Аннотация:
Исследовательские группы из Университета Арканзаса и Мичиганского университета недавно продемонстрировали новую технологию. Они разработали устройство для сбора энергии на основе графена, которое собирает энергию окружающего электромагнитного излучения, генерируемого окружающими линиями электропередачи, и преобразует ее в электрическую энергию для датчиков мощности, обеспечивая независимую работу без батарей или линий электропитания.
Исследователи использовали эту технологию для создания беспроводной системы мониторинга температуры, которая включает в себя графеновый сборщик энергии, схему преобразования энергии, накопительный конденсатор энергии и датчик температуры сверхмалой мощности. Вся система получает питание за счет электромагнитной индукции и может выполнять задачу определения температуры, не полагаясь на традиционные батареи.
Принцип работы основан на изменении магнитного поля, создаваемого переменным током. Когда электрический ток проходит по проводу, он создает вокруг себя магнитное поле, а переменный ток продолжает менять направление и интенсивность, таким образом непрерывно высвобождая изменяющееся магнитное поле, несущее энергию. В энергосистеме США это изменение обычно происходит до 60 раз в секунду. Исследовательская группа использовала эти ранее забытые источники энергии для обеспечения непрерывного питания независимых устройств.
Чтобы уловить энергию магнитного поля, исследователи использовали графен для создания индукторов и добавили стальной сердечник, чтобы улучшить возможности сбора магнитного поля. Когда устройство размещается рядом с линией электропередачи, изменяющееся магнитное поле вокруг провода проходит через индуктор и индуцирует на нем слабое переменное напряжение. Этот процесс основан на том же принципе электромагнитной индукции, который используется в традиционных трансформаторах и генераторах.
Однако первоначально генерируемые электрические сигналы не могут напрямую управлять электронными устройствами. С одной стороны, это переменный ток, а для датчика требуется постоянный ток; с другой стороны, уровень его напряжения далек от достаточного. С этой целью исследовательская группа разработала схему преобразования мощности на основе удвоителя напряжения Кокрофта-Уолтона, которая преобразует переменный ток в постоянный и постепенно увеличивает напряжение до уровня, пригодного для использования датчиком.
В отличие от традиционных решений, в этой системе не используются аккумуляторные батареи, а используются три конденсатора для хранения собранной электрической энергии. Конденсатор постепенно накапливает заряд, и исследователи говорят, что сборщик энергии восполняет энергию быстрее, чем ее потребляет датчик температуры, что позволяет системе поддерживать долгосрочную работу.
Даже после повышения напряжения и накопления энергии масштаб получаемой таким образом мощности все еще очень мал. Чтобы адаптироваться к этому ограничению, исследовательская группа специально разработала датчик температуры со сверхмалым энергопотреблением, потребляемая мощность которого находится всего на уровне нановатт, что составляет одну миллиардную долю ватта. По имеющимся данным, устройство потребляет примерно в 30 миллионов раз меньше энергии, чем гарнитура AirPods.
Исследователи заявили, что, хотя графеновый индуктор не собирает энергию быстро, ее все же достаточно для постоянного пополнения энергии, запасенной в конденсаторе. Пока поблизости находится достаточный источник электромагнитной энергии, система теоретически может работать бесконечно. В то же время конденсатор также может хранить избыточное электричество, так что даже если окружающее питание временно прервется, устройство все равно сможет продолжать работать. По оценкам команды, накопленный заряд может поддерживать работу датчика в течение как минимум 24 часов, а в некоторых случаях ожидается, что его хватит даже на неделю.
Профессор Пол Сибадо, руководитель исследования, отметил, что, хотя скорость, с которой индуктор пополняет заряд конденсатора, медленная, она все же выше, чем скорость, с которой датчик потребляет энергию. Поэтому даже после отключения электроэнергии система может продолжать работать более длительный период времени за счет энергии, запасенной в конденсаторе.
Исследовательская группа считает, что эта технология хорошо подходит для сетей мониторинга температуры на крупных промышленных объектах. Вокруг заводов, трубопроводных систем и различного механического оборудования часто приходится размещать тысячи датчиков. Традиционные решения либо требуют сложной проводки источника питания, либо требуют частой замены батареи. Ожидается, что с внедрением новых технологий большое количество датчиков будут работать в течение длительного времени без проводов или необходимости обслуживания батарей.
Однако исследователи также подчеркнули ограничения технологии. Во-первых, устройство должно быть расположено вблизи меняющегося магнитного поля, достаточно сильного, чтобы оно не могло генерировать электричество из воздуха в любой среде. Во-вторых, текущие эксперименты не доказали, что система может запуститься самостоятельно в состоянии полного нулевого энергопотребления. В процессе тестирования конденсатор необходимо предварительно зарядить и заранее запрограммировать процессор. Кроме того, выходная мощность системы чрезвычайно низка и в настоящее время может управлять только специально разработанными датчиками сверхмалого энергопотребления, чего недостаточно для питания обычных электронных устройств, таких как смартфоны.
Тем не менее, команда считает, что это достижение открывает важное направление для развития датчиков с автономным питанием в будущем. Помимо мониторинга температуры, подобные технологии также могут использоваться во многих областях, таких как отслеживание продуктов, мониторинг атмосферной среды, управление логистическим парком, мониторинг почвы, носимые медицинские устройства и медицинское отслеживание в будущем.
В то же время исследователи также изучают возможность использования акустической энергии, нелинейной энергии, солнечной энергии, тепловой энергии, кинетической энергии и других источников излучения окружающей среды для выработки электроэнергии, надеясь в конечном итоге разработать автономную сенсорную систему, которая сможет одновременно получать энергию от нескольких источников энергии окружающей среды для достижения действительно долгосрочной и не требующей обслуживания работы.
Соответствующие результаты исследования были опубликованы в журнале Journal of Vacuum Science and Technology.
Комментарии