Kursy • Poradniki • Inspirujące DIY • Forum
Energy harvesting, czyli pozyskiwanie darmowej energii z otoczenia, to modny i ciekawy temat. Głównie dla elektroników, którzy chcieliby, aby ich urządzenia nie wymagały wymiany baterii.
Jednak czy energy harvesting faktycznie można nazwać darmową energią? Sprawdźmy, o co tutaj chodzi i gdzie ta technologia może się przydać.
Artykuł zawiera ogólne wprowadzenie do energy harvestingu, który od niedawna cieszy się ogromnym zainteresowaniem. Rzeczywiście, jest to temat intrygujący, głównie w kontekście Internetu Rzeczy (IoT), a także elektroniki noszonej (ang. wearables).
W tekście opisano podstawowe sposoby „pozyskiwania energii z otoczenia” oraz przedstawiono kluczowe problemy z tym związane. Ograniczenia nie powinny jednak zniechęcać, wręcz przeciwnie – powinny być wyzwaniem i zachęcać do podejmowania praktycznych prób w tym zakresie.
Mówiąc w skrócie, jest to pozyskiwanie niewielkich ilości energii elektrycznej z otoczenia – nie z baterii lub akumulatorów, tylko np. z fal radiowych lub przetworników piezoelektrycznych. Dzięki temu możliwe jest niejako „darmowe” zasilanie energooszczędnych urządzeń (np. czujników IoT).
Nie chodzi o wytwarzanie potężnych ilości energii i mocy rzędu kilowatów, tylko o źródła energii o mocy rzędu miliwatów, a nawet tylko mikrowatów.
Jak na razie nie ma dobrego polskiego odpowiednika dla określenia „energy harvesting”. Zasadniczo angielskie słowo harvesting kojarzy się ze żniwami, zbiorem mnóstwa plonów. Może dlatego w Polsce pojęcie energy harvestingu bywa czasami źle używane, tzn. w odniesieniu do pozyskiwania dużych ilości energii odnawialnej, co nazywa się „darmową energią” – to są jednak błędne wyobrażenia.
Przykładem energy harvestingu może być kalkulator zasilany m.in. za pomocą małego ogniwa słonecznego
W energy harvestingu nie chodzi o pozyskiwanie dużych, lecz małych, a często wręcz znikomych ilości energii. Taki sposób zasilania urządzeń nazywa się również „energy scavengingiem”, a to już kojarzy się inaczej: z grzebaniem w śmieciach i wynajdywaniem tam czegoś użytecznego. I właśnie głównie o to chodzi: o odzyskiwanie małych ilości energii tam, gdzie energia się marnuje, gdzie jest odpadem.
Znanym archaicznym przykładem energy harvestingu są mechaniczne zegarki automatyczne, czyli z mechanizmem nakręcającym sprężynę wskutek przypadkowych ruchów ręki. Warto wiedzieć, że od lat istnieją też zegarki elektroniczne (kwarcowe) zawierające podobny automat, który energię ruchów ręki zamienia na energię elektryczną napędzającą zegarek.
Zegarek Seiko Kinetic, w którym energia kinetyczna przekształcana jest na energię elektryczną za pomocą masy zamachowej (autor: C.Stadler/Bwag, CC-BY-SA-4.0)
Jak na razie energy harvesting nie jest sposobem na darmową energię, tylko przede wszystkim na zasilanie nowoczesnych energooszczędnych urządzeń elektronicznych tam, gdzie występują kłopoty z zastosowaniem klasycznych rozwiązań: zasilania przewodowego lub bateryjnego. Ogólnie biorąc, chodzi o rozwiązania pozwalające na pozbycie się kłopotliwych akumulatorów, wymagających częstego ładowania, oraz baterii, które z kolei wymagają okresowej wymiany.
Baterie alkaliczne i węglowo-cynkowe to jedne z najpopularniejszych baterii jednorazowych, które są dostępne w sprzedaży. Warto jednak znać też... Czytaj dalej »
Dla utrwalenia warto powtórzyć odpowiedź na to pytanie: otóż nie! Energy harvesting to rozmaite technologie pozwalające na pozyskiwanie z otoczenia niewielkich ilości energii przy zastosowaniu skomplikowanych (jak na razie), a więc także kosztownych rozwiązań technicznych.
Na początek należy uściślić, że choć często mówimy o „wytwarzaniu energii”, to według aktualnej wiedzy energii nie można ani tworzyć „z niczego”, ani nie można jej zniszczyć. Można tylko przetwarzać jedne formy energii w inne. Nas najbardziej interesuje energia elektryczna.
Jeżeli mówimy o wytwarzaniu energii, to chodzi tu o energię elektryczną, a dokładnie o przetwarzanie jakiejś innej formy energii na energię elektryczną.
Energy harvesting obejmuje różne sposoby zamiany innych rodzajów energii na energię elektryczną. Nie znaczy to, że w urządzeniach czy systemach energy harvestingu nie ma akumulatorów. Otóż prawie zawsze niezbędny jest jakiś lokalny magazyn energii w postaci kondensatora o dużej pojemności (np. superkondensatora) lub małego akumulatora. Kluczowe jest to, że akumulator jest obsługiwany przez scalony kontroler ładowania, nie wymaga obsługi człowieka, a energia potrzebna do jego naładowania jest pozyskiwana na różne sposoby z otoczenia.
Tematyka energy harvestingu w rzeczywistości obejmuje trzy dziedziny:
Do energy harvestingu zaliczamy instalacje fotowoltaiczne, ale tylko małe, o mocy co najwyżej liczonej w watach. W sumie jest to najłatwiejszy, najmniej kłopotliwy i najtańszy sposób pozyskiwania małych ilości energii. W najprostszym przypadku wystarczy nieduże ogniwo fotowoltaiczne, magazyn energii w postaci kondensatora o dużej pojemności lub akumulatorka, a do tego elektroniczny układ sterujący, którym w najzwyklejszej wersji może być dioda prostownicza.
Najprostszym przykładem energy harvestingu może być ogrodowa lampka solarna
Bardziej zaawansowany przykład widoczny jest na poniższej fotografii – to autonomiczny czujnik temperatury i wilgotności firmy EnOcean zasilany małym ogniwem fotowoltaicznym. Układ ten nie wymaga żadnego dodatkowego zasilania – przewód to antena, dzięki której moduł może przesyłać pomiary na odległość. To jest właśnie typowy energy harvesting w praktyce.
Czujnik EnOcean STM310, który nie wymaga zasilania (autor: EnOcean GmbH, Public Domain)
Pobudzającym wyobraźnię sposobem pozyskiwania energii elektrycznej jest też zastosowanie ogniw, a raczej modułów termoelektrycznych (zestawu termopar). Ogólnie rzecz ujmując, podgrzewana termopara wytwarza napięcie i prąd, czyli moc i energię elektryczną. Pojedyncza termopara ma niewielkie możliwości, ale zestaw wielu termopar może dostarczać znaczące ilości energii elektrycznej.
Produkowane są rozmaite tego rodzaju zestawy, nazywane zwykle TEG (ang. thermoelectric generator), czyli generatorami termoelektrycznymi. Koniecznie trzeba wiedzieć, że generatorem TEG może być każdy moduł Peltiera, o ile jego dwie strony będą mieć różne temperatury. Jednak popularne i tanie moduły Peltiera mają słabe właściwości, pracując w roli TEG, dlatego produkowane są zmodyfikowane, droższe wersje takich modułów, specjalnie przeznaczone do pracy właśnie w roli generatorów TEG.
Przykładowy moduł TEG (autor: Gerardtv, CC BY-SA 3.0)
Warunkiem pracy generatora TEG jest ciągłe utrzymywanie różnicy temperatur między dwiema stronami modułu, a to nie zawsze jest łatwe. Czasami wymaga to pewnej kreatywności, np. ciało człowieka zazwyczaj ma temperaturę różną od temperatury otoczenia – już taka mała różnica pozwala osiągnąć niewielkie ilości energii elektrycznej.
Możliwe, że w przyszłości ogniwa TEG będą mogły zasilać urządzenia, m.in. wykorzystując ciepło ludzkiego ciała (autor: Eun Jin Bae et al., CC-BY-4.0)
Problemem jest także to, że zwykle generator TEG wytwarza bardzo niskie napięcie (i duży prąd), które trzeba zwielokrotnić, co oznacza konieczność stosowania specyficznych przetwornic.
Dla wielu osób zaskakująca jest informacja, że źródłem energii elektrycznej mogą być elementy piezoelektryczne. Owszem, powszechnie wiadomo, że przy odkształcaniu piezoelektryki wytwarzają napięcie, ale zwykle nie łączymy tego ani z mocą, ani energią, gdyż piezoelektryki są izolatorami i generalnie mówimy tylko o napięciu, a nie o prądzie.
Piezoelektryki mogą wytwarzać wysokie napięcie lub odkształcać się pod wpływem zewnętrznego napięcia. Materiały piezoelektryczne używane... Czytaj dalej »
Ogólnie biorąc, piezoelektryki, odwrotnie niż termoelektryczne generatory TEG, wytwarzają wysokie napięcia i znikome prądy. Prądy są znikome, ale w sumie iloczyn napięcia i prądu daje znaczącą moc. Poniżej widoczny jest piezoelektryczny generator będący płytką chodnikową. Dzięki temu możliwe jest zbudowanie chodnika, który będzie generował prąd, gdy ktoś będzie nim szedł.
Przykładowy generator piezoelektryczny, po którym można chodzić (zdjęcie: Aliexpress)
Przy wykorzystaniu piezoelektrycznych przetworników energii trzeba również stosować odpowiednie, specjalizowane przetwornice, działające niejako odwrotnie niż przy TEG. Przetwornice, które wysokie napięcia z piezoelektryka przekształcą na niskie napięcia, rzędu co najwyżej kilku woltów, potrzebne do zasilania współczesnej elektroniki.
Jednorazowe odkształcenie piezoelektryka wytworzy wprawdzie napięcie, ale nie pozwoli to w ciągły sposób pozyskiwać energii. Do tego konieczne jest okresowe ich odkształcanie.
Można powiedzieć, że piezoelektryczne przetworniki energii generalnie mają słabą sprawność i warunkiem działania jest poddawanie ich – najprościej mówiąc – wibracjom (ściskaniu, rozciąganiu, skręcaniu, zginaniu). Wytwarzają one przebiegi zmienne, które trzeba wyprostować i zamienić na napięcie o niższej wartości. Ponadto akceptowalną skuteczność uzyskuje się tylko w warunkach rezonansu, ale tymi tematami nie będziemy się zajmować w ramach tego krótkiego artykułu.
Dla wielu elektroników ekscytująca jest informacja, że energię można pozyskiwać, i to niemal bez ograniczeń, z promieniowania radiowego i mikrofalowego. Przecież tak dużo mówi się o „zaśmieceniu” otoczenia „smogiem fal radiowych”. Wielu opowiada o nieprzebranych ilościach „darmowej energii z eteru” i wiąże to ze starymi eksperymentami Nikoli Tesli. Niektórzy nawet mówią przy tym o perpetuum mobile. Są to jednak kolejne mity rozpowszechniane przez laików.
Owszem, fale radiowe i mikrofalowe niosą energię, którą można wykorzystać, ale raczej tylko w pobliżu silnych nadajników. Poniższa fotografia pokazuje tego rodzaju przetwornik w wersji wearable. To tzw. rectenna, czyli antena z prostownikiem, która energię mikrofal zamienia na energię prądu stałego.
Rectenna może zamienić energię fal radiowych na energię elektryczną (autor: MW AHM, CC BY-SA 4.0)
Jednak generalnie w naszym „bardzo zaśmieconym eterze” zawartość tej energii „radiowej” jest i tak znikoma, wręcz śmiesznie mała. Daleko nam do tego, aby jakieś większe urządzenia mogły być zasilane w taki sposób na szeroką skalę. Aktualnie technologia ta jest głównie spotykana np. w tagach RFID i kartach zbliżeniowych. W obu przypadkach urządzenia te muszą znaleźć się blisko specjalnych nadajników. Nie są to urządzenia czerpiące energię z dowolnych, „ogólnodostępnych” fal radiowych.
Oprócz wyżej wymienionych trzech najbardziej znanych metod z energy harvestingiem wiążą się też inne sposoby pozyskiwania (małych ilości) energii elektrycznej. Na przykład z przepływu cieczy i gazów z zastosowaniem malutkich turbin wodnych – miniaturowych hydrogeneratorów.
Miniaturowe turbiny wodne (zdjęcie: Aliexpress)
W kontekście tego zagadnienia często pojawiają się również duże turbiny wiatrowe, takie jak ta widoczna poniżej. Tam w grę wchodzi zastosowanie prądnic, czyli metod związanych z wytwarzaniem napięć pod wpływem zmian pola magnetycznego. Jednak użycie wirujących turbin może oznaczać konieczność konserwacji, a więc brak podstawowej zalety, jaką ma być bezobsługowość.
Przykład niewielkiej instalacji z turbiną wiatrową i panelem fotowoltaicznym
Prowadzi się też badania nad możliwością wykorzystania osmozy i uzyskiwania energii elektrycznej np. z różnicy zasolenia wody morskiej i rzecznej (słodkiej). Wiele mówi się o rozmaitych biobateriach, działających na różnych zasadach, m.in. utleniania cukru zawartego we krwi… Jednak na razie trudno o praktyczne przykłady.
Do wytwarzania energii elektrycznej można wykorzystywać energię jądrową i rozpad promieniotwórczy – to jednak w praktyce wiąże się z generatorami TEG. Takie źródła zasilania są stosowane w sondach kosmicznych, w których rozpad promieniotwórczy powoduje wydzielanie energii cieplnej, co pozwala na wydajną pracę specjalizowanym generatorom TEG.
Oprócz paneli fotowoltaicznych sondy kosmiczne mogą być zasilane np. za pomocą generatorów TEG
Przy okazji można wspomnieć o odzyskiwaniu części energii cieplnej ze spalin w samochodach (ciepło odpadowe) oraz o próbach odzyskiwania sporych ilości energii przy hamowaniu pojazdów. To w zasadzie też można byłoby zaliczyć do energy harvestingu, ale w tych przypadkach w grę wchodzą stosunkowo duże ilości energii. Natomiast elektronika amatora najbardziej interesują sposoby zasilania energooszczędnych urządzeń, czujników IoT i urządzeń noszonych.
Warto pamiętać, że pojęcie energy harvestingu bywa stosowane niekonsekwentnie i często błędnie. Generalnie chodzi o pozyskiwanie niewielkich ilości energii elektrycznej z otoczenia za pomocą rozmaitych sposobów, z wykorzystaniem interesujących przetworników różnych form energii.
Dla elektronika energy harvesting to bardzo interesujący temat praktyczny, ponieważ dziś dostępnych jest szereg przetworników (m.in. termoelektrycznych i piezoelektrycznych) oraz szereg specjalnych scalonych układów przetwornic i sterowników, a także magazynów energii (superkondensatorów i akumulatorów). Warto zainteresować się szerzej tymi fascynującymi rozwiązaniami.
Piotr Górecki
Przeczytaj powiązane artykuły oraz aktualnie popularne wpisy lub losuj inny artykuł »
energia, fotwoltaika, superkondensator
Dołącz do 20 tysięcy osób, które otrzymują powiadomienia o nowych artykułach! Zapisz się, a otrzymasz PDF-y ze ściągami (m.in. na temat mocy, tranzystorów, diod i schematów) oraz listę inspirujących DIY z Arduino i RPi.
Trwa ładowanie komentarzy...