شکار انرژی - energy harvesting

فاطمه یاس

کاربر ممتاز
شکار انرژی

شکار انرژی (energy harvesting) یا شکار توان (power harvesting) یا مهار انرژی (energy scavenging) فرآیندی است که در آن انرژی از منابع خارجی مانند توان خورشیدی (solar power)، انرژی گرمایی (thermal energy)، انرژی باد (wind energy)، اختلاف نمک محلول (salinity gradients) و انرژی جنبشی گرفته و استخراج و به صورت بی‌سیم ذخیره و استفاده می‌شود.

شکارگرهای انرژی، مقدار بسیار کمی برق برای دستگاه‌های الکترونیک کم مصرف فراهم می‌کنند. در حالی که سوخت ورودی به برخی از نیروگاه‌های بزرگ هزینه بسیار زیادی دارد، منبع انرژی برای شکارگرهای انرژی در پس زمینه محیط به صورت رایگان وجود دارد. به عنوان مثال گرادیان‌های دمایی در اثر کارکرد موتور احتراقی (combustion engine) و در مناطق شهری موجود هستند و همچنین مقدار زیادی از انرژی الکترومغناطیسی به دلیل انتشار امواج رادیو و تلویزیون وجود دارد.

طرز کار شکارگرهای انرژی


دستگاه‌های شکار انرژی که انرژی محیط را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند در دو بخش نظامی و تجاری توجه زیادی به خود جلب کرده‌اند. برخی سیستم‌ها حرکت‌هایی همچون امواج اقیانوس را به برق به تبدیل می‌کنند که این برق توسط سنسورهای نظارتی اقیانوس شناسی استفاده می‌شود تا امکان کارکرد مستقل آن دستگاه‌ها فراهم شود. کاربردهای آینده ممکن است شامل دستگاه‌های با توان خروجی بالا یا آرایه‌هایی از چنین دستگاه‌هایی باشد که در مکان‌های دور افتاده به عنوان نیروگاه‌های (power plant) قابل اعتماد برای سیستم‌های مصرف کننده بزرگ به کار روند. کاربرد دیگر شکار انرژی در لباس‌های الکترونیکی است که در آن دستگاه شکار انرژی می‌تواند برای شارژ مجدد تلفن همراه، رایانه‌های همراه، تجهیزات رادیویی و غیره به کار رود. همه این دستگاه‌ها باید به اندازه کافی قوی باشند تا بتوانند تحمل قرار گرفتن طولانی در معرض محیط‌های خشن را داشته باشند و بتوانند از طیف گسترده‌ای حرکات موجی دینامیک استفاده نمایند.


جمع‌آوری انرژی


همچنین انرژی می‌تواند به وسیله سنسورهای کوچک مستقل همانند سنسورهایی که با استفاده از تکنولوژی MEMS توسعه یافته‌اند شکار شده و به برق تبدیل شود. این سیستم‌ها اغلب بسیار کوچک بوده و نیاز به توان کمی دارند، اما کاربرد آن‌ها محدود به تکیه بر برق باتری است. مهار انرژی از ارتعاشات محیط، باد، حرارت و یا نور می‌تواند حس‌گرهای هوشمند را قادر به عملکرد نامحدود کند.

دانسیته توان معمول موجود از دستگاه‌های شکار انرژی، به شدت وابسته به کاربرد خاص (موثر بر اندازه ژنراتور) و طراحی خود ژنراتور شکار است. به طور کلی مقادیر معمول برای دستگاه‌های توان گیرنده از حرکت، از چند میکرو وات بر سانتی‌متر مکعب برای دستگاه‌های با توان انسانی تا چند صد میکرو وات بر سانتی‌متر مکعب برای ژنراتورهای توان گیرنده از ماشین‌آلات می‌شود. بیش‌تر دستگاه‌های مهار انرژی الکترونیکی پوشیدنی تولید برق بسیار کمی می‌کنند.
ذخیره‌سازی توان


به طور کلی، انرژی را می‌توان در یک خازن، ابر خازن و یا باتری ذخیره کرد. خازن‌ها زمانی استفاده می‌شوند که سیستم نیاز به فراهم کردن خوشه‌های بزرگ انرژی داشته باشد. باتری‌ها انرژی کم‌تری نشت می‌دهند و در نتیجه زمانی مورد استفاده قرار می‌گیرند که دستگاه نیاز به ارائه جریان مداوم انرژی داشته باشد.
استفاده از توان


علاقه کنونی در شکار انرژی کم توان برای شبکه‌های سنسور مستقل است. در این کاربردها یک روش شکار، انرژی را در یک خازن ذخیره می‌کند و سپس آن را برای استفاده در ریزپردازنده به یک خازن ذخیره‌سازی دوم یا باتری تزریق می‌کند. معمولا توان برای کاربرد در سنسور استفاده می‌شود و داده‌ها ذخیره و یا احتمالا از طریق یک روش بی‌سیم منتقل می‌شوند.

دستگاه‌های شکار انرژی


منابع انرژی بسیاری در مقیاس کوچک وجود دارند که نمی‌توان آن‌ها را در اندازه صنعتی بزرگ کرد:
بعضی از ساعت‌های مچی با انرژی جنبشی کار می‌کنند که به آن‌ها ساعت‌های اتوماتیک می‌گویند که از جنبش بازو استفاده می‌کنند. جنبش باعث پیچش فنر اصلی ساعت می‌شود. طراحی جدیدی به نام کینتیک (Kinetic) که توسط سیکو معرفی شده است به جای توان دهی به جنبش کوارتز از حرکت یک آهن‌ربا در ژنراتور الکترومغناطیسی استفاده می‌کند. حرکت یک نرخ تغییر شار فراهم می‌کند که باعث یک emf القایی بر روی سیم‌پیچ‌ها می‌شود. این مفهوم به سادگی با قانون فارادی مربوط است.

فتو ولتاییک (photovoltaics) یک روش تولید توان الکتریکی با تبدیل تابش خورشید (در فضای بسته و یا باز) ا به برق جریان مستقیم با استفاده از نیمه هادی‌هایی با اثر فتوولتاییک می‌باشد.


ژنراتورهای ترموالکتریک (thermoelectric generators) یا TEG از اتصال دو ماده غیر مشابه و وجود گرادیان حرارتی تشکیل شده‌اند. خروجی‌های با ولتاژ بزرگ با اتصال چندین اتصال که از نظر الکتریکی به صورت سری و از نظر حرارتی به صورت موازی قرار می‌گیرند امکان‌پذیر است. عملکرد معمول ژنراتورهای ترموالکتریک 100 تا 200 میکروولت بر کلوین در محل اتصال است. این روش می‌تواند برای شکار میلی‌وات‌های تجهیزات صنعتی، سازه‌ها و حتی بدن انسان‌ها مورد استفاده قرار گیرد. ژنراتورهای ترموالکتریک معمولا با چاه‌های حرارتی همراه می‌شوند تا گرادیان دمایی را بهبود بخشند.
ریز توربین‌های بادی (micro wind turbine) برای برداشت انرژی موجود باد از محیط به صورت انرژی جنبشی برای تامین توان دستگاه‌های الکترونیکی کم توان مانند گره‌های سنسور بی‌سیم استفاده می‌شوند. هنگامی که هوا از میان پره‌های توربین جریان می‌یابد، یک اختلاف فشار خالص بین سرعت باد در بالا و پایین پره‌ها توسعه می‌یابد. این کار یک نیروی لیفت تولید می‌کند که باعث چرخش پره‌ها می‌شود.



کریستال‌ها یا الیاف پیزوالکتریک (piezoelectric) زمانی که به صورت مکانیکی تغییر شکل می‌یابند یک ولتاژ کوچک تولید می‌کنند. لرزش موتور، پاشنه کفش و یا فشار دادن یک دکمه می‌تواند مواد پیزوالکتریک را تحریک کند.

آنتن‌های ویژه می‌توانند انرژی را از امواج رادیویی سرگردان جمع‌آوری کنند. این کار می‌تواند به وسیله یک آنتن یک‌سوساز (rectifying antenna) یا رکتنا (Rectenna) و حتی به صورت تئوری در مورد امواج الکترومعناطیس با فرکانس بالاتر به وسیله یک نانتنا (Nantenna) که در واقع یک آنتن نانو (nano antenna) می‌باشد، انجام شود.
 

Similar threads

بالا