حصادة الطاقة الكهروإجهادية تعد باستبدال البطارية

“بشكل عام ، مع التطور السريع لإنترنت الأشياء (IoT) ، توفر حصادات الطاقة الكهرضغطية العديد من الفوائد والآفاق لتنفيذ التطبيقات والنهوض بها مثل المنازل الذكية والمدن الذكية والصحة الذكية والنقل الذكي والزراعة الذكية. تعد حصادات الطاقة الكهروإجهادية حلاً هامًا وواعدًا لتطوير عُقد نهائية جديدة ذاتية التوجيه وذاتية التشغيل قادرة على العمل لفترات أطول من الوقت دون الحاجة إلى شحن البطارية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تقلل التكاليف عن طريق تأخير وقت استبدال البطارية بشكل كبير ، ويمكن لتقنيات حصاد الطاقة هذه تحسين مرونة جميع أنظمة إنترنت الأشياء.

“

المؤلف: Yin Fei من شركة Maimus Consulting

مبادئ الإدخال / الإخراج الأساسية لمولدات الطاقة الكهرضغطية (المصدر: Arveni)

مشاكل البطاريات القياسية

وفقًا لـ Memes Consulting ، أدى الانخفاض الكبير في استهلاك طاقة المستشعر وحجمه إلى إجراء بحث مكثف حول مصادر الطاقة التي يمكن استخدامها لتكملة البطاريات أو استبدالها. تم الاستياء من البطاريات لأنه يجب شحنها قبل استخدامها. وبالمثل ، تتطلب مستشعرات الشبكة الموزعة ومكونات جمع البيانات مصدر طاقة مركزيًا للعمل. في عدد قليل من التطبيقات ، قد يكون شحن البطارية أو استبدالها مكلفًا أو حتى غير عملي ، مثل أجهزة الاستشعار لمراقبة الصحة الهيكلية في المواقع البعيدة أو مستشعرات الرطوبة أو درجة الحرارة في المناطق المحلية. يمكن أن يكون استبدال البطاريات مشروعًا مستهلكًا للوقت ومكلفًا في شبكات الاستشعار واسعة النطاق وتضاريس التثبيت الخطيرة والواسعة. ومن الأمثلة على ذلك شبكات الاستشعار المدمجة في المدن الكبرى.

لبديل

بشكل منطقي ، في هذه الحالات ، ينصب التركيز على بناء مولدات في الموقع يمكنها تحويل أي طاقة متوفرة في الموقع إلى كهرباء. في الآونة الأخيرة ، أدت التطورات في مجال VLSI منخفضة الطاقة إلى إنشاء دوائر متكاملة منخفضة الطاقة للغاية تعمل بالنانووات إلى ميكرو واط من الطاقة. يمهد هذا التطوير واسع النطاق الطريق لتقنيات تجميع الطاقة على نطاق الرقائق ، مما يلغي الحاجة إلى البطاريات الكيميائية أو الأسلاك المعقدة لأجهزة الاستشعار الدقيقة ، ويضع الأساس لتطوير أجهزة استشعار تعمل بالطاقة الذاتية وأجهزة الشبكات.

بديل للبطاريات القياسية هو استخدام الطاقة المتبقية في المنطقة المحيطة بالدائرة. يتم توليد الطاقة الفائضة عن طريق الآلات الصناعية والأنشطة البشرية والسيارات والمباني والموارد البيئية ، وكلها يمكن استخدامها لحصاد كميات صغيرة من الطاقة دون التأثير على الطاقة نفسها. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يوفر حصاد الطاقة أيضًا حلاً للمناخات القاسية حيث تكون البطاريات غير مناسبة ، مثل تلك التي تزيد درجات الحرارة فيها عن 60 درجة مئوية. في السنوات الأخيرة ، تم تطوير العديد من أنظمة حصاد الطاقة من الميكرومتر إلى مقياس النانومتر ، بما في ذلك الطاقة الشمسية ، والكهرومغناطيسية ، والكهرومغناطيسية ، والسعة ، والكهرباء الانضغاطية.

محول كهرضغطية

يمكن لجميع المحولات الكهرومغناطيسية والكهربائية الانضغاطية والكهرباء الساكنة تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. ومع ذلك ، نظرًا لارتفاع كثافة الطاقة لمحولات الطاقة الكهرضغطية ، تعتبر محولات الطاقة الكهرضغطية هي الخيار الأكثر مثالية مقارنة بالنوعين الآخرين من محولات الطاقة. تتميز محولات الطاقة الكهرضغطية بالعديد من المزايا مقارنة بالمحولات الكهروستاتيكية:

1. تظل كثافة الطاقة للمواد الكهرضغطية مرتفعة حتى عند تقليل سماكة الفيلم ، مما يتيح تصغير الجهاز.
2. محولات الطاقة الكهرضغطية تعمل بجهد منخفض.
3. يزيد اتصال المكونات الميكانيكية والكهربائية من إمكانية تجميع الطاقة.
4. من السهل إنشاء أنظمة رنين عالية التردد ودرجة الحرارة مستقرة.

نوع المواد الكهربائية الانضغاطية

تشير “مادة كهرضغطية” إلى فئة من المواد الصلبة القادرة على توليد شحنة كهربائية عند تطبيق إجهاد ميكانيكي. بشكل عام ، يتم تصنيفها على أنها غير عضوية أو عضوية. الخزف الكهروإجهادي والبلورات الكهروإجهادية المفردة هي المواد غير العضوية الكهروإجهادية الأكثر استخدامًا. تشتمل المواد العضوية الكهرضغطية بشكل أساسي على بوليمرات مثل فلوريد البولي فينيلدين. كما لوحظ أن بعض الهياكل النانوية العضوية ، مثل الأسلاك النانوية والأنابيب النانوية والجسيمات النانوية ، تُظهر نشاطًا كهرضغطية.

بالإضافة إلى تصنيفات المواد المذكورة أعلاه ، تُستخدم أيضًا الهياكل النانوية ذات الثوابت الكهربائية عالية الجهد لحصاد الطاقة بالمقياس النانوي. لحصاد الطاقة على نطاق واسع ، تكون مواد الأجهزة الكهروإجهادية في الغالب عبارة عن سيراميك كهرضغطية ، بينما تم تطوير البوليمرات الكهروضغطية بسرعة بسبب وزنها الخفيف وصغر حجمها. بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي البلورات المفردة الكهروإجهادية على ثوابت كهرضغطية أصغر وثوابت عازلة من السيراميك الكهرضغطية. في المقابل ، تحتوي البوليمرات الكهرضغطية على إجهاد صغير وثوابت كهرضغطية على الرغم من كثافتها المنخفضة ومقاومتها المنخفضة. بالمقارنة مع المادتين المذكورتين أعلاه ، فإن للسيراميك الكهرضغطية المزايا التالية:

1. أكبر ثوابت كهرضغطية وعازلة.
2. ارتفاع ليونة الشكل.
3. من السهل تعديل تركيبة المواد ، مما يوسع احتمالات تطبيق المادة.

تحسين الأداء

ميزة كبيرة. تم تطوير العديد من عمليات التصنيع لدمج المواد الكهرضغطية المعقدة في حصادات الطاقة لتحسين أداء مخرجاتها باستمرار. تستغل حصادات طاقة الاهتزاز قدرة المواد الكهرضغطية لتوليد مجالات كهربائية عند تطبيق الاهتزازات الخارجية والمحفزات الميكانيكية. من ناحية أخرى ، فإن سعة التسارع ومدى التردد لمصادر الاهتزاز المحيطة أقل عمومًا من أوضاع تشغيل حصادات الطاقة الكهرضغطية. علاوة على ذلك ، تنتج معظم أنظمة حصادات الطاقة الكهرضغطية القائمة على الاهتزاز طاقة قليلة جدًا بسبب القيود المفروضة على طاقة الإدخال وعرض النطاق الترددي التشغيلي وأداء الإخراج. لذلك ، أصبح تحسين الأداء وتوسيع النطاق الترددي التشغيلي من أولويات البحث الرئيسية والعاجلة. تعتبر الطرق المتقدمة ضرورية لتحسين أدائها وتوسيع نطاق تردد التشغيل الفعال.

الخاتمة

بشكل عام ، مع التطور السريع لإنترنت الأشياء (IoT) ، توفر حصادات الطاقة الكهرضغطية العديد من الفوائد والآفاق لتنفيذ التطبيقات والنهوض بها مثل المنازل الذكية والمدن الذكية والصحة الذكية والنقل الذكي والزراعة الذكية. تعد حصادات الطاقة الكهروإجهادية حلاً هامًا وواعدًا لتطوير عُقد نهائية جديدة ذاتية التوجيه وذاتية التشغيل قادرة على العمل لفترات أطول من الوقت دون الحاجة إلى شحن البطارية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تقلل التكاليف عن طريق تأخير وقت استبدال البطارية بشكل كبير ، ويمكن لتقنيات حصاد الطاقة هذه تحسين مرونة جميع أنظمة إنترنت الأشياء.