Zaawansowane metody pobierania energii z otoczenia z myślą o zasilaniu urządzeń IoT
Fundamentem czwartej rewolucji przemysłowej jest internet rzeczy (IoT), który łączy miliardy urządzeń za pośrednictwem sieci mobilnych z bezprecedensową mocą obliczeniową, pojemnością pamięci i natychmiastowym dostępem do informacji. Nie pozostaje to bez wpływu na światowe branże, zmuszając organizacje do reorganizacji i optymalizacji operacji poprzez wykorzystanie przełomowych technologii, takich jak sztuczna inteligencja, komunikacja bezprzewodowa i obliczenia kwantowe.
Główne wyzwania: efektywność energetyczna i autonomia
Integracja tych technologii z rozwiązaniami codziennego użytku nie jest jednak prostym zadaniem. Podstawową przeszkodą jest brak niezawodnych rozwiązań energetycznych do zasilania tych systemów. Różnorodne zastosowania, takie jak monitorowanie medyczne i środowiskowe, automatyka przemysłowa, bezprzewodowe sieci czujników, inteligentny transport i monitorowanie infrastruktury, w coraz większym stopniu opierają się na zminiaturyzowanych urządzeniach o bardzo niskim poborze mocy. Urządzenia tego typu zwiększają wymagania w zakresie efektywności energetycznej i autonomii. Konwencjonalne akumulatory często nie są w stanie sprostać tym wymaganiom, zwłaszcza w przypadku urządzeń wymagających niezależności energetycznej przez dłuższy czas. Z tego względu pilnie poszukuje się innowacyjnych rozwiązań w zakresie zasilania, a jedną z obiecujących alternatyw stało się pobieranie energii z otoczenia.
Zaawansowane rozwiązania w zakresie energii
W ramach finansowanego ze środków UE projektu NANO-EH z powodzeniem opracowano platformę pozyskującą energię z wielu źródeł, opartą na inteligentnych nanomateriałach i innowacyjnych nanostrukturach. Projekt umożliwił przełożenie najnowocześniejszych badań na rozwiązania inżynieryjne, przyczyniając się do opracowania wydajnych i skalowalnych procesów produkcyjnych. Zespół projektu NANO-EH wykorzystał cztery klasy inteligentnych nanomateriałów, które nie zawierają ołowiu ani metali ziem rzadkich. Wykazał on również, że nadają się one do recyklingu na poziomie poszczególnych modułów. „Godnym uwagi osiągnięciem jest potwierdzenie słuszności koncepcji bezprzewodowych urządzeń pobierających energię z otoczenia, które wykorzystują nanoskalowe ferroelektryki tlenkowe działające w szerokim zakresie powszechnie używanych częstotliwości komunikacji bezprzewodowej”, podkreśla Mircea Gabriel Modreanu, koordynator projektu. W pracach wykorzystano częstotliwości 2,45 GHz, 24–27 GHz i 60 GHz. Istotnym elementem projektu było wykorzystanie do pozyskiwania energii zjawiska piroelektrycznego – właściwości umożliwiającej niektórym materiałom wytwarzanie ładunku elektrycznego w odpowiedzi na zmiany temperatury – co zapewniło tym samym materiałom zdolność przechowywania zebranej energii w superkondensatorach. Oznacza to, że materiały te umożliwiają skuteczne łączenie funkcji pobierania i magazynowania energii w ramach jednego spójnego systemu.
Adaptacyjne systemy pobierania energii z wielu źródeł
Zespół projektu pracował również nad rozszerzeniem możliwości swojej platformy technologicznej dzięki integracji różnorodnych rozwiązań energetycznych, takich jak sferyczne ogniwa słoneczne, tanie ogniwa słoneczne oparte na MoO3, piezoelektryczne urządzenia pobierające energię oraz ekologiczne, wysokosprawne ogniwa elektrochemiczne. Dzięki zdolności dostosowywania się do warunków otoczenia system opracowany w ramach projektu NANO-EH zapewnia efektywne i zrównoważone wykorzystanie energii. „Wprowadziliśmy przełomową metodę pozyskiwania energii na żądanie, która umożliwia wybór najbardziej odpowiedniego źródła energii – lub kombinacji źródeł – w oparciu o zasoby dostępne w danym środowisku”, mówi Modreanu.
Zrównoważone rozwiązanie energetyczne dla IoT
W wielu sektorach notuje się gwałtowny wzrost zapotrzebowania na bezakumulatorowe urządzenia o ultraniskim poborze mocy. Projekt NANO-EH pomaga uporać się z problemem fragmentacji rynku układów zasilania dla urządzeń IoT poprzez wprowadzenie platformy kompatybilnej z planarnymi technologiami opartymi na krzemie, która zapewnia udaną integrację z istniejącymi systemami. Modreanu podsumowuje znaczenie projektu NANO-EH: „Biorąc pod uwagę 35 miliardów urządzeń IoT, które mają zostać wdrożone do 2035 roku, zapotrzebowanie na niezawodne, zrównoważone moduły zasilania będzie rosło w tempie wykładniczym. Dzięki niedrogiej i łatwej do wdrożenia platformie technologicznej projekt NANO-EH przeciera szlaki dla innowacyjnych rozwiązań energetycznych, które poradzą sobie z tą szybką ekspansją”.
Słowa kluczowe
NANO-EH, pobieranie energii z otoczenia, IoT, internet rzeczy, inteligentne nanomateriały, czwarta rewolucja przemysłowa, superkondensatory