Aktuální vydání

celé číslo

11

2020

Systémy řízení výroby a výrobních podniků

Elektrické, pneumatické a hydraulické pohony

celé číslo

Elektrická energie z chvění a rozdílů teploty

Získávání elektrického napětí a proudu z energie, která nás obklopuje – v zahraničí často označované jako „sklízení energie“ (energy harvesting, Energieernten) – patří v poslední době k důležitým metodám při hledání způsobu, jak dosáhnout energetické nezávislosti elektronických přístrojů.

S využitím typických forem energie, které jsou k dispozici v našem bezprostředním okolí, jako např. teplo, světlo a pohyb, lze získat elektrický výkon o velikosti několika set mikrowattů až několika miliwattů. Není to mnoho, ale pro napájení malých elektronických zařízení to stačí a na nepřístupných nebo vzdálených místech to umožní zajistit jejich provoz bez baterií a komplikací s napájecími kabely.

Možnostmi napájení elektronických obvodů a přístrojů elektrickou energii získanou z vibrací a rozdílů teploty předmětů v jejich bezprostředním okolí se již několik let velmi intenzivně zabývají odborníci Fraunhoferova ústavu pro integrované obvody IIS (Institut für Integrierte Schaltungen) v Erlangenu. Jako klíčovou komponentu pro tyto nové napájecí zdroje, tzv. Energy Harvesting Systems (Erntemaschinen), byl v ústavu s vy­užitím metody Maximum Power Point Tracker vyvinut speciální optimalizovaný polovodičový měnič napětí DC/DC [1].

K získání elektrické energie z tepla se používají termoelektrické generátory využívající fyzikální jev známý jako Seebeckův jev, který spočívá ve vzniku elektrického napětí mezi dvěma konci vodiče (polovodiče) s rozdílnou teplotou. Termoelektrické generátory tedy využívají rozdíl teplot pro přímou přeměnu tepelné energie na elektrickou. Vznikající napětí je velmi malé, závisí na použitém materiálu a velikosti teplotního rozdílu a vyžaduje velmi šetrné zpracování. S měničem napětí DC/DC vyvinutým ve Fraunhoferově ústavu IIS lze v praxi využít již rozdíly teploty o velikosti 1 až 2 °C, tedy např. rozdíl mezi lidskou pokožkou a okolím (obr. 1).

Podobně lze s využitím piezoelektrického jevu přeměnit na elektrickou energii také silové účinky mechanické energie, jako jsou vibrace, tlak nebo zrychlení. Uvedený měnič napětí DC/DC vyvinutý v IIS podobně umožňuje využít ke generování elektrické energie např. již tak minimální vibrace, jaké vznikají za běžného používání stavebních konstrukcí. To mimo jiné umožní vestavět přímo do důležitých stavebních konstrukcí (mostů, přehrad aj.) autarkní senzory pro sledování jejich bezpečnostních parametrů a zajistit pro ně provozní napětí.

Malé zařízení na „sklízení“ energie, které velmi účinně přeměňuje mechanickou energii z okolí na elektrický proud a navíc je velmi robustní, vyvinula také společnost Siemens [2]. Jeho základem je snímač vibrací s vlastní frekvencí automaticky nastavitelnou po­dle proměnlivé frekvence okolních pohybů a s integrovaným piezokeramickým generátorem proudu (obr. 2). Senzory napájené proudem z takového zdroje by mohly např. snímat a bezdrátově vysílat data o geografické poloze přepravních kontejnerů se zbožím včetně údajů o stavu prostředí a zboží uvnitř kontejneru.

Při použití nových systémů k získávání elektrické energie z okolního prostředí lze napájet různé elektronické přístroje, jako např. transpondéry pro RFID, snímače na nepřístupných místech, displeje apod. Zajímavé použití v průmyslu představují např. sítě bezdrátových snímačů pro sledování stavu strojů a strojních celků (condition monitoring) ve velkém podniku, snímače pro měření tlaku v pneumatikách nebo bezdrátové vypínače a stmívače světla pro automatizaci budov, domů a domácností. Široké uplatnění mají systémy pro získávání energie z okolního prostředí také v medicíně, v logistice, ve stavebnictví i v oblasti spotřebního zboží. Vždyť třeba i mobilní telefony by se mohly v budoucnu obejít bez akumulátorové baterie a veškerou energii pro provoz získávat z tepla ruky uživatele. Fraunhoferův ústav IIS nabízí zájemcům jednotlivé komponenty i hotové snadno přizpůsobitelné systémy pro integraci do zákaznických přístrojů a zařízení. Některé zajímavé ukázky techniky pro „sklízení“ energie prezentoval Fraunhoferův ústav IIS na veletrhu Sensor+Test v červnu 2011 v Norinberku.

 Literatura:

[1] Energiegewinnung aus Vibrationen und Temperaturunterschieden – neuartige Lösungsansätze des Energy Harvesting. Presseinforma­tion Fraunhofer IIS, 6. června 2011.

[2] Erntemaschine für Strom aus Umgebungsenergie. Presseinformation Siemens AG, 27. března 2011.

(Kab.)

Obr. 1. Termoelektrický generátor mění teplo lidské ruky na elektrickou energii při výkonu asi 2 mW (foto: Fraunhofer IIS)

Obr. 2. Zařízení pro „sklízení“ energie generuje z mechanických vibrací – dobře patrných na sklenici s vodou – elektrický proud postačující k rozsvícení světelné diody (foto: Siemens)