Human energy harvesting/pt

A coleta de energia humana é um termo usado para descrever o uso de sistemas que utilizam o corpo humano como a principal fonte de energia para gerar e armazenar energia (geralmente na forma de eletricidade). ^{[ 1 ]} Os sistemas de coleta de energia humana são frequentemente pequenos dispositivos autônomos sem fio, como aqueles usados ​​em eletrônicos vestíveis e redes de sensores sem fio. Atualmente, os coletores de energia humana não produzem energia suficiente para realizar trabalho mecânico, mas fornecem uma quantidade muito pequena de energia para alimentar eletrônicos de baixa energia. Embora o combustível de entrada para geração em larga escala custe dinheiro (petróleo, carvão, etc.), o "combustível" para os coletores de energia está naturalmente presente e, portanto, é considerado gratuito. Por exemplo, gradientes de temperatura existem a partir da operação de um motor de combustão e, em áreas urbanas, também há uma grande quantidade de energia eletromagnética no ambiente devido à transmissão de rádio e televisão.

Operação

Dispositivos de coleta de energia que convertem energia ambiente em energia elétrica têm atraído muito interesse tanto no setor militar quanto no comercial. Alguns sistemas convertem movimento, como o das ondas oceânicas, em eletricidade para ser usada por sensores de monitoramento oceanográfico para operação autônoma. Aplicações futuras podem incluir dispositivos de alta potência (ou conjuntos desses dispositivos) implantados em locais remotos para servir como usinas de energia confiáveis ​​para grandes sistemas. Outra aplicação é em eletrônicos vestíveis, onde dispositivos de coleta de energia podem alimentar ou recarregar celulares, computadores móveis, equipamentos de comunicação por rádio, etc. Todos esses dispositivos devem ser suficientemente robustos para suportar exposição prolongada a ambientes hostis e ter uma ampla faixa de sensibilidade dinâmica para explorar todo o espectro de movimentos das ondas.

Acumulando energia

A energia também pode ser colhida para alimentar pequenos sensores autônomos, como aqueles desenvolvidos usando a tecnologia MEMS. Esses sistemas geralmente são muito pequenos e requerem pouca energia, mas suas aplicações são limitadas pela dependência da energia da bateria. A coleta de energia de vibrações ambientais, vento, calor ou luz pode permitir que sensores inteligentes sejam funcionais indefinidamente. Vários grupos acadêmicos e comerciais têm se envolvido na análise e desenvolvimento de tecnologia de coleta de energia alimentada por vibração, incluindo o Grupo de Controle e Energia e o Grupo de Dispositivos Ópticos e Semicondutores do Imperial College London, IMEC e o Holst Centre parceiro, ^{[ 2 ]} MIT Boston, Georgia Tech, UC Berkeley, Southampton University, PMG Perpetuum, National University of Singapore e Columbia University. ^{[ 3 ]}

As densidades de potência típicas disponíveis em dispositivos de coleta de energia dependem muito da aplicação específica (afetando o tamanho do gerador) e do próprio projeto do gerador de coleta. Em geral, para dispositivos alimentados por movimento, os valores típicos são de algunsμW/cc para aplicações alimentadas pelo corpo humano e centenas deμW/cc para geradores alimentados por máquinas. ^{[ 4 ]}

Na prática, para dispositivos de recuperação de energia para eletrônicos vestíveis, a maioria dos dispositivos gera apenas alguns miliWatts de energia. ^{[ 5 ]}

Armazenamento de Energia

Em geral, a energia pode ser armazenada em um capacitor , supercapacitor ou bateria. As baterias usam energia química armazenada para fornecer energia aos usuários. Capacitores são usados ​​quando a aplicação precisa fornecer grandes picos de energia. As baterias vazam menos energia e, portanto, são usadas quando o dispositivo precisa fornecer um fluxo constante de energia.

Uso do poder

Em pequenas aplicações (eletrônicos vestíveis), a energia segue o seguinte circuito: após ser transformada (por exemplo, por um inversor CA/CC para CC/CC) e armazenada em um buffer de energia (por exemplo, uma bateria, condensador, capacitor, etc.), a energia viaja por um microprocessador (equipado com sensores opcionais) e é transmitida (geralmente sem fio).

Motivação

A história da coleta de energia remonta aos moinhos de vento e às rodas d'água. Há muitas décadas, as pessoas buscam maneiras de armazenar a energia do calor e das vibrações. Uma força motriz por trás da busca por novos dispositivos de coleta de energia é o desejo de alimentar redes de sensores e dispositivos móveis sem baterias. A coleta de energia também é motivada pelo desejo de abordar a questão das mudanças climáticas e do aquecimento global.

dispositivos

Existem muitas fontes de energia de pequena escala que geralmente não podem ser ampliadas para o tamanho industrial:

• Cristais ou fibras piezoelétricas geram uma pequena voltagem sempre que são deformados mecanicamente. A vibração de motores pode estimular materiais piezoelétricos, assim como o salto de um sapato.
• Alguns relógios de pulso já são alimentados por energia cinética (chamados de relógios cinéticos), neste caso, pelo movimento do braço. O movimento do braço faz com que o ímã no gerador eletromagnético se mova. O movimento fornece uma taxa de variação do fluxo, que resulta em alguma força eletromotriz induzida nas bobinas. O conceito está simplesmente relacionado à Lei de Faraday.
• Geradores termoelétricos (TEGs) consistem na junção de dois materiais diferentes e na presença de um gradiente térmico. Altas saídas de tensão são possíveis conectando muitas junções eletricamente em série e termicamente em paralelo. O desempenho típico é de 100-200 uV/grau C por junção. Eles podem ser utilizados para capturar mW de energia de equipamentos industriais, estruturas e até mesmo do corpo humano. Normalmente, são acoplados a dissipadores de calor para melhorar o gradiente de temperatura.
• Microturbinas eólicas são utilizadas para coletar energia eólica prontamente disponível no ambiente na forma de energia cinética para alimentar dispositivos eletrônicos de baixa potência, como nós de sensores sem fio. Quando o ar flui através das pás da turbina, uma diferença de pressão líquida é criada entre as velocidades do vento acima e abaixo das pás. Isso resulta em uma força de sustentação gerada que, por sua vez, gira as pás. Isso é conhecido como efeito aerodinâmico.
• Antenas especiais podem coletar energia de ondas de rádio dispersas ou, teoricamente, até mesmo de luz (radiação EM). ^{[ verificação necessária ]}

Fontes de radiação ambiente

Uma possível fonte de energia vem de transmissores de rádio onipresentes. Infelizmente, é necessária uma grande área de coleta ou proximidade da fonte emissora para obter níveis de potência úteis dessa fonte.

Uma ideia é transmitir deliberadamente energia de RF para alimentar dispositivos remotos: isso agora é comum em sistemas passivos de Identificação por Radiofrequência (RFID), mas a Comissão Federal de Segurança e Comunicações dos EUA (e órgãos equivalentes em todo o mundo) limitam a potência máxima que pode ser transmitida dessa maneira.

Colheita biomecânica

Coletores de energia biomecânicos também estão sendo criados. Um modelo atual é o coletor de energia biomecânico de Max Donelan, que se prende ao joelho. ^{[ 6 ]} Dispositivos como este permitem a geração de 2,5 watts de potência por joelho. Isso é suficiente para alimentar cerca de 5 celulares.

Colheita de energia piezoelétrica

O efeito piezoelétrico converte a deformação mecânica em corrente ou tensão elétrica. Essa deformação pode vir de diversas fontes. Movimento humano, vibrações sísmicas de baixa frequência e ruído acústico são exemplos comuns. Exceto em casos raros, o efeito piezoelétrico opera em corrente alternada (CA), exigindo entradas variáveis ​​no tempo em ressonância mecânica para ser eficiente.

A maioria das fontes de eletricidade piezoelétricas produz potência na ordem de miliwatts, potência insuficiente para aplicações em sistemas, mas suficiente para dispositivos portáteis, como alguns relógios de pulso automáticos disponíveis comercialmente. Uma proposta é que elas sejam utilizadas em dispositivos de microescala, como um dispositivo que coleta energia micro-hidráulica. Nesse dispositivo, o fluxo de fluido hidráulico pressurizado aciona um pistão reciprocante apoiado por três elementos piezoelétricos que convertem as flutuações de pressão em corrente alternada.

Os sistemas piezoelétricos podem converter o movimento do corpo humano em energia elétrica. A DARPA financiou esforços para aproveitar a energia do movimento das pernas e braços, impactos de calçados e pressão arterial para fornecer energia de baixo nível a sensores implantáveis ​​ou vestíveis. As nanoescovas do Dr. Zhong Lin Wang são outro exemplo de um coletor de energia piezoelétrico. ^{[ 7 ]} Eles podem ser integrados às roupas. Um design cuidadoso é necessário para minimizar o desconforto do usuário. Essas fontes de coleta de energia, por associação, têm um impacto no corpo. O Projeto de Recuperação de Energia de Vibração ^{[ 8 ]} é outro projeto criado para tentar recuperar energia elétrica de vibrações e movimentos ambientais.

O uso de materiais piezoelétricos para coletar energia já se tornou popular. Materiais piezoelétricos têm a capacidade de transformar energia de deformação mecânica em carga elétrica. Elementos piezoelétricos estão sendo incorporados em passarelas ^{[ 9 ] [ 10 ]} para recuperar a "energia humana" dos passos. Eles também podem ser incorporados em mochilas ^{[ 11 ]} e sapatos ^{[ 12 ]} para recuperar a "energia da caminhada".

Colheita de energia piroelétrica

O efeito piroelétrico converte uma mudança de temperatura em corrente elétrica ou voltagem. É análogo ao efeito piezoelétrico, que é outro tipo de comportamento ferroelétrico. Assim como a piezoeletricidade, a piroeletricidade requer entradas variáveis ​​no tempo e sofre com pequenas saídas de potência em aplicações de coleta de energia. Uma vantagem fundamental da piroeletricidade sobre a termoelétrica é que muitos materiais piroelétricos são estáveis ​​até 1200 °C ou mais, permitindo a coleta de energia de fontes de alta temperatura e, assim, aumentando a eficiência termodinâmica. Há um dispositivo de recuperação piroelétrica que foi introduzido recentemente, no entanto, que não requer entradas variáveis ​​no tempo. O dispositivo de coleta de energia usa o campo elétrico despolarizante de borda de um piroelétrico aquecido para converter energia térmica em energia mecânica em vez de extrair corrente elétrica de duas placas fixadas nas faces do cristal. Além disso, os estágios do novo motor térmico piroelétrico podem ser conectados em cascata para melhorar a eficiência de Carnot. ^{[ 13 ]}

Termoelétricas

Em 1821, Thomas Johann Seebeck descobriu que um gradiente térmico formado entre dois condutores diferentes produz uma voltagem. No cerne do efeito termoelétrico está o fato de que um gradiente de temperatura em um material condutor resulta em fluxo de calor; isso resulta na difusão de portadores de carga. O fluxo de portadores de carga entre as regiões quente e fria, por sua vez, cria uma diferença de voltagem. Em 1834, Jean Charles Athanase Peltier descobriu que a passagem de uma corrente elétrica pela junção de dois condutores diferentes poderia, dependendo da direção do fluxo de corrente, fazer com que ela atuasse como um aquecedor ou resfriador. O calor absorvido ou produzido é proporcional à corrente, e a constante de proporcionalidade é conhecida como coeficiente de Peltier. Hoje, devido ao conhecimento dos efeitos Seebeck e Peltier, materiais termoelétricos podem ser usados ​​como aquecedores, resfriadores e geradores (TEGs).

Materiais termoelétricos ideais apresentam alto coeficiente de Seebeck, alta condutividade elétrica e baixa condutividade térmica. Uma baixa condutividade térmica é necessária para manter um alto gradiente térmico na junção. Os módulos termoelétricos padrão fabricados atualmente consistem em semicondutores de telureto de bismuto dopados com P e N, intercalados entre duas placas cerâmicas metalizadas. As placas cerâmicas adicionam rigidez e isolamento elétrico ao sistema. Os semicondutores são conectados eletricamente em série e termicamente em paralelo.

Foram desenvolvidos termopares em miniatura que convertem o calor do corpo em eletricidade e geram 40 μW a 3 V com um gradiente de temperatura de 5 graus, enquanto na outra extremidade da escala, grandes termopares são usados ​​em baterias RTG nucleares.

Exemplos práticos são o medidor de frequência cardíaca de dedo do Holst Centre e os termogeradores da Fraunhofer Gesellschaft. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

Vantagens das termoelétricas:

1. A ausência de peças móveis permite operação contínua por muitos anos. A Tellurex (uma empresa de produção termoelétrica) afirma que as termoelétricas são capazes de operar em regime permanente por mais de 100.000 horas.
2. As termoelétricas não contêm materiais que precisam ser reabastecidos.
3. Aquecimento e resfriamento podem ser revertidos.

Uma desvantagem da conversão de energia termoelétrica é a baixa eficiência (atualmente inferior a 10%). O desenvolvimento de materiais capazes de operar em gradientes de temperatura mais elevados e que conduzam bem a eletricidade sem também conduzir calor (algo que até recentemente era considerado impossível) resultará em maior eficiência.

Trabalhos futuros em termoelétricas podem ser converter calor desperdiçado, como na combustão de motores de automóveis, em eletricidade.

Colheita de energia eletromagnética

Esta técnica ganha potência à medida que ímãs vibratórios passam por uma bobina. Um exemplo são os sistemas da PMG Perpetuum, que são utilizados na indústria petroquímica. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

Colheita de energia eletrostática (capacitiva)

Este tipo de coleta baseia-se na capacitância variável de varactores dependentes de vibração. As vibrações separam as placas de um varactor inicialmente carregado (capacitor variável) e a energia mecânica é convertida em energia elétrica. Um exemplo de coletor de energia eletrostática com armazenamento de energia incorporado é a Bateria Cinética de Potência M2E . Outro exemplo é o Dispositivo Integrado de Energia Flexível (FIED) do CSIRO ^{[ 18 ].}

Colheita de energia do açúcar no sangue

Outra forma de captação de energia é por meio da oxidação de açúcares no sangue. Esses coletores de energia são chamados de biocélulas de combustível. Elas podem ser usadas para alimentar dispositivos eletrônicos implantados (por exemplo, marca-passos, biossensores implantados para diabéticos, dispositivos RFID ativos implantados, etc.). Atualmente, o Grupo Minteer da Universidade de Saint Louis criou enzimas que podem ser usadas para gerar energia a partir de açúcares no sangue. No entanto, as enzimas ainda precisariam ser substituídas após alguns anos. ^{[ 19 ]}

Colheita de energia metabólica das árvores

A Voltree desenvolveu um método para coletar energia de árvores. Esses coletores de energia estão sendo usados ​​para alimentar sensores remotos e redes mesh como base para um sistema de implantação de longo prazo para monitorar incêndios florestais e o clima na floresta. Seu site afirma que a vida útil de tal dispositivo deve ser limitada apenas pela vida útil da árvore à qual está conectado. Recentemente, eles implantaram uma pequena rede de teste em uma floresta de um Parque Nacional dos EUA. ^{[ 20 ]}

Direções futuras

Polímeros eletroativos (EAPs) têm sido propostos para coleta de energia. Esses polímeros apresentam alta deformação, densidade de energia elástica e alta eficiência de conversão de energia. Propõe-se que o peso total dos sistemas baseados em EAPs seja significativamente menor do que aqueles baseados em materiais piezoelétricos.

Nanogeradores, como o fabricado pela Georgia Tech, podem fornecer uma nova maneira de alimentar dispositivos sem baterias. ^{[ 21 ]} Embora atualmente (2008) ele gere apenas algumas dezenas de nanowatts, o que é muito baixo para qualquer aplicação.

Veja também

• Pofvolrtal:Energ
• Geradores Termoelétricos Automotivos
• EnOceano
• Desenvolvimento energético futuro
• IEEE 802.15 Banda Ultra Larga (UWB)
• Lista de recursos energéticos
• Lista de tópicos de energia
• Peltier
• Sistema de Localização em Tempo Real (RTL)
• Carregador solar
• Termogerador
• Rede de sensores ubíqua
• Veículos aéreos não tripulados podem ser movidos por coleta de energia.
• Transferência de energia sem fio
• Motor de ar quente termoacústico

Referências

Links externos

Revisão geral

• Uma comparação de técnicas de coleta de energia e problemas relacionados ao armazenamento de energia
• Recuperação de energia para eletrônicos móveis e sem fio
• A coleta de energia ambiente tornará os dispositivos embarcados autônomos
• Anais dos workshops do PowerMEMS
• Atualização diária dos últimos desenvolvimentos do setor
• Centro de Sistemas de Materiais para Captação de Energia
• Coleta de energia para sistema de monitoramento de saúde vestível autoalimentado
• Diário de Colheita de Energia
• White Paper da Sentilla: Captação de Energia

Movimento/Vibração

• Captação de energia a partir do movimento humano e de máquinas para dispositivos eletrônicos sem fio

Piezoelétrico

• Tutorial de Cerâmica Piezo
• Captação de energia com compósitos de fibras cerâmicas piezoelétricas
• Buscando energia
• Trabalho piezotermoacústico de calor->som->eletricidade realizado pela Symko em Utah

Fotovoltaica

• Luque, Antonio. Manual de Ciência e Engenharia Fotovoltaica c2003 John Wiley and Sons.
• Características estruturais e fotoeletroquímicas do eletrodo nanocristalino de ZnO com Eosina-Y

Termopar

• Desenvolvimento de termopares cerâmicos de película fina para ambientes de alta temperatura
• Uma introdução à termoelétrica

Vento

• Um novo método de coleta de energia eólica por meio de vibração piezoelétrica para sensores autônomos de baixa potência

Direções futuras

• Centro de Materiais e Sistemas de Captação de Energia
• [ Polímeros eletrostritivos para coleta de energia mecânica ]
• Dupla do MIT vê "fazenda coletiva" movida por pessoas em 25 de julho de 2007
• Coleta de energia para futuros UAVs .
• Projeto de etiquetas ativas em rede para coleta de energia na Universidade de Columbia