Termin 'zbierania energii' tyczy się zbierania energii z każdego niewielkiego źródła, jakie otacza system - światła, ciepła, wibracji czy promieniowania elektromagnetycznego - i następnie konwersji jej na energię elektryczną. Ilość zbieranej w ten sposób energii nie jest imponująca, jednakże postępy w zakresie poziomów zużycia energii elektrycznej przez systemy elektroniczne pozwalają na wykorzystanie tej niewielkiej ilości zebranej energii na zasilanie układu.
Jak w przypadku każdej nowej technologii sama możliwość zrobienia czegoś nie wystarczy - musi istnieć jeszcze poważny powód na implementację takiego rozwiązania, zanim technologia ta spotka się z szeroką akceptacją. W przypadku systemów zbierania energii powód jest dosyć oczywisty i znany od dawna: po pierwsze, pomijający koszty instalacji systemu, zbierana energia jest w zasadzie darmowa. Jednakże nie jest to podstawowa przyczyna implementacji tego systemu - najważniejszy często jest fakt, że koszty doprowadzenia energii do systemu - poprzez kabel zasilający lub regularną wymianę baterii - są o wiele większe, niż koszty systemu zbierania jej z otoczenia. W rozproszonych systemach pomiarowych, koszty instalacji kabli doprowadzających zasilanie do wszystkich sensorów byłyby bardzo duże, podobnie jak zatrudnienie i przeszkolenie pracownika do regularnej wymiany baterii w układzie. Nawet jeżeli nie jesteśmy w takiej sytuacji, to warto przyjrzeć się systemom zbierania energii - jakkolwiek koszty baterii są niezbyt wysokie, to koszty manualnej ich wymiany i okresowej dezaktywacji urządzenia, mogą być spore. Systemy zbierania energii mogą efektywnie wspierać urządzenie zasilane z baterii wydatnie wydłużając czas jaki może ono pracować pomiędzy poszczególnymi ich wymianami. Tak więc koszty instalacji systemu zbierania energii są w pełni uzasadnione.
Na rynku dostępnych jest szereg rodzajów systemów zbierania energii. Najpopularniejsze systemy to układy zbierania energii słonecznej, która w różnych formach zbierana jest od setek lat. Wprowadzone relatywnie niedawno na rynek układy fotowoltaiczne instalowane są zazwyczaj w systemach o dużej lub bardzo dużej skali, które zasilać mogą domy lub całe miasta. Systemy takie są tylko dodatkiem do klasycznych systemów zasilania lub wyposażane są dodatkowo w systemy przechowywania energii oparte o akumulatory, które pozwalają na zapewnienie nieprzerwanych dostaw prądu. Falowniki, produkujące napięcie zmienne dla sieci przesyłowej i inne elementy takich instalacji wprowadzają do układów spore straty. Znane są także niewielkie systemy PV - od lat stosuje się ogniwa tego rodzaju do zasilania kalkulatorów kieszonkowych itp, z uwagi na niewielkie zapotrzebowanie energetyczne tego typu urządzeń. Dzięki postępowi w zakresie systemów fotowoltaicznych istnieje teraz możliwość wytwarzania układów zbierania energii słonecznej do wykorzystania innych niewielkich systemów, takich jak zegarki, sensory bezprzewodowe, czytniki tagów RFID, oświetlenie awaryjne czy ładowarki do urządzeń przenośnych (telefony, smartfony, tablety). Na wydajność tego rodzaju systemów wpływ ma wiele czynników, rozpoczynając od rodzaju i intensywności oświetlenia a na wykorzystanej technologii systemu PV skończywszy. Warto pamiętać, że systemy tego rodzaju nie działają zbyt wydajnie w świetle sztucznym - moc produkowana przez układ PV w typowym oświetleniu wewnętrznym jest od 100 do 500 razy mniejsza niż przez analogiczny układ w pełnym słońcu.
Materiały piezoelektryczne tworzą kolejną rodzinę systemów wykorzystywanych do wydajnego zbierania energii z otoczenia. Piezoelektryki polaryzują się elektrycznie, gdy zostaną ściśnięte lub naprężone. Ponieważ często są to materiały ceramiczne, to są to elementy wytrzymałe na obciążenia i ciepło. Przekłada się to na dużą łatwość instalowania ich w systemach przemysłowych i w ciężkich warunkach. Zasadniczo istnieją dwie klasy urządzeń tego rodzaju - rezonansowe i nierezonansowe. Te pierwsze wykorzystywane są do zbierania energii wibrujących elementów, o ile dobrze dopasowane do siebie są częstotliwość wibracji i rezonansowa częstotliwość układu zbierającego energię - takie systemy często wykorzystuje się jako sensory do zbierania danych o wibracjach budynków czy mostów. Zbiera on energię z wibracji danego elementu i pozwala na zapewnienie energii do zasilenia np. niewielkiego nadajnika bezprzewodowego. Nierezonansowe systemy piezoelektryczne zbierają energię podczas ich np. ściskania w pojedynczych ruchach - najlepiej znanym urządzeniem tego typu jest szeroko znana zapalarka do gazu. Tego typu elementy często stosowane są także w aktywnych chodnikach, które zbierają energię podczas gdy są deptane lub w bezprzewodowych włącznikach światła, które zbierają energię gdy są naciskane i wykorzystują ją do zasilania systemu kontroli bezprzewodowej.
Materiały termoelektryczne z kolei generują energię elektryczną na skutek powstania gradientu temperatury z uwagi na niską przewodność cieplną a wysoką elektryczną. Gdy różnica temperatur jest duża ładunek z takiego elementu może być zbierany i wykorzystywany do zasilania systemu elektronicznego. Dotychczasowo elementy te wykonywano z rzadkich stopów, co zwiększało ich koszty, ale z uwagi na postęp technologii półprzewodnikowej, wytwarzane są elementy nanostrukturyzowane z klasycznych - tańszych - półprzewodników, które także wykazują wydajny efekt termoelektryczny. Niezależnie jednakże od wykorzystania zaawansowanych technologii nadal układy takie wymagają dobrego kontaktu termicznego do elementów o wysokiej i niskiej temperaturze. Implementacja tego rodzaju generatorów w urządzeniach jest nietrywialna i wymaga poprawnej identyfikacji ciepłej i zimnej strefy urządzenia.
Systemy zbierania energii z fal radiowych, jak łatwo się domyślić, to układy jakie zbierają energię otaczających nas fal elektromagnetycznych z zakresu spektrum radiowego. Z uwagi na rozpowszechnienie źródeł RF w naszym otoczeniu energia ta jest wszędzie, dlatego też nie powinno dziwić rozwijanie tego rodzaju generatorów przez naukowców. Aktualnie systemy te są na początkowym etapie rozwoju, na którym dedykowane pary układów - nadajnik i odbiornik - mogą przekazywać sobie bezprzewodowo energię z wykorzystaniem anten kierunkowych. W przyszłości jednakże rozwijane mają być systemy szerokopasmowe z antenami dookólnymi, które umożliwić mają zbieranie całej dostępnej energii z otaczającego nas 'eteru'. Jakkolwiek jeszcze tak nie jest, to warto obserwować ten przyszłościowy sektor, gdyż niedługo mogą być to najpopularniejsze rodzaje układów zbierających energię elektryczną z środowiska.
Podstawową cechą wszystkich dobrych systemów zbierania energii jest to, że ich wydajność zależy od właściwego dobrania technologii do warunków środowiska. Z tego względu należy dokonać dokładnej analizy urządzenia, zanim wybierze się konkretny generator. Na przykład pociąg, gdzie występują ciągłe wibracje o stałej częstotliwości, to idealne miejsce do aplikacji generatorów piezoelektrycznych. Z kolei silniki np. spalinowe, to idealne miejsce na aplikację generatorów termoelektrycznych z uwagi na dużą temperaturę silnika podczas pracy. Z kolei systemy mające pracować na dworze to idealne miejsce do aplikacji niewielkich ogniw PC, które mają zapewnić działanie zdalnych sensorów przez cały czas.
Niezależnie od wykorzystanego generatora, produkowana przezeń energia elektryczna musi być w odpowiedni sposób konwertowana i składowana, aby zapewnić poprawne działanie zasilanego systemu. Firma Texas Instruments przoduje w zakresie rozwiązań układowych dla tego sektora. Szereg produktów firmy TI z linii menedżerów baterii BQ dedykowane jest do nanoskalowych generatorów energii elektrycznej. Firma Texas Instruments opublikowała dotychczasowo szereg not aplikacyjnych dla tego rodzaju układów.
Przykładem takiego układu może być BQ25505 - przetwornica step-up obsługująca do dwóch baterii i system zbierania energii. Układ ten uruchamia się z napięciem wejściowym już na poziomie 330 mV, a do podtrzymania jego działania wystarczy zaledwie 100 mV. Programowalny system śledzenia punktu pracy pozwala na zoptymalizowane zbieranie energii produkowanej przez dowolny generator. Układ BQ25505 periodycznie sprawdza stan wejścia i dostosowuje obciążenie do źródła, aby układ pracował przy maksymalnej wydajności. Pozwala to na maksymalizację wydajności działania systemu opartego na nanogeneratorze w danych warunkach otoczenia. Zastosowanie dwóch baterii pozwala na implementację w układzie akumulatora oraz klasycznej baterii. System ładuje w miarę możliwości akumulator i zasila z niego układ, ale w sytuacji gdy napięcie na akumulatorze spadnie poniżej zaprogramowanego progu kontroler przełącza zasilanie układu na drugą baterię. Texas Instrument stworzył moduł ewaluacyjny dla tego układu - BQ25505EVM - dedykowany do testowania możliwości tego rodzaju systemu. Występujące w układzie zworki i punkty testowe pozwalają na testowanie układu w szerokim zakresie warunków i systemów.
Firma TI dostarcza także kilka projektów referencyjnych dla systemów zasilanych układami zbierającymi energie. Jeden z projektów - TIDA-00488 - opisuje system wyposażony w mikrokontroler i nadajnik na pasmo poniżej 1 GHz (układ SimpleLink CC1310 firmy Texas Instruments), który funkcjonować ma jako sensor naświetlenia, wilgotności, temperatury i innych zmiennych środowiskowych oraz kontroler systemów HVAC. Zaprezentowana przez TI aplikacja pokazuje w jaki sposób taki system kontrolno-pomiarowy zasilany może być z wykorzystaniem systemów zbierania energii. W prezentowanej aplikacji opisywany układ sparowany jest z systemem opartym na kontrolerze BQ25505 z modułem SolarBit firmy IXYS IXOLAR .
Drugi referencyjny projekt TI opisuje system wykorzystujący BLE (Bluetooth Low Energy) zbierający energię świetlną w pomieszczeniu. Projekt oznaczony TIDA-00100 wykorzystuje BQ25505 oraz CC2541 do stworzenia beacona BLE, czyli punktu orientacyjnego dla urządzeń poruszających się wewnątrz budynku. Do poprawnego działania układu wystarczy światło o natężeniu 250 luksów. W systemie wbudowano superkondensator o pojemności 8 mF, który pozwala na przechowywanie zgromadzonej energii, potrzebnej podczas transmisji Bluetooth.
Układy takie jak BQ25504 i BQ25570 czy inne podobne przetwornice dedykowane do systemów zbierania energii pozwalają na zasilanie wielu rodzajów układów. Układ BQ25504 różni się od przedstawionego powyżej BQ25505 tym, że zamiast jednego z terminali dla baterii posiada wyjście informując o stanie zasilania, co pozwala na sprzężenie z mikrokontrolerem, który może dobierać obciążenie pod kątem dostępności energetycznej - np. przesyłać dane tylko gdy dostępne jest zasilanie. W BQ25570 wbudowana jest natomiast dodatkowo druga przetwornica typu buck, która pozwalać może na zasilanie drugiego mikrokontrolera, systemów komunikacji radiowej, sensorów etc. Projekt TIDA-00242 opisuje system wykorzystujący BQ25570 wraz modułem PV dającym mikro..miliwaty na wyjściu, do zasilania kompletnego systemu z pomocą superkondensatora o pojemności 47 mF.
Innym ciekawym projektem opartym na BQ25570 jest TIDA-00588, który wykorzystuje także kondensator 47 mF oraz baterię zegarkową LIR2032 do zasilania z ogniwa PV dowolnego systemu.
W projekcie TIDA-2246 wykorzystano z kolei generator termoelektryczny do produkcji prądu. Dzięki optymalizacji projektu, układ tam zaprezentowany funkcjonować może przy prądzie już od 60 nA, pobieranym z generatora.
Dzięki wysokiej wydajności - powyżej 90% - i niskiemu poborowi prądu przez opisywane konwertery i kontrolery, układy Texas Instruments pozwalają na wykorzystanie rozmaitych systemów zbierania energii elektrycznej z otoczenia do wsparcia lub zastąpienia systemów zasilania baterii w wielu ciekawych aplikacjach.
Źródło: https://www.arrow.com/en/research-and-events/articles/energy-harvesting-with-texas-instruments
Cool? Ranking DIY
