnya, untuk catu daya satu kali pada pisau cukur listrik. Dengan dimensi 1x45x45 mm, mampu mengalirkan arus 0,5 A pada tegangan 2 V dalam waktu 5...7 menit, sebelum digunakan, kertas saring dibasahi kemudian diberi zinc foil. Dengan menggunakan kertas "energi", Anda dapat membuat baterai film yang dapat digulung.
Efisiensi dan karakteristik kinerja lainnya dari sensor nirkabel terus meningkat, dan masalah pemberian daya pada perangkat otonom semakin meluas melampaui ceruk pasar dan ke dalam aplikasi sehari-hari.
Energi - matahari, panas, piezoelektrik, atau elektromagnetik - mengelilingi kita dari semua sisi. Dengan mengumpulkan sebagian kecil saja, perusahaan teknik dapat memperluas penerapan teknologi sensor yang bertujuan untuk menjamin kebaikan bersama. Aplikasi sensor tersebut mencakup berbagai perangkat diagnostik dan pemantauan medis yang dapat dipakai, monitor fungsional penerbangan dan otomotif, serta sarana teknis untuk pengukuran jarak jauh dari gas, panas, dan listrik yang dikonsumsi. Kemampuan untuk mengekstraksi energi dari berbagai sumber akan meningkatkan layanan kesehatan di daerah dengan infrastruktur yang buruk, seperti daerah pedesaan. Perkembangan global bidang elektronik ini didukung oleh semakin banyaknya sarana teknis - mulai dari sirkuit terpadu khusus hingga komponen diskrit aktif dan pasif.
Contohnya dapat ditemukan di antara komponen modul pengembangan "Energy Harvesting Solution To Go" dari Energy Micro dan Würth Elektronik. Dua komponen dasar dari kit ini adalah Energy Harvesting Board dan Giant Gecko Starter Kit. Kedua elemen tersebut mengandung komponen pasif dari Würth Elektronik. Misalnya, transformator WE-EHPI, yang dirancang khusus untuk aplikasi pemanenan energi lingkungan, sangat efisien karena resistansi belitan yang rendah dan inti yang dirancang khusus untuk kondisi pengoperasian yang keras. Penekanan interferensi elektromagnetik yang efektif dicapai dengan menggunakan filter ferit SMD di setiap terminal transformator.
Multi-Purpose Energy Harvesting Board (Gambar 1) dilengkapi dengan empat konverter tegangan dari Linear Technology, masing-masing dioptimalkan untuk sumber energi yang berbeda. Misalnya, LTC3588 dirancang untuk sumber daya AC hingga 20 V, seperti generator piezoelektrik dan induktif. Giant Gecko Starter Kit (Gambar 2) dilengkapi mikrokontroler (MK) yang hanya mengkonsumsi 200 µA/MHz dalam mode aktif. Inti ARM Cortex M3 MCU ini beroperasi pada frekuensi hingga 48 MHz. MK memiliki memori Flash 1024 KB, RAM 128 KB, antarmuka USB, pengontrol LCD, dan antarmuka sentuh LESENCE.
 |
|
| Gambar 2. | Kit Pemula Tokek Raksasa EFM32. |
Jika Anda melihat berbagai pendekatan yang diterapkan pada alat ekstraksi energi, menjadi jelas bahwa kit ini berisi semua yang Anda perlukan untuk memulai pekerjaan penuh. Untuk aplikasi nirkabel jarak pendek, seperti node sensor bertenaga eksternal, chip berbiaya rendah digunakan untuk melakukan fungsi penginderaan, pemrosesan sinyal, akuisisi data, dan komunikasi. Setiap node dari sistem tersebut dilengkapi dengan antarmuka nirkabel berdaya rendah.
Kebanyakan sensor yang berdiri sendiri memiliki struktur yang mirip dengan yang ditunjukkan pada Gambar 3. Fungsi blok utama adalah sebagai berikut:
- sensor mengukur dan mengumpulkan sejumlah parameter lingkungan yang diperlukan dalam aplikasi tertentu;
- konverter mengubah beberapa jenis energi menjadi energi listrik;
- modul manajemen daya menstabilkan, mengalihkan dan menyimpan energi yang diterima;
- MC memproses sinyal yang diterima dari sensor utama dan memelihara komunikasi dengan node lain dalam sistem melalui saluran radio;
- Penerima sinyal bangun menerima permintaan eksternal untuk membangunkan sensor dari mode tidur.
Namun, fitur utama dari sistem tersebut bukan sekedar bagaimana berbagai bagian terhubung satu sama lain. Perangkat ekstraksi energi memberikan tuntutan yang sangat ketat pada masing-masing komponen, terutama dalam hal konsumsi daya dan efisiensi. Jadi, untuk memperpanjang umur sumber energi, MK dan modul radio harus beroperasi dalam mode dengan konsumsi minimal bila memungkinkan. Dalam beberapa tahun terakhir, produsen chip IC dan RF telah banyak berinvestasi dalam pengembangan dan produksi perangkat berdaya rendah yang dapat digunakan pada node sensor nirkabel jarak pendek yang ditenagai oleh energi yang diekstraksi. Contohnya adalah modul RF dan mikrokontroler yang dapat beroperasi pada tegangan suplai 1,8 V, sehingga memungkinkan tercapainya konsumsi daya yang sangat rendah pada perangkat nirkabel.
Mikrokontroler juga harus dapat dengan cepat beralih dari mode tidur ke mode aktif. Hal ini mengurangi konsumsi arus antara transmisi dan penerimaan informasi, yang berarti menghemat cadangan energi. Kunci arsitektur perangkat RF yang lebih hemat biaya adalah persyaratan untuk mengurangi daya saat mengirim dan menerima paket data. Sistem pemanenan energi juga memerlukan protokol transfer informasi yang kuat. Meminimalkan kesalahan selama pertukaran data paket mengurangi waktu pengoperasian perangkat di udara, yang berarti “porsi” energi harian yang dibutuhkan yang dikumpulkan oleh konverter dari lingkungan berkurang.
Yang tidak kalah penting adalah permasalahan yang berkaitan dengan struktur jaringan sensor nirkabel. Misalnya, sebagian besar jaringan ini beroperasi dalam mode siklik, yang menghemat energi dan membatasi ruang frekuensi radio, namun menghasilkan lonjakan arus yang dikonsumsi oleh sensor. Rendahnya tingkat konsumsi puncak transceiver radio mengurangi keparahan masalah pengembangan pasokan daya untuk sensor otonom.
Keterbatasan ini bahkan lebih penting lagi untuk sensor yang ditenagai sepenuhnya dengan mengumpulkan energi eksternal. Seringkali konverter energi primer mempunyai impedansi keluaran yang jauh lebih tinggi daripada baterai. Artinya, node manajemen daya mikro tidak hanya harus mengatur distribusi daya antara konverter dan sensor, namun juga mengubah impedansi sumber.
Terlepas dari metode dan teknologi untuk membangun sistem pengumpulan energi, semua solusi tunduk pada tujuan utama - untuk memaksimalkan efisiensi guna mengirimkan informasi sesering mungkin. Namun, setiap teknologi pengumpulan memiliki batasan penggunaan yang cukup sempit. Saat ini, konverter energi surya adalah yang paling umum, karena beroperasi dengan efisiensi 25% hingga 50% per cm 2 (Tabel 1). Konsekuensi dari meluasnya penggunaan sel fotovoltaik adalah penurunan harga per cm 2 secara konstan.
| Tabel 1. | Karakteristik komparatif yang berbeda-beda sumber energi (menurut Texas Instruments) |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||
Keadaan teknologi ekstraksi energi gelombang radio saat ini
Sistem pemanenan energi gelombang radio masih menjadi subjek penelitian laboratorium dan belum tersebar luas sebagai solusi independen. Sistem ekstraksi energi RF sangat berbeda dari sistem lainnya. Secara fungsional, mereka dibagi menjadi dua bagian:
- penerima yang mempunyai antena yang dapat disetel, penyearah, elemen penyimpan (kapasitor), konverter DC/DC;
- pemancar yang mengarahkan energi gelombang radio, misalnya menggunakan teknologi PowerCast, atau sumber radiasi elektromagnetik eksternal (WiFi, komunikasi seluler, atau radio).
Sistem pemanenan energi elektromagnetik pada umumnya terdiri dari empat komponen: antena yang dapat disetel, elemen penyimpan energi masukan, sirkuit manajemen daya, dan baterai keluaran.
Seperti sistem lain untuk tujuan serupa, perangkat pemanen energi gelombang radio perlu ditingkatkan dalam banyak hal. Dari daftar tugas yang memerlukan solusi prioritas (banyak di antaranya sudah dilaksanakan), kami dapat menyoroti:
- masalah penggunaan sumber gelombang radio terarah alih-alih energi “latar belakang” elektromagnetik di sekitarnya,
- peningkatan konverter DC/DC dalam hal meningkatkan efisiensi dan mengurangi arus diam,
- pengembangan mikrokontroler berdaya rendah dan transceiver RF.
Industri RF dan gelombang mikro dapat secara signifikan meningkatkan sistem tersebut dengan memperkenalkan transceiver baru yang hemat biaya ke pasar. Namun bahkan sistem dengan transmisi energi RF terarah yang memenuhi persyaratan yang tercantum tetap sangat terspesialisasi. Sistem yang menggunakan gelombang radio “latar belakang” lebih rendah dibandingkan sistem pengumpulan energi fotovoltaik atau panas dalam hal daya yang diambil. Teknologi pemanenan energi gelombang radio harus mengatasi kelemahan lain yang umum terjadi pada sistem radio - jangkauan terbatas karena pengaruh bangunan, posisi relatif, dan alasan lainnya.
Meskipun teknologi untuk mengumpulkan energi dari gelombang elektromagnetik baru saja mulai dikembangkan, sistem untuk mengekstraksi energi dari sumber lain kini semakin banyak memanfaatkan bidang penggunaan baru. Misalnya, panel surya hanya akan meningkatkan efisiensinya seiring berjalannya waktu dan akan digunakan baik di dalam maupun di luar ruangan, yaitu. dimanapun ada sumber cahaya. Perangkat pemanen energi panas digunakan dalam sistem otomasi bangunan di mana perbedaan suhu antara ruang dalam dan luar ruangan dapat dimaksimalkan, seperti di jendela. Konverter termal juga digunakan sebagai sumber daya untuk berbagai perangkat medis yang dapat dikenakan.
Ringkasnya, sistem pemanenan energi memiliki masa depan cerah karena semakin banyak produk yang dipasarkan dari laboratorium ilmiah.
Sudut pandang yang dikemukakan ditegaskan dengan terus bermunculannya produk-produk baru. Misalnya, chip antarmuka AS3953 yang dikembangkan oleh ams AG, dirancang untuk sistem komunikasi jarak dekat (NFC), memungkinkan Anda membuat saluran pertukaran data berkecepatan tinggi antara perangkat NFC, seperti ponsel cerdas, dan pengontrol host apa pun yang memiliki antarmuka SPI standar. Chip ini ditenagai oleh energi yang dikumpulkan dari gelombang radio yang dipancarkan oleh pembaca NFC dan tidak memerlukan sumber daya eksternal atau komponen eksternal, kecuali mungkin satu kapasitor. AS3953 memiliki keluaran interupsi eksternal yang dapat dikonfigurasi dan dirancang untuk membangunkan mikrokontroler dari kondisi tidur, sehingga perangkat dapat dibangun dengan konsumsi daya nol dalam mode siaga. Sirkuit mikro mampu “mengekstraksi” arus hingga 5 mA dari energi medan magnet di sekitarnya. Dengan sirkuit manajemen daya eksternal, AS3953 dapat menyediakan daya yang dikumpulkan ke perangkat yang berdiri sendiri.
Debut lainnya menjanjikan untuk memecahkan masalah lama dalam penentuan lokasi dalam ruangan untuk layanan darurat. Perusahaan asal Jepang tersebut bekerja sama dengan Universitas Ritsumeikan dan ISID mengumumkan teknologi Guidepost Cell. Dengan menggunakan jaringan suar nirkabel berdaya rendah yang memenuhi standar IEEE 802.11, infrastruktur teknologi ini memungkinkan ponsel cerdas dan perangkat seluler lainnya menentukan lokasi dalam ruangan secara akurat. Sistem ini didukung oleh energi dari panel sel surya murah yang terbuat dari pewarna organik. Panel ini memanen energi dari cahaya buatan dan alami di dalam ruangan, sehingga menghilangkan kebutuhan akan sumber daya eksternal dan mengurangi biaya pemasangan dan pengoperasian. Sel surya seperti itu, yang mampu menghasilkan 48 μW/cm 2 di bawah penerangan 1000 lux, diperkirakan memiliki masa depan yang menjanjikan.
Kita hanya melihat dua contoh yang tak terhitung jumlahnya. Potensi pengembangan solusi-solusi ini tidak ada batasnya selama solusi-solusi tersebut mampu memenuhi tuntutan efisiensi dan produktivitas yang semakin meningkat. Seiring waktu, solusi yang dijelaskan akan menjadi semakin kecil, sehingga menaklukkan pasar untuk aplikasi medis portabel. Dan para insinyur, seiring dengan peningkatan chip dan komponen terpisah, akan secara konsisten mengatasi hambatan jangkauan, kekebalan kebisingan, dan ukuran.