Получение электроэнергии от радиоволн — миф или реальность?
Электронные устройства постепенно внедряются в повседневную жизнь, и, конечно, им всем требуется энергия в той или иной форме для работы. К счастью, энергия окружает нас во многих формах. Энергия может быть преобразована из ветра, света, движущихся объектов, даже используя оставшуюся энергию высокочастотных радиопередач. Поскольку мир становится все более электронным по своей природе, становится все более целесообразным повторно использовать энергию, когда она доступна, например, в радиочастотных / микроволновых сигналах, для установления более эффективного общего использования энергии.
Сбор энергии, вероятно, наиболее известен в приложениях, которые используют солнечный свет в качестве источника энергии. Специально для устройств, которые требуют лишь небольшого количества энергии для работы, солнечный свет может быть преобразован в достаточное для работы постоянное напряжения с помощью относительно небольших солнечных батарей.
В малонаселенных районах часто можно увидеть, что крыши некоторых домов покрыты солнечными батареями, мощности которых вполне хватает, чтобы обеспечить дом электроэнергией, в некоторых случаях и продавать ее энергокомпаниям. Точно так же в областях, где открытые равнины обеспечивают воздействие относительно сильных ветров, например на Среднем Западе Соединенных Штатов, нет ничего необычного в том, чтобы увидеть ветряные турбины, которые могут превращать ветер в «почти бесплатные» источники электрической энергии.
На сегодняшний день солнечный свет, скорее всего, является наиболее популярным источником альтернативной энергии, который можно преобразовать в постоянное напряжение. Компании, такие как Analog Devices, Silicon Laboratories и Texas Instruments, предлагают обширные линейки беспроводных приемопередатчиков, генераторов и других высокочастотных компонентов для солнечных батарей. Кроме того, EnOcean разработала серию переключателей с автономным питанием, которые питаются от солнечных источников, а также многих микросхем, которые используют беспроводную связь на частотах ISM для выполнения управляющих функций в солнечной энергетике.
Не столь широко распространенным, но быстро растущим по популярности, является процесс сбора энергии от радиочастотных / сверхширокополосных сигналов, таких как радио- / телевизионные радиостанции и беспроводное оборудование. Сбор энергии таким способом позволяет заменить батареи в приложениях с низким энергопотреблением, таких как датчики систем интернет вещей (IoT) и метки радиочастотной идентификации (RFID). Повторное использование энергии может сократить эксплуатационные расходы и повысить эффективность существующих электронных систем и устройств.
Сбор энергии от радиочастотных / сверхширокополосных сигналов является четким процессом. Это может быть выполнено с помощью интегральных схем (ИС), содержащих основные компоненты, такие как радиоприемники и повышающие преобразователи, которые преобразуют энергию РЧ-сигнала от антенны в переменное или постоянное напряжение, а затем передают энергию на устройство хранения энергии, такое как аккумуляторная батарея или конденсатор.
Коммерческие радиочастотные приемники энергии, такие как P210B Powerharvester от Powercast Corp., обеспечивают возможность преобразования РЧ-сигналов в постоянное напряжение. Это приемник, предназначенный для использования в нижней части промышленной, научной и медицинской (ISM) полосы (от 902 до 928 МГц).
С помощью антенны P2110B может
обрабатывать входные радиочастотные уровни от -12 до +10 дБм, преобразовывать
их в напряжение постоянного тока и сохранять энергию в конденсаторе для
использования по мере необходимости. Низкая чувствительность позволяет
эффективно собирать энергию даже на значительных расстояниях от источника
радиочастот. Компактное устройство является примером доступной в настоящее
время технологии сбора энергии радиочастот, которая позволяет управлять
питанием небольших электронных устройств без батареи.
P2110B использует свой внутренний конденсатор как часть собственного контролируемого процесса преобразования энергии. Регулируемые уровни напряжения от сборщика энергии могут быть установлены от +2,0 В до +5,5 В постоянного тока при максимальном токе 50 мА. Выходное напряжение микросхемы отдает запасенную энергию, когда на конденсаторе достигнут высокий порог заряда. Когда энергия, запасенная в конденсаторе, падает до порога низкого напряжения, выходное напряжение от P2110B отключается. Как предполагает производитель, микропроцессор может использоваться со сборщиком энергии для оптимизации энергопотребления и повышения производительности подключенных электронных устройств, таких как датчики.
Учитывая ожидаемый быстрый рост беспроводных датчиков IoT и потребность в удаленных беспроводных датчиках в сотовых сетях 5G, сбор энергии, несомненно, будет принимать различные формы, в том числе от фотоэлектрических и термоэлектрических источников. Одним из таких примеров является ИС для сбора энергии из фотоэлектрических источников.
AEM10940 от e-peas semiconductors, разработанная для использования с солнечными батареями, может подавать два независимых регулируемых напряжения, чтобы продлить срок службы батареи или даже устранить потребность в батарее в электронной системе управления стабилизацией точки максимальной мощности.
Совсем недавно эта же фирма
разработала пару полупроводниковых устройств, модели AEM30940 и AEM40940, для
извлечения энергии из радиочастотных источников. Оба оснащены встроенными
повышающими преобразователями, которые заряжают батареи и конденсаторы и
предназначены для извлечения энергии из сигналов ISM-диапазона с низким
энергопотреблением. AEM30940 может работать с низкими уровнями входного
радиосигнала: –18,2 дБм с 863 до 868 МГц и с 915 до 921 МГц, –14 дБм с 2110 до 2170
МГц и –9,5 дБм с 2,4 до 2,5 ГГц. Устройство поверхностного монтажа, имеет
конфигурационные контакты для упрощения реализации различных режимов работы, а
также корпусные контакты низкого и высокого напряжения для подачи полного
диапазона напряжений от 50 мВ до 5 В.
AEM40940 извлекает мощность переменного тока из источников радиочастотного сигнала, создавая два независимо регулируемых выходных напряжения. Он включает в себя выпрямитель с низким энергопотреблением и повышающий преобразователь в пластиковом четырехплоскостном корпусе размером всего 5 × 5 мм. Он может использоваться на частотах ISM 868 МГц, 915 МГц и 2,45 ГГц и при уровнях входной мощности от -20 до +10 дБм. Радиочастотный сборщик энергии (или харвестер) обладает относительно высокой общей эффективностью (измеряемой от входного порта до выходного сигнала повышающего преобразователя) — обычно выше 20% для уровней входной мощности от -20 до 0 дБм на частотах 868 и 915 МГц и, как правило, выше 10% для входа на уровне мощности от -10 до +5 дБм при 2,45 ГГц.
Устройства сбора энергии в настоящее время доступны для многих различных источников энергии, включая солнечный свет, ветер, движение, температуру, даже для захвата электромагнитных волн от тепла тела пользователя. Возможности варьируются для каждого подхода к сбору, при этом солнечная энергия остается самой популярной и эффективной формой сбора энергии уже в окружающей среде.
Новая технология, использующая энергию радиоволн, позволит электронным устройствам обходиться без батарей и аккумуляторов » DailyTechInfo
Наступление реальности, наполненной устройствами и вещами, связанными с Интернетом, стало на большой шаг ближе благодаря новой беспроводной коммуникационной системе, которая позволяет электронным устройствам обходиться без батарей, аккумуляторов и других источников энергии. Эта новая технология, разработанная учеными из Вашингтонского университета в Сиэтле, позволяет собирать и накапливать энергию окружающих радиоволн, превращая ее в электрическую энергию, необходимую электронным устройствам для их работы.
Группа ученых, возглавляемая профессором Шьям Голлакота (Shyam Gollakota), для доказательства работоспособности технологии изготовила опытные образцы электронных устройств, размером с кредитную карту каждое, которые способны работать и обмениваться информацией за счет радиосигналов телевизионного диапазона. Следящая система устройства способна обнаружить наличие телевизионного сигнала, определить направление его распространения и отразить его в нужном направлении, промодулировав его информацией, предназначенной для передачи на другое устройство.
«Наши устройства не излучают никаких сигналов, обмен информацией осуществляется только за счет отражения сигнала, еще одного отражения среди отражений сигналов от зданий, машин и деревьев. Мы лишь поглощаем малое количество энергии сигнала, который и так через какое-то малое время затухнет сам собой» — рассказывает профессор Голлакота.
Опытные образцы устройств, использующих сигналы телевизионного диапазона, способны устойчиво связываться друг с другом на расстоянии в несколько метров. Помимо этого, энергии, получаемой от энергии радиоволн, достаточно для обеспечения работы маленького микроконтроллера, управляющего работой устройства в целом, и для зажигания светодиодов, сигнализирующих о приеме данных от другого устройства.
Возможности применения такой технологии поистине безграничны, начиная от брелока на ключах, который способен сбросить на телефон владельца сообщение с указанием собственного местоположения, до множества датчиков, которые могут быть встроены в элементы конструкций зданий и сооружений, осуществляющих непрерывный мониторинг их состояния и сообщающих об обнаруженных неполадках.
«Поскольку такие устройства получают электроэнергию извне, вам не надо будет постоянно беспокоиться о смене их источников питания. Такие устройства, из разряда «установил и забыл», могут работать крайне долго, до момента их физического выхода из строя» — рассказывает Джошуа Смит (Joshua Smith), исследователь из Вашингтонского университета.
Помимо создания энергонезависимых и автономных электронных устройств, исследователи рассматривают новую технологию с точки зрения ее интеграции в конструкцию смартфонов и других портативных электронных устройств. Энергия, получаемая из энергии радиоволн, может использоваться для постоянной подзарядки аккумуляторных батарей, существенно увеличивая срок их службы. Помимо этого, этой энергии может быть достаточно для отсылки сообщения в случае какого-либо события, к примеру, полной разрядки аккумуляторной батареи.
Для того, чтобы сделать эту технологию соответствующей общей идее «Интернета вещей», исследователям предстоит проделать еще кое-какую работу. Во-первых, им потребуется существенно расширить радиочастотный диапазон охватываемый системой. Это позволит системе получать энергию не только от телевизионных сигналов, но и от передач радиостанций, от сигналов вышек сотовой связи и сетей беспроводной передачи информации. Такое расширение позволит обеспечить устойчивую связь между устройствами практически в любых условиях и увеличить количество электроэнергии, которая может быть использована электронным устройством в собственных нуждах.
Данная технология была представлена на конференции Data Communications 2013, которая проходила во вторник в Гонконге.
Ключевые слова:
Беспроводная, Связь, Электронное, Устройство, Радиосигнал, Отражение, Энергия, Электричество, Аккумулятор, Батарея
Первоисточник
Другие новости по теме:
Добавить свое объявление
Загрузка…
Исследователи собирают энергию радиоволн для питания носимых устройств — ScienceDaily
От микроволновых печей до соединений Wi-Fi, радиоволны, которые пронизывают окружающую среду, являются не только сигналами потребляемой энергии, но и самими источниками энергии. Международная группа исследователей во главе с Хуанью «Ларри» Ченгом, профессором развития карьеры Дороти Куиггл Департамента инженерных наук и механики штата Пенсильвания, разработала способ сбора энергии из радиоволн для питания носимых устройств.
Исследователи недавно опубликовали свой метод в Materials Today Physics.
По словам Ченга, современные источники энергии для носимых устройств для мониторинга здоровья имеют свое место в питании сенсорных устройств, но у каждого есть свои недостатки. Солнечная энергия, например, может собирать энергию только при воздействии солнца. Трибоэлектрическое устройство с автономным питанием может собирать энергию только тогда, когда тело находится в движении.
«Мы не хотим заменять какие-либо из этих нынешних источников энергии», — сказал Ченг. «Мы пытаемся обеспечить дополнительную постоянную энергию».
Исследователи разработали растяжимую широкополосную дипольную антенную систему, способную по беспроводной связи передавать данные, собранные с датчиков мониторинга состояния здоровья. Система состоит из двух растяжимых металлических антенн, встроенных в проводящий графеновый материал с металлическим покрытием. Широкополосная конструкция системы позволяет ей сохранять свои частотные функции даже при растяжении, изгибе и скручивании. Затем эта система подключается к растяжимой выпрямительной цепи, создавая выпрямленную антенну или «ректенну», способную преобразовывать энергию электромагнитных волн в электричество. Это электричество, которое можно использовать для питания беспроводных устройств или для зарядки накопителей энергии, таких как аккумуляторы и суперконденсаторы.
Эта ректенна может преобразовывать радио или электромагнитные волны из окружающей среды в энергию для питания сенсорных модулей устройства, которые отслеживают температуру, гидратацию и пульсовый уровень кислорода.
По сравнению с другими источниками производится меньше энергии, но система может генерировать энергию непрерывно, что, по словам Ченга, является значительным преимуществом.
«Мы используем энергию, которая уже окружает нас — радиоволны всегда и везде», — сказал Ченг. «Если мы не используем эту энергию, находящуюся в окружающей среде, она просто тратится впустую. Мы можем собрать эту энергию и преобразовать ее в энергию».
Ченг сказал, что эта технология является строительным блоком для него и его команды. Объединение его с их новым устройством беспроводной передачи данных обеспечит важнейший компонент, который будет работать с существующими сенсорными модулями команды.
«Нашими следующими шагами будут изучение миниатюрных версий этих схем и работа над расширением возможностей выпрямителя», — сказал Ченг. «Это платформа, на которой мы можем легко комбинировать и применять эту технологию с другими модулями, которые мы создали в прошлом. Она легко расширяется или адаптируется для других приложений, и мы планируем изучить эти возможности».
Проект по сбору энергии направлен на преобразование высокочастотных электромагнитных волн в полезную энергию | MIT News
Примечание. Эта статья была обновлена 18 декабря, чтобы уточнить, что сигналы Wi-Fi находятся в микроволновом диапазоне частот, а не в терагерцовом, как сообщалось изначально. Устройство, описанное в статье, будет преобразовывать энергию в диапазоне электромагнитных частот, включая терагерцовые волны и микроволны, для питания электронных устройств, таких как имплантаты. Однако этой энергии будет недостаточно для зарядки мобильных телефонов.
Терагерцовые волны представляют собой электромагнитное излучение с частотой где-то между микроволнами и инфракрасным излучением. Также известные как «Т-лучи», они производятся практически всем, что регистрирует температуру, включая наши собственные тела и неодушевленные предметы вокруг нас.
Терагерцовые волны проникают в нашу повседневную жизнь, и если их использовать, их концентрированная энергия потенциально может служить альтернативным источником энергии.
Однако на сегодняшний день не существует практического способа их захвата и преобразования в какую-либо пригодную для использования форму.
Физики из Массачусетского технологического института разработали проект устройства, которое, по их мнению, сможет преобразовывать терагерцовые волны в постоянный ток — форму электричества, питающую многие бытовые электронные устройства.
В их конструкции используется квантово-механическое или атомное поведение графена из углеродного материала. Они обнаружили, что при объединении графена с другим материалом, в данном случае с нитридом бора, электроны в графене должны исказить свое движение в общем направлении. Любые входящие терагерцовые волны должны «перебрасывать» электроны графена, как и многие крошечные авиадиспетчеры, чтобы течь через материал в одном направлении, как постоянный ток.
Сегодня исследователи опубликовали свои результаты в журнале Science Advances и работают с экспериментаторами, чтобы превратить их конструкцию в физическое устройство.
«Мы окружены электромагнитными волнами, — говорит ведущий автор Хироки Исобе, постдоктор Лаборатории исследования материалов Массачусетского технологического института. «Если мы сможем преобразовать эту энергию в источник энергии, который мы сможем использовать в повседневной жизни, это поможет решить энергетические проблемы, с которыми мы сталкиваемся прямо сейчас».
Соавторами Isobe являются Лян Фу, адъюнкт-профессор физики Лоуренса С. и Сары В. Биденхарн по развитию карьеры в Массачусетском технологическом институте; и Су-янг Сюй, бывший постдоктор Массачусетского технологического института, который сейчас является доцентом химии в Гарвардском университете.
Нарушение симметрии графена
В течение последнего десятилетия ученые искали способы сбора и преобразования энергии окружающей среды в полезную электрическую энергию. Они сделали это в основном с помощью выпрямителей, устройств, которые предназначены для преобразования электромагнитных волн из их колебательного (переменного) тока в постоянный ток.
Большинство выпрямителей предназначены для преобразования низкочастотных волн, таких как радиоволны, с использованием электрической цепи с диодами для создания электрического поля, которое может направлять радиоволны через устройство в виде постоянного тока. Эти выпрямители работают только до определенной частоты и не могут работать в терагерцовом диапазоне.
Несколько экспериментальных технологий, способных преобразовывать терагерцовые волны в постоянный ток, делают это только при сверхнизких температурах, что было бы трудно реализовать на практике.
Вместо того, чтобы превращать электромагнитные волны в постоянный ток, применяя внешнее электрическое поле в устройстве, Изобе задался вопросом, можно ли на квантово-механическом уровне заставить собственные электроны материала течь в одном направлении, чтобы направлять входящие терагерцовые волны. волны в постоянный ток.
Такой материал должен быть очень чистым или свободным от примесей, чтобы электроны в материале могли проходить сквозь него, не рассеиваясь на неровностях материала.
Графен, как он обнаружил, был идеальным исходным материалом.
Чтобы направить электроны графена в одном направлении, ему пришлось бы нарушить присущую материалу симметрию, или то, что физики называют «инверсией». Обычно электроны графена испытывают между собой равную силу, а это означает, что любая поступающая энергия будет симметрично рассеивать электроны во всех направлениях. Изобе искал способы сломать инверсию графена и вызвать асимметричный поток электронов в ответ на поступающую энергию.
Просматривая литературу, он обнаружил, что другие экспериментировали с графеном, помещая его поверх слоя нитрида бора, подобной сотовой решетке, состоящей из двух типов атомов — бора и азота. Они обнаружили, что при таком расположении силы между электронами графена были выведены из равновесия: электроны, расположенные ближе к бору, испытывали определенную силу, а электроны, расположенные ближе к азоту, испытывали другое притяжение. Общий эффект заключался в том, что физики называют «косым рассеянием», при котором облака электронов искажают свое движение в одном направлении.
Isobe разработал систематическое теоретическое исследование всех способов, которыми электроны в графене могут рассеиваться в сочетании с нижележащим субстратом, таким как нитрид бора, и как это рассеяние электронов повлияет на любые входящие электромагнитные волны, особенно в терагерцовом диапазоне частот.
Он обнаружил, что входящие терагерцовые волны заставляют электроны наклоняться в одном направлении, и это наклонное движение генерирует постоянный ток, если бы графен был относительно чистым. Если бы в графене существовало слишком много примесей, они действовали бы как препятствия на пути электронных облаков, заставляя эти облака рассеиваться во всех направлениях, а не двигаться как одно целое.
«При большом количестве примесей это асимметричное движение просто заканчивается колебанием, и любая поступающая терагерцовая энергия теряется из-за этих колебаний», — объясняет Изобе. «Поэтому мы хотим, чтобы чистый образец эффективно воспроизводил искаженное движение».
Одно направление
Они также обнаружили, что чем сильнее поступающая терагерцовая энергия, тем больше этой энергии устройство может преобразовать в постоянный ток. Это означает, что любое устройство, преобразующее Т-лучи, должно также включать способ концентрации этих волн до того, как они попадут в устройство.
Имея все это в виду, исследователи разработали чертеж терагерцового выпрямителя, который состоит из небольшого квадрата графена, расположенного поверх слоя нитрида бора и зажатого внутри антенны, которая будет собирать и концентрировать окружающее терагерцовое излучение, усиливая его сигнала достаточно, чтобы преобразовать его в постоянный ток.
«Это будет работать очень похоже на солнечную батарею, за исключением другого диапазона частот, для пассивного сбора и преобразования энергии окружающей среды», — говорит Фу.
Команда подала патент на новую конструкцию «высокочастотного выпрямления», и исследователи работают с физиками-экспериментаторами из Массачусетского технологического института над разработкой физического устройства на основе их конструкции, которое должно работать при комнатной температуре, а не при комнатной температуре.
сверхнизкие температуры, необходимые для предыдущих терагерцовых выпрямителей и детекторов.
«Если устройство работает при комнатной температуре, мы можем использовать его для многих портативных приложений», — говорит Изобе.
Он предвидит, что в ближайшем будущем терагерцовые выпрямители можно будет использовать, например, для беспроводного питания имплантатов в теле пациента без необходимости хирургического вмешательства для замены батарей имплантата.
«Мы берем квантовый материал с некоторой асимметрией на атомном уровне, который теперь можно использовать, что открывает множество возможностей», — говорит Фу.
Это исследование частично финансировалось Исследовательской лабораторией армии США и Исследовательским бюро армии США через Институт солдатских нанотехнологий (ISN).
Поделитесь этой новостной статьей:
Упоминания в прессе
Popular Mechanics
Корреспондент Popular Mechanics Кортни Линдер пишет, что исследователи Массачусетского технологического института разработали конструкцию устройства, которое может преобразовывать высокочастотные волны тетрагерца в постоянный ток.
