Съвременни Energy Harvesting технологии, компоненти и решения – част 1

• Терминът Energy Harvesting често се асоциира със събирането на енергия от природни източници – слънце, вятър, вода, геотермални източници, естествени химични/биологични процеси
  
  
• Обикновено при Energy Harvesting системите няма постоянно захранване или батерия, а се използва кондензатор, който се зарежда на регулярни или случайни интервали от външен източник на енергия
  
  
• Паразитното използване на енергия (scavenging) от съществуващи локални или глобални радиомрежи (WiFi, GSM, Bluetooth, FM, ISM) може да се причисли към Energy Harvesting технологиите

Димитър Колев

В общия случай под понятието Energy Harvesting (EH) се разбира процес на събиране и акумулиране на малки количества вторична енергия, съхранението на тази енергия без значителни загуби за по-кратък или по-дълъг период от време, както и последващото й трансформиране в напрежение, подходящо за захранване на стандартни електронни системи. Типичен пример е захранването на температурен сензор, който се “събужда” в определен интервал от време, през което контролер извършва измерването, записва и/или предава измерените данни и сензорът отново “заспива”. Очакваният автономен живот на подобни сензори може да варира от няколко часа до десетки години в зависимост от честотата на измерване и наличното пространство за захранващ източник. Обикновено при Energy Harvesting системите няма постоянно захранване или батерия, а се използва кондензатор, който се зарежда на регулярни или случайни интервали от външен източник на енергия.

Energy Harvesting често се асоциира със събирането на енергия от природни източници – слънце, вятър, вода, геотермални източници, естествени химични/биологични процеси. Към природните източници може да добавим и естествени или нарочни движения, генерираната топлина и физиологичните процеси на човешко или животинско тяло. Също така могат да се използват и комерсиални и индустриални “паразитни” източници на енергия – вибрации, изкуствена светлина, остатъчна топлина, електромагнитни емисии и други.

За разлика от “силовитеv установки, като полета с фотоволтаични панели, централи и вятърни генератори, Energy Harvesting елементите, които събират енергията обикновено, имат ограничена площ, например 10 cm2 (или по-малко). Те могат да представляват малка по размер слънчева батерия, пиезорезонатор, електромеханичен или термоелектричен генератор. Независимо от ограничения размер, модерните EH преобразуватели притежават ефективни повишаващи ключови (импулсни) захранвания, които стартират дори при минимални нива на входното напрежение (например 15 mV), и започват зареждане на съответните външни кондензатори и батерии до нужното за нормална работа напрежение. При захранване на външните консуматори се следи изходното напрежение и при спадането му под съответна граница захранването към консуматора се спира, като кондензаторите/батериите се предпазват от утечки и пълен разряд. Това от своя страна води до по-кратко време за готовност при последващо зареждане. Примерно сравнение между типични EH източници и крайни консуматори според конкретното приложение е дадено на Фиг.1

Energy Harvesting генератори

Примери за захранващи компоненти в една Energy Harvesting система (EH генератори) са представени в таблица 1.

• Фотоволтаици (Photo-voltaic, PV cells) – генерират напрежение при излагане на слънчева или изкуствена светлина.
  
  
• Термоелектрични генератори (Thermo electric generators, TEG, известни и под името елементи на Пелтие, Peltier elements). Генерират напрежение при наличие на разлика в температурите между двете стени на елемента. Например поставяне на елемента върху геотермален източник и околен въздух с по-ниска температура или дори използване на температурата на човешко или животинско тяло.
  
  
• Пиезоелектрични (Piezoelectric, PZT) – генерират напрежение при периодична механична еластична деформация и връщане в първоначално състояние. За това е нужно излагане на вибрации, натиск, разтегляне/свиване, удар и т.н.
  
  
• Електромагнитни (ЕМ), кинетични – използват единично или периодично движение на магнит през намотка, което генерира напрежение (Фиг. 2).
  
  
• Бактериални или микробиални горивни клетки (Microbial fuel cells, MFC) – използват биологични процеси в отпадни или индустриални води за генериране на напрежение.
  
  
• Електрохимични – използване на химични реакции за генериране на напрежение.
  
  
• Паразитното използване на енергия (scavenging) от съществуващи локални или глобални радиомрежи (WiFi, GSM 2G/3G/4G/5G, Bluetooth, FM, ISM), както и захранване посредством RFID и NFC комуникация, също може да се причисли към Energy Harvesting технологиите.
  
  
• Интересен пример е използването на електромагнитен/кинетичен ЕH и Bluetooth beacon от OnSemi – при всяко натискане на ЕМ ЕH генератора, се добива достатъчно енергия за “събуждане” на микроконтролера, измерване на моментното напрежение и радиопредаване на измерените данни. Организация на платката и примерно приложение е дадено на фиг. 3.
  
  

Захранвания

След като е избран най-подходящият Energy Harvesting генератор, идва ред на подбора на оптимални преобразуватели или захранвания. Те трябва да конвертират и съхранят енергията, както и да регулират изходното напрежение, така че да може да се използва от стандартни електронни схеми (обикновено с работни напрежения 3,3/5 V или близки до тези стойности). Като основни типове те могат да бъдат разделени на повишаващи (Boost), понижаващи (Buck) и комбинирани (Boost-Buck). Примерен списък на типични съвременни интегрирани захранвания, подходящи за Energy Harvesting приложения, е даден в таблица 2.
Базовите изисквания към EH захранванията в интегрално изпълнение (интегрални схеми - ИС) са следните:

• Възможност за работа с един или няколко различни EH генератори;
  
  
• Работа с максимален обхват на входните напрежения, AC/DC. Старт при възможно по-ниско напрежение и максимално напрежение от няколко до стотици волта със съответно ограничение, предпазващо ИС от повреда;
  
  
• Минимална собствена консумация и минимални токове на утечка;
  
  
• Максимална ефективност при събиране и акумулиране на енергията от EH генераторите;
  
  
• Максимална ефективност при преобразуване на напреженията в повишаващ или понижаващ режим на работа. Възможност за оптимално следене и определяне на работния режим (Maximum Peak Power Tracking, MPPT);
  
  
• Гарантиране на зададеното изходно напрежение/ток в определени граници при постоянна или импулсна консумация;
  
  
• Запазване на минимално необходимото ниво в резервиращите кондензатори след първоначално зареждане. Това гарантира по-бързо второ и последващи зареждания;
  
  
• Възможност за работа с външна батерия или комбиниране на постоянно захранване при отпадане или твърде ниско изходно ниво на ЕH генератора;
  
  
• Възможност за серийна комуникация, управляващи изводи (Power Good, Reset), които да гарантират коректно захранване.
  
  

Статията продължава в следващия брой на сп. Инженеринг ревю