что такое аккумулирование энергии
Современные устройства накопления энергии, самые распространенные типы накопителей энергии
Основными критериями устройств накопления энергии, необходимыми для конкретного применения являются:
При выборе устройств накопления энергии следует учитывать следующие характеристики:
Электрические устройства хранения энергиии являются неотъемлемой частью телекоммуникационных устройств (сотовые телефоны, дистанционная связь, рации и т. д.), резервных систем питания и гибридных электромобилей в виде компонентов хранения (батарей, суперконденсаторов и топливных элементов).
Устройства для хранения энергии, электрические или тепловые, признаны основными технологиями экологически чистой энергии.
Долговременное хранение энергии имеет большой потенциал для мира, в котором энергия ветра и солнца преобладает над добавлением новых электростанций и постепенно вытесняет другие источники электроэнергии.
Ветер и солнце производят только в определенное время, поэтому им нужна дополнительная технология, которая поможет заполнить пробелы.
В мире, где доля периодического, сезонного и непредсказуемого производства электроэнергии растет и увеличивается риск десинхронизации с потреблением, хранение делает систему более гибкой, поглощая любые разности фаз между производством и потреблением энергии.
Накопители служат главным образом в качестве буфера и позволяют упростить управление и интеграцию возобновляемых источников энергии как в сети, так и в зданиях, предлагая определенную автономию при отсутствии ветра и солнца.
В системах с генераторами они могут сэкономить топливо и помочь избежать неэффективной работы генератора, обслуживая нагрузку в периоды низкой потребности в электроэнергии, когда генератор наименее эффективен.
За счет буферизации колебаний выходной мощности возобновляемых источников накопление энергии также может снизить частоту запусков генератора.
В ветро и дизельных системах с высокой проникающей способностью (где установленная ветровая мощность превышает среднюю нагрузку) даже очень небольшой объем накопителя резко снижает частоту запусков дизельного топлива.
Самые распространенные виды промышленных устройств хранения электроэнергии:
Электрохимические устройства накопления энергии
Батареи, в особенности свинцово-кислотные, остаются преобладающим устройством хранения энергии.
Многие конкурирующие типы батарей (никель-кадмиевые, никель-металлогидридные, литий-ионные, натриево-серные, металл-воздушные, проточные батареи) превосходят свинцово-кислотные батареи по одному или нескольким аспектам производительности, таким как срок службы, эффективность, плотность энергии, скорость заряда и разряда, характеристики в холодную погоду или необходимый объем технического обслуживания.
Однако в большинстве случаев их низкая стоимость киловатт-часа емкости делает свинцово-кислотные батареи оптимальным выбором.
Альтернативы, такие как маховики, ультраконденсаторы или водородные накопители могут стать коммерчески успешными в будущем, но в настоящее время встречаются редко.
Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы в настоящее время представляют собой современный источник питания для всех современных бытовых электронных устройств. Объемная плотность энергии призматических литий-ионных батарей для портативной электроники увеличилась в два-три раза за последние 15 лет.
По мере появления нескольких новых приложений для литий-ионных аккумуляторов, таких как электромобили и системы накопления энергии, требования к конструкции и характеристикам элементов постоянно меняются и представляют собой уникальные проблемы для традиционных производителей аккумуляторов.
Таким образом, становится неизбежным высокий спрос на безопасную и надежную работу литий-ионных аккумуляторов с высокой энергией и высокой удельной мощностью.
Применение электрохимических устройств накопления энергии в энергетике:
Благодаря более высокой удельной мощности, низкой стоимости обслуживания, широкому диапазону температур и более продолжительному циклу эксплуатации по сравнению с вторичными батареями, суперконденсаторы привлекли значительное внимание исследователей за последнее десятилетие.
Они также обладают более высокой плотностью энергии по сравнению с обычными электрическими диэлектрическими конденсаторами. Накопительная емкость суперконденсатора зависит от электростатического разделения между ионами электролита и электродами с большой площадью поверхности.
Однако более низкая удельная энергия суперконденсаторов по сравнению с литий-ионными батареями является препятствием для их широкого применения.
Улучшение характеристик суперконденсаторов необходимо для удовлетворения потребностей будущих систем, от портативной электроники до электромобилей и крупного промышленного оборудования.
Хранение энергии сжатым воздухом
Криогенные накопители энергии
В Великобритании планируется построить хранилище энергии сжиженного воздуха мощностью 250 МВтч. Оно будет объединен с парком возобновляемых источников энергии и компенсирует их перебои.
Ввод в эксплуатацию запланирован на 2022 год. Криогенные накопители энергии будут работать совместно с парком Trafford Energy возле Манчестера, где часть производства электроэнергии обеспечивается фотоэлектрическими панелями и ветряными турбинами.
Это хранилище позволит компенсировать перебои в использовании этих возобновляемых источников энергии.
Принцип работы этой установки будет основан на двух циклах изменения состояния воздуха.
Электрическая энергия будет использоваться для забора воздуха и последующего охлаждения его до очень низких температур (-196 градусов), пока он не станет жидким. Затем онбудет затем храниться в больших изотермических резервуарах при низком давлении, специально приспособленных для этого использования.
Второй цикл состоится, когда возникнет потребность в электрической энергии. Криогеную жидкость нагревают с помощью теплообменника, чтобы продолжить испарение и вернуть его в газообразное состояние.
Испарение криогенной жидкости вызывает расширение объема газа, который вращает турбины, вырабатывающие электрическую энергию.
Кинетические устройства накопления энергии
Системы накопления энергии с маховиком используют входную электрическую энергию, которая сохраняется в виде кинетической энергии.
Хотя физика механических систем часто довольно проста (например, вращение маховика или подъем тяжестей в гору), технологии, которые позволяют эффективно и действенно использовать эти силы, особенно продвинуты.
Высокотехнологичные материалы, новейшие компьютерные системы управления и инновационный дизайн делают эти системы пригодными для использования в реальных приложениях.
Коммерческие системы ИБП с кинетическими накопителями состоят из трех подсистем:
Маховик может быть интегрирован с резервным генератором, что повышает надежность за счет прямого соединения механических систем.
Подробнее про эти устройства:
Высокотемпературный сверхпроводящий магнитный накопитель энергии (SMES) для электросетей:
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Села батарейка: что происходит на рынке сохранения энергии
В традиционной энергетике (ТЭС, АЭС, ГЭС) самой важной составляющей систем была турбина, которая преобразовывала энергию источника в механическую для ее дальнейшего применения. Однако при развитии возобновляемых ветряной и солнечной энергетики на первый план выходят накопители энергии, которые позволят эффективно сохранять полученную энергию. Автомобили будущего тоже не смогут обходиться без эффективных батарей.
Типы энергетических систем
Для захвата энергии, ее сохранения и дальнейшего использования доступны разнообразные технологии. Самыми распространенными считаются системы аккумулирования электрической и тепловой энергии. Такие системы бывают нескольких типов:
Наибольший темп роста хранения энергии за последнее десятилетие пришелся на электрические системы, такие как батареи и конденсаторы. Конденсаторы — это устройства, которые хранят электрическую энергию в виде заряда, накопленного на металлических пластинах. Когда конденсатор подключен к источнику питания, он накапливает энергию, а при отключении от источника высвобождает ее. Батарея же для хранения энергии использует электрохимические процессы. Конденсаторы могут высвобождать накопленную энергию с гораздо большей скоростью, чем батареи, поскольку для химических процессов требуется больше времени.
В системах хранения механической энергии используются базовые идеи физики, которые преобразуют электрическую энергию в кинетическую для хранения и затем преобразуют ее обратно в электрическую для потребления. Такие системы представляют собой большие гидроаккумулирующие плотины, механические маховики и накопители сжатого воздуха.
Накопление тепловой энергии позволяет хранить ее и использовать позже, чтобы сбалансировать потребность в энергии между дневным и ночным временем или при смене сезонов. Чаще всего это резервуары с горячей или холодной водой, либо расплавленными солями, ледяные хранилища и криогенная техника.
Используются обычно при хранении водорода. В них электрическая энергия применяется для выделения водорода из воды посредством электролиза. Затем газ сжимается и хранится для будущего использования в генераторах, работающих на водороде, или в топливных элементах. Этот метод является достаточно энергозатратным. Для конечного использования сохраняется всего 25% энергии.
В разных сферах промышленности и технологий используются различные типы аккумуляторов с отличающимся химических составом. Литий-кобальтовые батареи, более легкие и с высоким напряжением для быстрой зарядки, применяются в смартфонах и прочей бытовой технике. Более выносливые и габаритные литий-титанатные батареи устанавливают в общественном транспорте, в частности, в электробусах. На электростанциях используют малоемкие, но пожаробезопасные литий-фосфатные ячейки.
30-летняя технология
Самыми популярными аккумуляторами энергии по-прежнему остаются литий-ионные. В 2021 году исполнилось 30 лет с момента выхода в продажу первых таких аккумуляторов Sony.
Первые прототипы литий-ионных батарей появились еще в 1980-е годы. Тогда физик Джон Гуденаф предложил использовать в батарейках кобальтат лития. В 2019 году он получил за свою идею нобелевскую премию.
В 2000-х годах с ростом производства электромобилей спрос на батареи резко вырос. Тогда в аккумуляторах начали применять железофосфат, который обеспечивает меньшую емкость, но может работать на более высоких токах и не выделяет кислород при высокой температуре. Все это делает аккумуляторы более безопасными, но не решает всех их проблем.
В чем минусы литий-ионных аккумуляторов
При перегреве батарея может взорваться. Для этого достаточно повреждения ее оболочки. Так произошло со смартфонами серии Samsung Galaxy Note 7, в которых из-за тесноты корпуса оболочка аккумулятора со временем перетиралась, внутрь попадал кислород, и устройство загоралось. Именно это побудило авиакомпании требовать перевозить литий-ионные батареи только в ручной клади.
Охлаждение и перегрев сильно влияют на параметры аккумулятора. Идеальной считается температура среды +20 °C. При любых отклонениях батарея отдает устройству меньший заряд.
В литий-ионных батареях невозможно хранить энергию годами. Литий-ионные ячейки в неактивном состоянии теряют по 3-5% заряда в месяц, то есть, треть заряда в год.
Литий-ионные батареи в неактивном состоянии подвержены старению. Их рекомендуют хранить заряженными до половины емкости.
Эксперименты в отрасли
Химические источники тока основаны на окислительно-восстановительной реакции между элементами. Литий идеально подходит для этой роли: он обеспечивает оптимальное сочетание напряжения, нагрузки тока и энергетической плотности.
Самыми востребованными являются литий-кобальтовые батареи для потребительской мобильной техники. Они имеют напряжение 3,6 В при сохранении высокой энергоемкости, чего достаточно для зарядки смартфонов. Другие виды литиевых батарей имеют меньшее напряжение, и запитать от них современный смартфон невозможно. Если же пытаться объединить батареи в ячейки, чтобы сделать их более мощными, то вырастут габариты.
Производители уже неоднократно пытались представить разработки-альтернативы литий-ионным батареям в смартфонах.
Так, в 2007 году американский стартап Leyden Energy решил использовать новый электролит и кремниевый катод для литий-ионных батареек. Это позволило увеличить устойчивость аккумуляторов к высоким температурам до 300 °C. Но компании так и не удалось создать аккумулятор со стабильными характеристиками — показатели энергоемкости и устойчивости менялись от экземпляра к экземпляру.
Стартап SolidEnergy, в который инвестировала GM, разрабатывает перезаряжаемые литий-металлические батареи. Они обладают удвоенной энергоемкостью по сравнению с литий-кобальтовыми. Но главной проблемой литий-металлических аккумуляторов остается безопасность. Поскольку в их состав входит чистый металлический литий, он действует активнее, чем ионы лития, а это повышает риск возгорания. Компания разработала специальный электролит, снижающий эту опасность. Но в смартфонах и бытовой электронике таких батарей мы пока не увидим.
Toyota работала над серно-магниевыми батареями. Но оказалось, что их невозможно использовать более 50 циклов, так как емкость этих аккумуляторов после этого падает вдвое. Тогда в состав батареи внедрили литий-ионную добавку и довели срок ее службы до 110 циклов. Работы над аккумулятором продолжаются, и пока неясно, получится ли внедрить его в производство.
Компании, которые стремятся предложить аналог литий-ионных батарей, сталкиваются с трудностями.
Главная проблема при создании новых технологий хранения энергии заключается в том, что при улучшении какого-то одного параметра ухудшаются остальные.
Проблемы рынка
В 2021 году цена кобальта выросла на 40% из-за роста спроса со стороны производителей электромобилей. Основные месторождения кобальта находятся в Демократической Республике Конго. Однако в стране постоянно возникают перебои в цепочках поставок, а также зафиксированы случаи использования детского труда, что оттолкнуло многие компании.
Международное энергетическое агентство отмечает, что в 2020 году продажи электромобилей подскочили на 40%, а в первом квартале 2021 года они выросли вдвое по сравнению с аналогичным периодом прошлого года.
Эндрю Миллер, директор по продуктам Benchmark Mineral Intelligence, говорит, что рынок пока наблюдает рост цен на кобальт, но к концу 2021 года может столкнуться с реальным дефицитом предложения.
Существует еще одна проблема, связанная с пандемией коронавируса и ее последствиями. В связи с сохраняющимся дефицитом чипов на глобальном рынке их также недополучают производители электромобилей.
Крупнейшие мировые автопроизводители признали дефицит микрочипов в начале 2021 года. Nissan, Honda и Ford были вынуждены сократить объемы выпускаемых автомобилей и закрыть некоторые свои заводы. Hyundai Motor был вынужден приостановить сборку автомобилей в Южной Корее. Позднее, в апреле, Ford и General Motors начали выпускать электромобили в некомплектном состоянии. Производители пообещали, что добавят нужную электронику в свои авто, когда появится такая возможность.
Гендиректор Tesla Илон Маск связал рост цен в цепочках поставок с удорожанием стоимости электромобилей Model 3 и Model Y. Однако, по его мнению, дефицит микрочипов продлится недолго.
Пути решения
В Китае появляется все больше электромобилей на альтернативных литий-железо-фосфатных аккумуляторах. Они дешевле и менее токсичные, однако имеют меньшую емкость. Их используют Tesla Model 3, китайский автопроизводитель BYD, а скоро начнет внедрять Volkswagen. Но пока на ЛЖФ-аккумуляторы приходится всего 14% рынка, а к 2030 году этот показатель составит от 15% до 20%.
Новая аккумуляторная батарея Tesla 4680 имеет в шесть раз большую мощность, чем предшественники, и в пять раз большую энергоемкость. При этом ее размер составляет всего 46х80 мм. Tesla решила проблему терморегулирования, создав конструкцию цилиндрической формы, и внедрила новые технологии, чтобы сократить путь прохождения энергии внутри конструкции.
Успешный гибрид
Пока ведутся разработки альтернатив литий-ионным аккумуляторам, компании ищут пути более эффективного сохранения энергии. Успешным вариантом использования усовершенствованных литий-ионных батарей стало их встраивание в гибридные энергетические системы.
В промышленной энергетике такие системы получили развитие в 2020-е годы. Они позволяют объединить преимущества нескольких способов аккумулирования и сохранения энергии. Одним из ярких примеров являются аккумуляторные станции Tesla.
Первую такую станцию построила Tesla в Южной Австралии в 2017 году. Строительство заняло всего три месяца. Компания обещала, что при превышении этого срока страна получит батарею бесплатно.
Южная Австралия получает энергию преимущественно из солнечных батарей и ветрогенераторов. Но иногда необходимо задействовать газогенераторы, подключенные к паровым турбинам, и вырабатывать недостающую часть энергии.
Аккумуляторная батарея Tesla накапливает энергию, когда она подается в сеть региона в избытке, а потом отдает ее обратно, когда возникает дефицит. Таким образом, потребность в газогенераторах отпадает.
Кроме того, батарея реагирует на перепады в электросети. Когда произошло внезапное отключение угольной электростанции Loy Yang A 3, станция Tesla среагировала на 4 секунды быстрее, чем резервный генератор частотного контроля и вспомогательных услуг (FCAS) в Квинсленде.
По расчетам чиновников, емкость батареи составляет около 2% от условной емкости всей сети, однако это дает 55% экономии на эксплуатационных расходах.
У системы есть и минусы. Станция включается всего на несколько минут, поэтому неизвестно, сколько циклов заряда выдержат ее батареи, прежде чем их придется заменить.
Тем не менее, в Австралии уже запланировано строительство подобных аккумуляторных систем в Южной Австралии, на Северной территории, в Квинсленде и Новом Южном Уэльсе.
Теперь Tesla собирается подключить гигантскую батарею к электросети Техаса. Компания строит станцию хранения энергии мощностью более 100 МВт в техасском Англтоне.
Батарея сможет обеспечивать энергией около 20 тыс. домов. Детали конструкции пока не разглашаются, а сам проект держится в секрете.
В Нидерландах в 2020 году была введена в эксплуатацию гибридная система накопления энергии из литий-ионных аккумуляторов производства швейцарской компании Leclanché и механических накопителей от голландского разработчика S4 Energy. Литий-ионные батареи имеют мощность 8,8 МВт и емкость 7,12 МВт·ч, они работают вместе с шестью маховиковыми системами KINEXT общей мощностью 3 МВт. Таким образом, объект аккумулирует 1 ГВт энергии, которую использует местный системный оператор TenneT для стабилизации энергосистемы. Маховики позволят продлить срок службы батарей как минимум до 15 лет.
В других странах подобные проекты находятся на стадии разработки и внедрения. Подробнее о них РБК Тренды расскажут в следующем материале.
Перспективы рынка аккумуляторов
Исследователи Европейского патентного ведомства и Международного энергетического агентства в 2020 году проанализировали зарегистрированные с 2000 по 2018 годы патенты на изобретения и разработки в сфере аккумуляторных батарей и накопителей энергии. Они сделали вывод, что за последние десять лет число патентов в сфере хранения электроэнергии росло существенно быстрее других сфер. Выяснилось также, что оно еще в 2011 году превысило число патентов из области батарей для мобильной бытовой электроники меньшей емкости.
Согласно подсчетам авторов работы, пристальное внимание к литий-ионным технологиям привело к тому, что с 2010 года аккумуляторы для электромобилей подешевели почти на 90%, а для стационарных установок в электроэнергетике — на две трети.
Девять из десяти крупнейших обладателей патентов — это азиатские компании. Семь из них во главе с Panasonic и Toyota базируются в Японии, а еще две — Samsung и LG — Electronics в Южной Корее. Единственный представитель другого региона — немецкий концерн Bosch — занял пятое место.
Аккумулирование энергии — технология, которая перевернет энергетику
Аккумулирование энергии (оно же – аккумулирование мощности) – процесс, в ходе которого энергия, выделяемая из внешних источников (солнечных, тепловых, ветряных и осмотических электростанций, а также – кинетической энергии или энергии окружающей среды), захватывается и хранится в небольших беспроводных автономных устройствах, подобных тем, что используются в носимых компьютерах и беспроводных сенсорных сетях.
Аккумуляторы энергии обеспечивают очень мало энергии для энергосберегающей электроники. В то время, как для выработки электроэнергии в больших объемах необходимы полезные ископаемые (нефть, уголь и так далее), источником энергии для аккумуляторов станет окружающая среда.
Так, к примеру, перепады температур появляются при работе двигателя внутреннего сгорания и в городских условиях, а больное количество электромагнитной энергии в окружающей среде из-за радио- и телевещания.
Одним из самых первых применений энергии, собранной из электромагнитного излучения окружающей среды, стал детекторный приемник.
Принципы аккумулирования энергии из фонового электромагнитного излучения могут быть продемонстрированы с помощью основных компонентов.
Эксплуатация
Аккумуляторы, преобразующие энергию окружающей среды в электричество, вызывают большой интерес как у военной, так и у коммерческой отрасли.
Некоторые системы, преобразующие кинетическую энергию, в частности – энергию океанических волн, электричество, могут применяться океанографическими датчиками контроля для автономной работы. В будущем такие аккумуляторы могут применяться для высокомощных устройств выдачи (или их антенн), развернутых в удаленной местности и служащих в качестве надежных электростанций для крупных систем.
Также аккумуляторы можно применять для носимой электроники, где с их помощью можно будет заряжать или перезаряжать сотовые телефоны, портативные компьютеры, радиотехнические средства связи и тому подобное. Все эти устройства должны быть достаточно надежными, чтобы переносить неблагоприятные условия окружающей среды, и иметь достаточно широкий уровень динамической чувствительности, чтобы использовать целый спектр волновых движений.
Накопление энергии
Энергия также может накапливаться в мощных миниатюрных автономных датчиках, подобных тем, что разработаны с использованием микроэлектромеханической технологии. Они зачастую очень малы и нуждаются в малых объемах энергии, но их применение ограничено из-за опоры на мощность батареи.
Аккумулирование энергии из колебаний окружающей среды, ветра, тепла или света может дать способность умным датчикам работать бесконечно долго. Несколько научных и коммерческих групп вовлечены в анализ и разработку аккумулирования энергии из колебаний.
В их числе – Группа по контролю над Управляющими Мощностями, Группа по разработке Оптических и Полупроводниковых устройств при Имперском колледже Лондона, ИМЕК и сотрудничающий Центр Хольста, компании «Adaptive Energy», «LLC», «ARVENI», Массачусетский технологический институт, Викторианский институт в Веллингтоне, Технологический институт Джорджии, Калифорнийский университет в Беркли, Саутгемтонский университет, Бристольский Университет, Лаборатория микроэнергетических систем при Токийском университете, Наньянский технологический университет, компании «Perpetuum» и «ReVibe Energy», Вестфолльский университетский колледж, Национальный университет Сингапура, Научно-исследовательская лаборатория при Университете Перуджи, Колумбийский университет, Автомномный университет Барселоны, Лаборатория по исследованию экологически чистой энергии при университете в Ульсане (Южная Корея). Национальный научный фонд также поддерживает совместный научно-исследовательский центр при Политехническом университете Виргинии и Техасском университете в Далласе. Он известен, как Центр по исследованию материалов и систем аккумулирования энергии.
Как правило, доступная удельная мощность аккумуляторов энергии сильно зависит от конкретной отрасли (влияя на размер генератора) и самой конструкции генератора. В целом, устройства, преобразующие движение в энергию, как правило, способны производить несколько мкВт/см3, работая от движений человеческого тела, и несколько сотен мкВт/см3 – работая с механизмом. Большинство аккумуляторов энергии для носимой электроники вырабатывают крайне малую мощность.
Хранение энергии
В основном, энергия может храниться в конденсаторе, ионисторе или батарее. Конденсаторы применяется в случае необходимости обеспечения крупных энергетических всплесков. Из батареи просачивается меньше энергии, поэтому ее используют, если устройству нужен стабильный ток.
Использование энергии
На данный момент аккумулирование энергии в малых объемах представляет интерес для независимых сенсорных сетей. В этой отрасли аккумуляторы энергии будут брать запасенную в конденсаторе энергию, изменять ее мощность посредством второго конденсатора или батареи, чтобы использовать ее в микропроцессоре. Эта энергия может быть использована датчиками или накопителями данных, или же, вероятнее всего, для передачи беспроводным путем.
Причины
История аккумулирования энергии уходит к ветряным мельницам и водяным колесам. Люди десятилетиями искали способы сохранения энергии из тепла и колебаний. Движущей силой для поиска новых устройств для накопления энергии стало стремление к созданию мощных сенсорных сетей и мобильных устройств без батарей. Также причиной развития этой отрасли стала стремление обратить внимание на вопрос изменения климата и глобальное потепление.
Устройства
Существует много источников энергии малой мощности, которые в, большинстве своем, не могут быть применены в промышленных масштабах:
Источники фонового изучения
Одним из возможных источников энергии могут стать распространенные радиопередатчики. Исторически сложилось так, что при большой области аккумулирования или близости к источнику беспроводной передачи электричества необходимо много энергии. Наноантенна – одно из изобретений, которое предлагает преодолеть это ограничение через преобразование энергии фонового излучения (к примеру, солнечного).
Теоретически можно использовать радиовещание для подпитки устройств с дистанционным управлением, так как сейчас широко распространены система пассивной радиочастотной идентификации (РИ), но Федеральная комиссия по связи США (как и ряд аналогичных структур по всему миру) ограничили максимальную мощность, которая может быть передана этим путем для гражданского пользования. Этот метод используется для усиления индивидуальных узлов в беспроводной сенсорной сети.
Движение потока жидкости или газа
Энергия из воздушных потоков тоже может быть аккумулирована при помощи различных генераторов с турбинами и без них. К примеру, малая ветряная турбина «Windbeam» собирает энергию для перезарядки батарей и подпитки электроники из воздушных потоков, создаваемых ветрами со скоростью менее 2 миль/ч. Кровоток может использоваться для подпитки приборов. К примеру, в Университете Берна был разработан кардиостимулятор, использующий кровоток для завода пружины, запускающей микроэлектрогенератор.
Фотовольтаика
Беспроводная технология накопления энергии с использованием фотоэлементов предлагает серьезные преимущества в сравнении с проводной или исключительно аккумуляторной технологиями хранения энергии. Среди них – практически неисчерпаемый источник энергии без негативных для окружающей среды последствий. Современные системы фотоэлементов, расположенные в помещении, набирают мощность за счет специального покрытия из некристаллического силикона, используемого также в калькуляторах на солнечных батарейках. В последние годы появились новые технологии в области фотовольтаики, в частности – ячейки Гретцеля. Краситель поглощает свет также, как хлорофилл в растениях. Освободившиеся электроны попадают на слой оксида титана, откуда распространяются по всей площади электролита. Краска может быть создана так, что при видимом свете она производит намного больше энергии. К примеру, ячейка Гретцеля при освещенности в 200 люкс способна обеспечить более 10мкВт/см2 энергии.
Пьезоэлектричество
Пьезоэлектрический эффект позволяет преобразовать механическое воздействие в электрический ток или напряжение. Воздействие может появиться за счет множества разных источников. Среди повседневных примеров – движение человека, низкочастотные сейсмические колебания и акустический шум. За редким исключением, пьезоэлектрический эффект связан с переменным током, требующим периодически сменяющегося значения механического резонанса для эффективной работы.
Большинство источников пьезоэлектричества вырабатывают мощность, измеряемую в мВт (милливаттами), которой недостаточно для систематического использования, но достаточно для таких наручных устройств, как некоторые коммерческие модели часов с автоматическим заводом.
Также предлагается использовать пьезоэлектрик в таких малогабаритных устройствах, как микронакопитель гидравлической энергии. В нем поток находящейся под давлением гидравлической жидкости будет управлять поршнем возвратно-поступательного хода, поддерживаемым тремя пьезоэлектрическими элементами, преобразующими изменения давления в переменный ток.
Так как аккумулирование энергии с помощью пьезоэлектриков начало изучаться только с конца 1990-х годов, эта технология развивается до сих пор. Несмотря на это, инженерный колледж при Научном институте прикладных исследований (связанном, в свою очередь, с компанией «Arveni») сделал немало интересных открытий, связанных с переключателями с автономным источником питания. В 2006 году была создана первая беспроводная кнопка для дверного звонка, работающая без батареи.
Так же недавно было доказано, что обычный беспроводной переключатель можно запитать от пьезоэлектрического аккумулятора. Остальные возможности применения в промышленности (примеры – аккумулирование энергии из колебаний или ударов с подающими датчиками) появились в 2000-2005 годах.
Пьезоэлектрические системы могут преобразовывать движение человека в энергию. Управление перспективных исследовательских проектов при Министерстве обороны США финансировало программы по преобразованию движений рук и ног, шагов в обуви, и кровяного давления в энергию, необходимую для маломощных имплантируемых или носимых датчиков.
Еще одним примером пьезоэлектрических аккумуляторов энергии являются нанощетки, которые можно вшить в одежду. Многие другие наносистемы использовались для создания устройства для аккумулирования энергии. Так, например, однокристальный ПМЯ-ИТ нанопояс был создан и преобразован в пьезоэлектрический аккумулятор энергии в 2016 году. Для того, чтобы до предела уменьшить дискомфорт человека, такие устройства нуждаются в тщательном проектировании.
Эти источники накапливаемой энергии будут также влиять и на тело. Еще одним проектом, который старается создать устройство для аккумулирования энергии из колебаний и движения окружающей среды, стал «Vibration Energy Scavenging». Для накопления энергии дыхания можно использовать микропояс. Наконец, удалось создать пьезоэлектрический накопитель энергии величиной в несколько миллиметров.
Использование пьезоэлектриков для аккумулирования энергии уже стало популярным. Они способны преобразовывать энергию механического воздействия в электрический заряд. Пьезоэлементы уже монтируют в покрытия аллей, чтобы собирать энергию из человеческих шагов.
Также их можно встроить в обувь для накопления «энергии от прогулок». В 2005 году исследователи из Массачусетского технологического университета разработали первый микроскопический пьезоэлектрический накопитель энергии с использованием тонкой пленки из цирконат-титаната свинца.
Арман Хаджати и Сан Гук Ким изобрели сверхширокополосный микроскопический пьезоэлектрический накопитель энергии, используя нелинейную жесткость двух резонаторов микроэлектромеханических систем. Сила деформации, направленная к двунаправленным лучам, приводит к изменяемой жесткости, обеспечивающей пассивную обратную связь, а позднее – резонанс.
Энергия из «умных дорог» и пьезоэлектричество
В 1880 году братья Пьер и Жак Кюри представили идею пьезоэлектричества. Пьезоэлектрический эффект позволяет преобразовать энергию механического воздействия в электричество, что дает возможность вырабатывать энергию от шагов, веса, колебаний и изменений температуры.
Пленки из цирконат-титаната свинца привлекли внимание, как перспективные компоненты для датчиков силы, акселерометров, гироскопов, исполнительных устройств, настраиваемой оптики, микроскопических насосов, сегнетоэлектрических ОЗУ, дисплеев и умных дорог.
Ведь при ограниченности источников энергии важную роль для окружающей среды будет играть именно аккумулирование энергии. Умные дороги также могут сыграть серьезную роль в выработке энергии. Вмонтированные в дорожное покрытие пьезоэлектрики могут преобразовывать давление движущихся автомобилей в напряжение и электричество.
Умная система транспортировки
Пьезоэлектрические датчики – самые полезные элементы, которые можно использовать для создания интеллектуальных систем «умных дорог», а также – увеличения их эффективности при продолжительной работе.
Многие десятилетия ученые и эксперты спорили о том, как лучше преодолеть пробки при помощи таких интеллектуальных транспортных систем, как датчики на обочинах, нужные для измерения плотности транспортного потока и синхронизации работы светофоров для его контроля.
Но из-за цены эти технологии очень ограничены. Существуют также умные технологии, которые уже готовы к быстрому развертыванию и эксплуатации, но большинство из них все еще находятся на стадии разработки и не могут быть воплощены на практике, как минимум, в ближайшие пять лет.
Пироэлектричество
Пироэлектрический эффект преобразовывает изменения температуры в электричество или напряжение так же, как и в случае с пьезоэлектрическим эффектом, являющимся разновидностью сегнетоэлектричества.
Пироэлектрик требует периодически изменяющегося входного сигнала и, как правило, отличается током крайне малой мощности на выходе, которой не хватает для аккумулирования.
Однако, ключевым преимуществом пироэлектрики над термоэлектрикой является стабильность многих пироэлектриков при температуре свыше 1200 °С, что позволяет использовать их для аккумулирования энергии из высокотемпературных источников, и в дальнейшем – увеличить их термодинамическое КПД.
Одним из способов превратить израсходованное тепло в электричество является осуществление цикла Ольсена с пироэлектриками. Цикл Ольсена состоит из двух изотермических и изоэлектрических полей, в которых происходят процессы по смещению электрического поля.
Основой цикла Ольсена является заряд конденсатора через охлаждение в маломощном электрическом поле и разряд – при нагревании или мощном электрическом поле. Для реализации цикла Ольсена было разработано несколько пироэлектрических преобразователей, использующих проводимость, конвекцию или излучение. Также существует теоретическое обоснование того, что пироэлектрическое преобразование основано на регенерации тепла, используемой в колеблющейся рабочей жидкости, а за счет цикла Ольсена можно достичь КПД цикла Карно между горячим и холодным тепловым резервуаром.
Более того, недавние исследования показали, что полимеры на основе поливинилденфторид-трифторэтилена или керамика на основе цирконат-титанат свинца могут стать перспективными пироэлектриками, которые будут применяться для в преобразователях энергии за счет своей большой плотности энергии, создаваемой при низких температурах. К тому же, недавно был представлен пироэлектрический накопитель энергии, не нуждающийся периодически меняющегося входного сигнала.
Аккумулятор энергии использует деполяризуемое электрическое поле нагретого пироэлектрика для преобразования тепловой энергии в механическую вместо извлечения электрического тока из двух электродов, прикрепленных к граням кристалла.
Термоэлектричество
В 1821 году Томас Иоганн Зеебек открыл, что перепад температур, созданный между двумя различными проводниками, вырабатывает напряжение.
В основе эффекта термоэлектричества – факт того, что перепад температур в проводнике приводит к появлению теплового потока, что, в свою очередь, к диффузии переносчика заряда. Поток в переносчике заряда между горячим и холодным пространствами, в свою очередь, создает напряжение.
В 1834 году Жан Шарль Атаниз Пельтье обнаружил, что движение электрического тока через соединение двух разных проводников, в зависимости от его направления, может служить как для нагрева, так и для охлаждения.
Поглощаемое или выделяемое тепло пропорционально току, и эта постоянная известна, как коэффициент Пельтье. Сегодня за счет сведений об эффекте Зеебека и Пельтье, термоэлектрики могут применяться, как нагреватели, охладители и генераторы (ТЭГи)
Идеальный термоэлектрик обладает высокими коэффициентом Зеебека и электропроводимостью и низкой теплопроводностью.
Она необходима для поддержки высокого перепада температур в переходе. Стандартные термоэлектрические модули, производимые сегодня, состоят из двух полупроводников из теллурита висмута (положительного и отрицательного), расположенных между двумя металлизированными керамическими пластинами. Пластины добавляют системе жесткости и изоляции. Полупроводники соединены последовательно в электрической схеме и параллельно – в тепловой.
Были разработаны миниатюрные термоэлементы, преобразующие тепло тела в электричества и вырабатывающие 40 мкВт и 3 В электричества при разнице температур в 5 градусов, в то время, как более крупные аналоги сейчас применяются в радиоизотопных термоэлектрических генераторах.
Примеры практического воплощения – пальчиковый тахокардиометр от «Holst Center» и термогенератор от немецкой компании «Fraunhofer».
Преимущества термоэлектрики:
Недостатком преобразования тепла в электричество является низкий КПД (на данный момент – меньше 10 %). Сейчас происходит разработка материалов, способных работать при больших перепадах температуры и проводить электричество без тепла, что еще недавно считалось невозможным. Подобные разработки обещают увеличить КПД.
Предстоящие работы в этой области позволят преобразовывать потраченное тепло, к примеру, от двигателя внутреннего сгорания, в электричество.
Электростатика (емкостный накопитель)
Этот тип аккумулирования энергии основан на изменении емкости конденсаторов, преобразующих колебания в электричество. Колебания отделяют платы заряженного конденсатора переменной емкости, и механическая энергия преобразуется в электрическую.
Электростатические накопители энергии нуждаются в источнике поляризации для работы и преобразования механической энергии колебаний в электричество. Источник поляризации должен давать ток напряжением в несколько сотен вольт, что серьезно осложняет питание управляющей схемы.
Другое решение – использование электретов, представляющих собой электрически заряженные диэлектрики, способные хранить поляризацию конденсатора много лет. Для этой цели можно переделать схемы обычных генераторов электростатической индукции, извлекающих энергию различного емкостного сопротивления.
Получившиеся в итоге устройства будут способны к самозарядке, зарядке батарей и выработке энергии с напряжением, растущим в геометрической прогрессии, для хранения в конденсаторах, откуда ее будут периодически извлекать преобразователи постоянного тока.
Магнитная индукция
Магниты, качающиеся на консолях, чувствительны к малейшим колебаниям и создают токи малой мощности при движении относительно проводников благодаря закону электромагнитной индукции Фарадея.
После разработки устройства подобного типа в 2007 году, команда ученых из Саутгемптонского университета сделала возможной установку таких устройств в окружающей среде, которым не потребуется электричество извне. Датчики, установленные в недоступных местах, уже сейчас могут вырабатывать энергию сами и передавать данные внешним приемникам.
Одним из главных ограничений для накопителей энергии из магнитных колебаний, разработанных в Саутгемптонском университете, является размер генератора (в данном случае – около 1 см3), который слишком велик для установки в современные мобильные устройства.
Собранный генератор включает в себя схему размером 4х4х1 см, сравнимую с устройством «iPod nano». Последующее уменьшение габаритов станет возможным через интеграцию новых, более гибких материалов для консольного стержня. В 2012 году исследовательская группа из Северо-западного университета разработала генератор, получающий энергию из колебаний.
Он был собран из полимеров и имел форму струны. Это устройство было способно определять те же частоты, что и аналог из Сатугемптона на кремниевой основе, но его балка была на треть короче.
Также для аккумулирования энергии на основе магнитной индукции был предложен новый подход в виде использования феррожидкости.
Статья из журнала под названием «Электромагнитный накопитель энергии на основе феррожидкости» обсуждает использование феррожидкости для накопления энергии низкочастотных (менее 2.2 Гц) колебаний с выходной мощностью около 80мВ/г.
Коммерчески успешные накопители энергии из колебаний получили свое развитие после появления прототипов в Саутгемптонском университете.
Они были достаточно велики для производства необходимой беспроводным сенсорным узлам энергии, но не могли нормально применяться в областях, требующих взаимодействия механизмов. Эти накопители на данный момент распространены в больших количествах для подпитки беспроводных сенсорных узлов, созданных компаниями типа «General Electrics» или «Emerson», или вмонтированной в поезд системы проверки от компании «Perpetuum».
Беспроводные датчики линий электропередач могут использовать магнитную индукцию для аккумулирования энергии напрямую с контролируемого проводника.
Сахар в крови
Другой путь аккумулирования энергии – окисление сахара в крови. Эти накопители энергии называют биобатареями.
могут быть использованы для питания таких имплантированных электронных устройств, как кардиостимулятор, имплантированные биодатчики для диабетиков или активные системы РЧИ и других. На данный момент Майнтирская группа при Университете в Сент-Луисе создала энзимы, которые можно будет применять для генерации энергии из сахара в крови.
Однако каждые несколько лет их нужно будет вводить заново. В 2012 в Университете Кларксона под управлением доктора Евгения Катца удалось запитать кардиостимулятор от введенных биохимических топливных элементов.
Электроника, встроенная в деревья
Аккумулирование энергии из метаболизма в деревьях относится к биологическому способу.
Проект «Voltree» был разработан, как метод аккумулирования энергии из деревьев. Эти накопители используются для питания дистанционно управляемых датчиков и узловых сетей, как основы развернутой долгосрочной системы мониторинга лесных пожаров и погоды. Их веб-сайт утверждает, что срок службы такого устройства может быть ограничены лишь длительностью жизни самого дерева, где оно было установлено.
Недавно они развернули малую тестовую сеть в лесу Национального парка США.
Среди других источников энергии из деревьев – улавливание движения деревьев генератором.
Теоретический анализ этого источника показал некоторые перспективы для питания малых электронных устройств. Устройство, основанное на этой теории, было создано и успешно питало сенсорный узел в течение года.
Метаматериалы
Накопитель энергии на основе метаматериалов способен без использования проводов преобразовывать микроволны частотой в 900 МГц в постоянный ток напряжением в 7,3 В (больше, чем необходимо для USB-устройства).
Также оно может быть настроено для накопления энергии из таких сигналов, как Wi-Fi, спутникового или даже звукового. Экспериментальный образец использует ряж из пяти стеклопластиковых и медных проводников. КПД преобразования достигает 37 %.
Когда обычные антенны находятся слишком близко друг к другу, то они создают помехи друг другу, но, так как мощность радиоволны падает в отношении к кубу расстояние, количество энергии оказывается крайне малым.
Несмотря на то, что заявленные 7,3 В являются достаточно крупным значением, это измерение актуально только для незамкнутого контура. Так как энергия – крайне мала, то при подключении может не вырабатываться практически никакого тока.
Изменения атмосферного давления
В отличие от герметичной камеры, для обеспечения энергией механических часов типа «Atmos clock» используется изменения в атмосферном давлении, причиняемые изменениями температуры или синоптической ситуацией.
Энергия человека
Атлет способен произвести 300-400 Вт механической энергии за час, что примерно равно 1/3 кВтч или 0,5 л.с., в то время, как взрослый с хорошим физическим здоровьем – около 50-150 Вт за час энергичных упражнений (0,1 кВтч).
Здоровый работник может примерно за 8 часов обеспечить 75 Вт энергии (0,5 кВтч). Вследствие этого самым подходящим способом производства энергии для краткосрочных заданий, не нуждающихся в больших затратах энергии, является энергия от нажатия на педали.
Вспомогательная аппаратура для тела
Также уже появились биомеханические накопители энергии. Один из таких образцов, который пристегивается к колену, был создан Максом Донеланом. Устройства подобного типа позволяет вырабатывать 2,5 Вт энергии, чего достаточно для зарядки пяти мобильных телефонов. Футбольный мяч «Soccket», разработанный канадской компанией «Bionic Power», способен вырабатывать и хранить до 6 Вт энергии.
Также энергия, извлекаемая из тела, может использоваться для кардиостимуляторов.
Мостовые
Компания «PaveGen» выпустила специальную брусчатку для мостовых, способную к выработке электричества. Помимо стационарной установки, она также была продемонстрирована на таких мероприятиях, как Олимпиада 2012 года в Лондоне и Марафон в Париже
Энергия от нажатия на педали
Энергия от нажатия на педали является простым, эффективным и практичным методом получения энергии. По сути, существует всего две схемы подобных аппаратов – педаль с возвратно-поступательным движением и система ведущих звезд, вращающих педаль.
Стационарные устройства типа деревообрабатывающих станков использовались несколько тысячелетий (по меньшей мере, с Бронзового века) и точно такой же возвратно-поступательный механизм с небольшими улучшениями был использован для швейной машинки, запатентованной Айзеком Зингером в 1851 году.
Энергия от нажатия на педали чаще всего применяется в велосипедах или трициклах, которые пользуются большой популярностью с конца XIX века. Но квадроцикл, запатентованный в 1853 году, показал, что энергия может вырабатываться несколькими велосипедистами сразу.
Педальные электрогенераторы
Некоторые велотренажеры снабжены генераторами и батареями, и, по меньшей мере, один из них – запатентован американцами. Как правило, количество выработанной или накопленной полезной электроэнергии – мало, так как ни генераторы, ни батареи не обладают высоким КПД, а много энергии тратится на то, чтобы преобразовать мускульную силу во вращающую. Преодолимость этих проблем показали концепты, способные долгое время вырабатывать энергию мощностью в 120 Вт.
Генератор «Dynapod»
В 1980 году Добровольцами по оказанию технической помощи (ВИТА, штат Мэриленд, США) было предложено устройство для выработки энергии, названное ими «Dynapod». Их идея заключалась в том, чтобы оборудовать такую бытовую технику, как миксер, шлифовальный станок, ручная дрель и деревообрабатывающий станок, маломощными (меньше 1 л.с. или 500 – 1 000 Вт) электромоторами, используемыми в короткие промежутки времени.
Так как большинство бытовых приборов используют в относительно постоянных условиях, где часто очень важен контроль скорости рабочего органа, педальные механизмы могут одновременно передать мускульную силу и отлично управлять скоростью там, где это необходимо. При этом можно также обеспечить комфортное сидячее место для оператора и освободить обе руки для управления устройством.
Перспективные направления
Для аккумулирования энергии были предложены электроактивные полимеры. Они обладают большим коэффициентом деформации, большой энергетической плотностью и высоким КПД преобразования энергии. Предполагается, что общий вес систем на основе ЭАП (электроактивных полимеров) будет значительно ниже, чем у их аналогов на основе пьезоэлектриков.
Наногенераторы, подобные тем, что были созданы в Технологическом университете Джорджии, могут предложить новый путь для обеспечения энергией устройств без батарей. По состоянию на 2008 год, они могут вырабатывать ток мощностью лишь в несколько десятков нВт, что слишком мало для практического применения.
Итальянскими учеными был предложен шум в качестве источника энергии. Предполагается, что из различных низкочастотных колебаний можно будет извлекать и аккумулировать энергию за счет нелинейного динамического механизма, способного улучшить КПД накопителя в 4 раза по сравнению с традиционными линейными накопителями.
Сочетание различных типов накопителей энергии в дальнейшем может уменьшить зависимость от батарей, в частности – в тех условиях, где периодически меняются виды доступной в окружающей среде энергии. Этот тип взаимодополняющего и сбалансированного аккумулирования энергии обладает потенциалом для увеличения надежности беспроводных сенсорных систем для структурной дозиметрии.