에너지 하베스팅

에너지 하베스팅(EH, Energy Harvesting)은 에너지가 외부 소스(예: 태양열, 열 에너지, 풍력 에너지, 염도 구배 및 운동 에너지, 주변 에너지)에서 파생된 후 소형 무선 자율 장치에서 사용하기 위해 저장되는 과정입니다. 웨어러블 전자 제품, 상태 모니터링 ^[1]및 무선 센서 네트워크에 사용되는 것과 같습니다.^[2]

에너지 수확기는 일반적으로 저에너지 전자 제품에 매우 적은 양의 전력을 제공합니다. 일부 대규모 에너지 발전에 투입되는 연료는 자원(석유, 석탄 등)을 필요로 하지만, 에너지 수확기의 에너지원은 주변 배경으로 존재합니다. 예를 들어, 연소 엔진의 작동으로 인한 온도 구배가 존재하고 도시 지역에서는 라디오 및 텔레비전 방송으로 인해 환경에 많은 양의 전자기 에너지가 존재합니다.

주변 에너지가 전기를 생산하는 데 사용된 첫 번째 예 중 하나는 전자기 방사선(EMR)을 성공적으로 사용하여 수정 라디오를 생성한 것입니다.

주변 EMR에서 에너지를 수확하는 원리는 기본 구성 요소로 입증할 수 있습니다.^[3]

작동

주변 에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지 수확 장치는 군사 및 상업 분야 모두에서 많은 관심을 끌었습니다. 일부 시스템은 해양파동과 같은 움직임을 해양학 모니터링 센서가 자율적으로 작동하기 위해 사용할 전기로 변환합니다. 미래의 애플리케이션은 대형 시스템의 신뢰할 수 있는 전력 스테이션 역할을 하기 위해 원격 위치에 배치된 고출력 출력 장치(또는 그러한 장치의 어레이)를 포함할 수 있습니다. 또 다른 응용 분야는 에너지 수집 장치가 휴대폰, 모바일 컴퓨터 및 무선 통신 장비에 전원을 공급하거나 충전할 수 있는 웨어러블 전자 제품입니다. 이러한 모든 장치는 적대적인 환경에 장기간 노출될 수 있을 정도로 충분히 견고해야 하며 파동 운동의 전체 스펙트럼을 활용할 수 있는 광범위한 동적 민감도를 가져야 합니다.

에너지축적

MEMS 기술을 사용하여 개발된 것과 같은 소형 자율 센서에 전력을 공급하기 위해 에너지를 수확할 수도 있습니다. 이러한 시스템은 종종 매우 작고 전력을 거의 필요로 하지 않지만 배터리 전력에 의존하기 때문에 용도가 제한됩니다. 주변 진동, 바람, 열 또는 빛에서 에너지를 제거하면 스마트 센서가 무한정 작동할 수 있습니다.

에너지 하베스팅 장치에서 사용할 수 있는 일반적인 전력 밀도는 특정 애플리케이션(발전기의 크기에 영향을 미치는)과 하베스팅 발전기의 설계 자체에 크게 의존합니다. 일반적으로, 동작 동력 장치의 경우, 일반적인 값은 인체 동력 애플리케이션의 경우 몇 μW/cm³, 기계로 구동되는 발전기의 경우 수백 μW³/cm입니다.^[4] 웨어러블 전자 제품을 위한 대부분의 에너지 절약 장치는 전력을 거의 생산하지 않습니다.^{[5][verification needed]}

전력저장

일반적으로 에너지는 축전기, 슈퍼 축전기 또는 배터리에 저장할 수 있습니다. 커패시터는 애플리케이션이 엄청난 에너지 스파이크를 제공해야 할 때 사용됩니다. 배터리는 에너지 누출이 적으므로 장치가 일정한 에너지 흐름을 제공해야 할 때 사용됩니다. 배터리의 이러한 측면은 사용되는 유형에 따라 다릅니다. 니켈 금속 하이드라이드와 같은 오래된 유형이 오늘날에도 널리 사용되지만 이러한 용도로 사용되는 일반적인 배터리 유형은 납산 또는 리튬 이온 배터리입니다. 슈퍼커패시터는 배터리와 비교할 때 충전-방전 주기가 사실상 무제한이므로 영원히 작동할 수 있으므로 IoT 및 무선 센서 장치에서 유지보수가 필요 없는 작동이 가능합니다.^[6]

동력의 사용

저전력 에너지 하베스팅에 대한 현재의 관심은 독립적인 센서 네트워크에 대한 것입니다. 이러한 애플리케이션에서 에너지 하베스팅 방식은 저장된 전력을 커패시터에 넣은 다음 마이크로프로세서 또는^[7] 데이터 전송에 사용하기 위해 두 번째 스토리지 커패시터 또는 배터리로 승압/조절합니다.^[8] 전력은 센서 애플리케이션에서 일반적으로 사용되며 데이터는 무선 방식을 통해 저장되거나 전송됩니다.^[9]

동기

새로운 에너지 수확 장치를 찾는 주요 원동력 중 하나는 외부 충전이나 서비스가 필요한 배터리 없이 센서 네트워크와 모바일 장치에 전원을 공급하려는 욕구입니다. 배터리는 제한된 수명, 환경 영향, 크기, 무게 및 비용과 같은 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 에너지 하베스팅 장치는 원격 감지, 웨어러블 전자 제품, 상태 모니터링 및 무선 센서 네트워크와 같이 낮은 전력 소비를 요구하는 애플리케이션에 대한 대체 또는 보완적인 전력 공급원을 제공할 수 있습니다. 에너지 하베스팅 장치는 배터리 수명을 연장하거나 일부 애플리케이션의 배터리 없는 작동을 가능하게 할 수도 있습니다.^[10]

에너지 수확의 또 다른 동기는 온실가스 배출과 화석연료 소비를 줄임으로써 기후변화 문제를 해결할 수 있는 가능성입니다. 에너지 수확 장치는 태양열, 열, 풍력 및 운동 에너지와 같이 환경에 풍부하고 어디에나 있는 재생 가능하고 깨끗한 에너지원을 활용할 수 있습니다. 에너지 하베스팅 장치는 또한 에너지 손실과 환경 영향을 유발하는 전력 전송 및 분배 시스템의 필요성을 줄일 수 있습니다. 따라서 에너지 수확 장치는 보다 지속 가능하고 탄력적인 에너지 시스템의 개발에 기여할 수 있습니다.^[11]

에너지원

일반적으로 산업 규모의 태양열, 풍력 또는 파력과 유사한 출력 측면에서 산업 규모로 확장할 수 없는 소규모 에너지원이 많이 있습니다.

• 어떤 손목시계는 걸을 때 팔의 움직임을 통해 발생하는 운동 에너지(자동 시계라고 함)로 작동합니다. 팔의 움직임은 시계의 메인 스프링을 감게 합니다. 세이코의 키네틱과 같은 다른 디자인은 느슨한 내부 영구 자석을 사용하여 전기를 생산합니다.
• 태양광 발전은 태양광 효과를 나타내는 반도체를 이용하여 태양 복사선을 직류 전기로 변환하여 전력을 생산하는 방법입니다. 태양광 발전은 태양광 물질을 포함하는 다수의 셀로 구성된 태양 전지 패널을 사용합니다. 태양광 발전은 산업 규모로 확장되었고 현재 대규모 태양열 농장이 존재합니다.
• 열전 발전기(TEG)는 서로 다른 두 물질의 접합과 열 구배의 존재로 구성됩니다. 많은 접점을 전기적으로 직렬과 열적으로 병렬로 연결하여 고전압 출력이 가능합니다. 일반적인 성능은 접합당 100~300μV/K입니다. 이들은 산업 장비, 구조물 및 인체에서 mW의 에너지를 포착하는 데 사용될 수 있습니다. 일반적으로 온도 구배를 향상시키기 위해 방열판과 결합됩니다.
• 마이크로 풍력 터빈은 환경에서 쉽게 사용할 수 있는 운동 에너지를 바람의 형태로 수확하여 무선 센서 노드와 같은 저전력 전자 장치에 연료를 공급하는 데 사용됩니다. 터빈의 블레이드를 가로질러 공기가 흐르면 블레이드 위와 아래의 풍속 사이에 알짜 압력 차이가 발생합니다. 그러면 양력이 발생하여 블레이드가 회전하게 됩니다. 풍력 발전소는 태양광 발전과 마찬가지로 산업 규모로 건설되어 상당한 양의 전기 에너지를 생산하는 데 사용되고 있습니다.
• 압전 결정이나 섬유는 기계적으로 변형될 때마다 작은 전압을 발생시킵니다. 엔진에서 나오는 진동은 신발 뒤꿈치나 버튼을 누르는 것과 같이 압전 물질을 자극할 수 있습니다.
• 특수 안테나는 떠다니는 전파로부터 에너지를 모을 수 있습니다.^[12] 이는 또한 렉테나(Rectenna)로도 수행할 수 있으며 이론적으로는 안테나(Nantenna)로 훨씬 더 높은 주파수의 전자파 방사선으로 수행할 수 있습니다.
• 자석과 코일 또는 압전 에너지 변환기를 사용하여 휴대용 전자 장치 또는 리모컨을 사용하는 동안 누르는 키의 전원을 사용하여 장치에 전원을 공급할 수 있습니다.^[13]
• 전자기 유도를 기반으로 한 진동 에너지 하베스팅은 가장 간단한 버전의 자석과 구리 코일을 사용하여 전기로 변환할 수 있는 전류를 생성합니다.
• 전기적으로 충전된 습도는 Amerst에 있는 매사추세츠 대학의 Jun Yao가 이끄는 그룹에 의해 발명된 나노포어 기반 장치인 Air-gen에서 전기를 생산합니다.^[14]

주변 방사선원

가능한 에너지원은 유비쿼터스 라디오 송신기에서 나옵니다. 역사적으로, 이 소스로부터 유용한 전력 레벨을 얻기 위해서는 넓은 수집 영역 또는 방사 무선 에너지 소스에 근접한 곳이 필요합니다. nantenna는 풍부한 자연 방사선(태양 복사 등)을 활용하여 이러한 한계를 극복할 수 있는 제안된 개발 중 하나입니다.

한 가지 아이디어는 RF 에너지를 의도적으로 전력으로 방송하고 원격 장치에서 정보를 수집하는 것입니다.^[8] 이는 현재 수동형 무선 주파수 식별(RFID) 시스템에서 일반적으로 사용되고 있지만, 안전 및 미국 연방 통신 위원회(및 전 세계의 동등한 기관)는 이러한 방식으로 전송할 수 있는 최대 전력을 민간용으로 제한합니다. 이 방법은 무선 센서 네트워크에서 개별 노드에 전원을 공급하는 데 사용되었습니다.^[15][6]

유체흐름

이 섹션에는 광고처럼 작성된 내용이 포함되어 있습니다. 홍보 내용 및 부적절한 외부 링크를 제거하고 중립적인 관점에서 작성한 백과사전 내용을 추가하여 개선할 수 있도록 도와주시기 바랍니다. (2020년 3월) (템플 제거 도움말)

공기 흐름은 다양한 터빈 및 비터빈 발전기 기술로 수확할 수 있습니다. 토우어 풍력 터빈과 공중 풍력 에너지 시스템(AWES)은 공기의 흐름을 채굴합니다. 태양광 패널(예: HVAC 덕트)에 적합하지 않은 저조도 환경에서 작동할 수 있는 발전기와 함께 이 공간에서 기술을 개발하는 여러 회사가 있습니다. 확장 가능한 기술은 주어진 애플리케이션의 에너지 요구 사항과 설계 제약 조건을 충족하도록 최적화될 수 있습니다.

혈액의 흐름은 장치에 전원을 공급하는 데 사용될 수도 있습니다. 예를 들어, 베른 대학에서 개발된 심박측정기는 혈류를 이용하여 스프링을 감아 전기 마이크로 발전기를 구동시킵니다.^[16]

높은 에너지 변환 효율과 높은 전력 밀도를 가진 수상 에너지 하베스팅은 트랜지스터와 같은 구조를 가진 발전기의 설계로 이루어졌습니다.^[17][18]

광발전

태양광(PV) 에너지 하베스팅 무선 기술은 유선 또는 단독 배터리로 구동되는 센서 솔루션에 비해 상당한 이점을 제공합니다. 환경에 미치는 악영향이 거의 없거나 거의 없는 사실상 무한한 전력 공급원입니다. 실내 PV 하베스팅 솔루션은 지금까지 Solar Calculator에서 가장 많이 사용되는 기술인 특별히 조정된 비정질 실리콘(aSi)에 의해 구동되었습니다. 최근 몇 년 동안 염료 감응형 태양 전지(DSSC)와 같은 에너지 하베스팅 분야에서 새로운 PV 기술이 전면에 등장했습니다. 염료는 식물의 엽록소처럼 빛을 흡수합니다. 충격으로 방출된 전자는 TiO₂ 층으로 탈출하여 전해질을 통해 확산됩니다. 염료를 가시 스펙트럼으로 조정할 수 있기 때문에 훨씬 더 높은 전력을 생산할 수 있습니다. 200룩스에서 DSSC는 cm당² 10μW 이상을 제공할 수 있습니다.

압전성

압전 효과는 기계적 변형을 전류 또는 전압으로 변환합니다. 이 균주는 다양한 출처에서 발생할 수 있습니다. 사람의 움직임, 저주파 지진 진동 및 음향 소음이 일상적인 예입니다. 드문 경우를 제외하고는 기계적 공진에서 시간 가변 입력이 효율적으로 작동해야 하는 압전 효과가 AC에서 작동합니다.

대부분의 압전 전기원은 밀리와트 정도의 전력을 생산하는데, 이는 시스템 적용에는 너무 작지만 일부 상용 자가 권선 손목시계와 같은 핸드헬드 장치에는 충분합니다. 한 가지 제안은 마이크로 유압 에너지를 수확하는 장치와 같은 마이크로 스케일 장치에 사용된다는 것입니다. 이 장치에서 가압된 유압 유체의 흐름은 압력 변동을 교류로 변환하는 3개의 압전 소자에 의해 지지되는 왕복 피스톤을 구동합니다.

피에조 에너지 하베스팅은 1990년대 후반 이후에야 조사되었기 때문에 여전히 신흥 기술로 남아 있습니다.^[19][20] 그럼에도 불구하고, 스핀오프 아르베니에 의해 구현된 INSA 공대의 자가 동력 전자 스위치로 몇 가지 흥미로운 개선이 이루어졌습니다. 2006년에는 배터리가 없는 무선 초인종 누름 버튼의 개념 증명이 만들어졌고, 최근에는 피에조 하베스터로 고전적인 무선 벽 스위치를 구동할 수 있다는 제품이 나왔습니다. 2000년에서 2005년 사이에는 ^[21]진동으로부터 에너지를 수집하고 센서를 공급하거나 충격으로부터 에너지를 수집하기 위한 다른 산업 응용 프로그램이 등장했습니다.^[22]

압전 시스템은 인체의 움직임을 전력으로 변환할 수 있습니다. DARPA는 낮은 수준의 전력을 위해 다리와 팔의 움직임, 신발 충격 및 혈압에서 이식 가능한 센서 또는 착용 가능한 센서로 에너지를 활용하기 위한 노력에 자금을 지원했습니다. 나노 브러시는 압전 에너지 하베스터의 또 다른 예입니다.^[23] 그들은 옷에 통합될 수 있습니다. 에너지 수확 장치를 구축하기 위해 다른 여러 나노 구조가 이용되었습니다. 예를 들어, 2016년에 단결정 PMN-PT 나노벨트가 제작되어 압전 에너지 수확기로 조립되었습니다.^[24] 사용자의 불편함을 최소화하기 위해 세심한 설계가 필요합니다. 연관성에 의한 이러한 에너지 수확원은 신체에 영향을 미칩니다. 진동 에너지 제거 프로젝트는^[25] 환경의 진동과 움직임으로부터 전기 에너지를 제거하기 위해 설치된 또 다른 프로젝트입니다. 마이크로벨트는 호흡에서 전기를 모으는 데 사용할 수 있습니다.^[26] 또한, 사람의 움직임의 진동이 3방향으로 오기 때문에 1:2 내부 공진을 이용하여 압전 캔틸레버 기반의 전방향 에너지 하베스터가 하나 생성됩니다.^[27] 마침내 밀리미터 규모의 압전 에너지 하베스터도 이미 제작되었습니다.^[28]

피에조 소자가 보행로에^[29][30][31] 내장되어 발 디딤의 "사람 에너지"를 회복하고 있습니다. 그것들은 또한 "걷는 에너지"를 회복하기 위해 신발에^[32] 내장될 수 있습니다. MIT 연구진은 2005년 박막 PZT를 이용한 최초의 마이크로 스케일 압전 에너지 하베스터를 개발했습니다.^[33] 아르만 하자티(Arman Hajati)와 김상국(Kim Sang-Gook)은 이중 클램프 미세전기기계시스템(MEMS) 공진기의 비선형 강성을 이용하여 초광대역 초소형 압전 에너지 하베스팅 소자를 개발하였습니다. 이중 클램프 빔의 신축 변형률은 비선형 강성을 보여주며, 이는 수동 피드백을 제공하고 진폭 강화 더핑 모드 공진을 초래합니다.^[34] 상기 에너지 하베스팅 시스템에는 통상적으로 압전 캔틸레버(piezo cantilever)가 채택됩니다. 한 가지 단점은 압전 캔틸레버가 기울기 변형률 분포(gradient strain distribution)를 가지는데, 즉 압전 변환기가 충분히 사용되지 않는다는 것입니다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 균일한 변형률 분포를 위해 삼각형 형상과 L형 형상의 캔틸레버를 제안합니다.^[35][36][37]

2018년, Suchow University 연구원들은 상호 전극을 공유하여 마찰 전기 나노 발전기와 실리콘 태양 전지를 혼성화하는 것을 보고했습니다. 이 장치는 태양 에너지를 수집하거나 떨어지는 빗방울의 기계적 에너지를 전기로 변환할 수 있습니다.^[38]

영국 통신회사 오렌지 UK는 에너지 수확 티셔츠와 부츠를 만들었습니다.^[when?] 다른 회사들도 마찬가지였습니다.^{[39][40][importance?]}

스마트 도로 및 압전 에너지

피에르 퀴리와 자크 퀴리 형제는 1880년에 압전 효과에 대한 개념을 제시했습니다.^[41] 압전 효과는 기계적 변형을 전압 또는 전류로 변환하고 그림과 같이 움직임, 무게, 진동 및 온도 변화로부터 전기 에너지를 생성합니다.

박막 납 티탄산 지르코늄 ${\displaystyle \mathrm{Pb}}$(${\displaystyle \mathrm{Zr},}$ ${\displaystyle \mathrm{Ti})}$ ${\displaystyle {O\mathrm{}}_{}}$ 3 ${\$에서 압전 효과 고려$O_{3}}$ PZT$$, 미세전자기계시스템(MEMS) 발전장치가 개발되었습니다. Aqsa Abbasi)는 최근 압전 기술이 향상되는 동안 진동 변환기에서$$ ${\displaystyle {\mathrm{d31}}_{}}$ ${\$과 ${\displaystyle {\mathrm{d33}}_{}}$ ${\$라고 불리는 두 가지 모드를 구별하고 외부 진동 에너지원에서 특정 주파수에서 공진하도록 재설계하였습니다. 따라서 전기 기계적 감쇠 질량을 사용하여 압전 효과를 통해 전기 에너지를 생성합니다.^[47] 그러나 Aqsa는 일반적인 실리콘 처리가 PZT 필름을 필요로 하지 않는 더 많은 마스크 단계를 포함하기 때문에 PZT MEMS 소자보다 더 제작하기 어려운 빔 구조의 정전기 소자를 더 개발했습니다. 압전 ${\displaystyle {\mathrm{d31}}_{}}$ ${\$형$$ 센서 및 액추에이터는 멤브레인 하부 전극, 필름, 압전 필름 및 상부 전극으로 구성된 캔틸레버 빔 구조를 갖습니다. 유도 전압이 매우 낮으면서도 각 층의 패터닝을 위해서는 (3~5개의 마스크) 마스크 단계 이상이 필요합니다. 고유한 극성축을 가지고 자발분극이 존재하는 초전결정. 클래스 6mm, 4mm, mm2, 6, 4, 3m, 3, 2, m의 크리스탈입니다. 특수 극축(결정물리축 X3)은 결정의 축 L6, L4, L3, L2와 일치하거나 고유 직선면 P(등급 "m")에 놓여 있습니다. 결과적으로, 양전하와 음전하의 전기 중심은 평형 위치로부터 기본 셀로부터 변위됩니다. 즉, 결정의 자발적인 편광이 변화합니다. 따라서 모든 고려된 결정은 자발분극 ${\displaystyle \mathrm{Ps}}$ = ${\$displaystyle Ps = P3}를 가지고 있습니다. 초전결정에서 압전효과는 외부효과(전기장, 기계적 응력) 하에서 자발분극의 변화로 인해 발생하기 때문입니다. As a result of displacement, Aqsa Abbasi introduced change in the components ${\displaystyle \Delta P_{s}}$ along all three axes ${\displaystyle \Delta P_{s}=(\Delta P_{1},\Delta P_{2},\Delta P_{3})}$. Suppose that ${\displaystyle \mathrm{\Delta }{P}_s=(\mathrm{\Delta }{P}_1,\mathrm{\Delta }{P}_2,}$${\displaystyle \mathrm{}}$${\displaystyle \mathrm{\delta P}}$${\displaystyle {}_{}}$3) ${\displaystyle \Delta$ P_{s${\displaystyle \mathrm{\}}}$=$(\Delta$P_{$1},\Delta P_{2},\Delta$P_{3}}는 첫 번째 근사치에서 야기되는 기계적 응력에 비례하며, ${\displaystyle {결과적}_{}}$으로${\displaystyle \mathrm{}}$$δ$$$${\displaystyle \mathrm{Pi}}$${\displaystyle \mathrm{}}$= dikl$Tkl${\displaystyle \Delta P_{i}${\displaystyle \mathrm{}}$= diklTkl}이며, 여기서 Tkl은 기계적 응력을 나타내고 dikl은 압전 모듈을 나타냅니다.

PZT 박막은 힘 센서, 가속도계, 자이로스코프 액추에이터, 파장 가변 광학, 마이크로 펌프, 강유전성 RAM, 디스플레이 시스템 및 스마트 도로와 같은 응용 분야에서 주목을 받아 왔으며,^[47] 에너지원이 제한될 때 에너지 수확은 환경에서 중요한 역할을 합니다. 스마트 도로는 발전에 중요한 역할을 할 가능성이 있습니다. 압전 물질을 도로에 내장하면 차량 이동 시 가해지는 압력을 전압과 전류로 변환할 수 있습니다.^[47]

스마트 교통 지능형 시스템

압전 센서는 지능적이고 장기적으로 생산성을 향상시키는 시스템을 만드는 데 사용할 수 있는 스마트 로드 기술에서 가장 유용합니다. 교통 체증이 생기기 전에 운전자에게 교통 체증을 알리는 고속도로를 상상해 보세요. 또는 붕괴 위험이 있을 때 보고하는 다리나 정전이 되었을 때 스스로를 고정하는 전력망입니다. 수십 년 동안, 과학자들과 전문가들은 정체와 싸우는 가장 좋은 방법은 교통을 측정하는 도로변 센서와 차량의 흐름을 제어하는 동기화된 신호등과 같은 지능형 교통 시스템이라고 주장해 왔습니다. 그러나 이러한 기술의 확산은 비용에 의해 제한되었습니다. 또한 상당히 빠르게 배포될 수 있는 다른 스마트 기술 삽 준비 프로젝트도 있지만 대부분의 기술은 아직 개발 단계에 있으므로 5년 이상 실질적으로 사용할 수 없을 수 있습니다.^[48]

파이로일렉트릭

초전 효과는 온도 변화를 전류 또는 전압으로 변환합니다. 그것은 강유전체의 또 다른 유형인 압전 효과와 유사합니다. 초전은 시간에 따라 변하는 입력을 필요로 하며 낮은 작동 주파수로 인해 에너지 수확 응용 분야에서 적은 전력 출력으로 어려움을 겪습니다. 그러나 열전기에 비해 열전기의 주요 장점 중 하나는 많은 열전기 재료가 1200°C 이상까지 안정적이어서 고온 소스에서 에너지를 수확할 수 있어 열역학적 효율이 증가한다는 것입니다.

폐열을 직접 전기로 변환하는 한 가지 방법은 초전성 재료에 올슨 사이클을 실행하는 것입니다. Olsen 사이클은 전기 변위-전기장(D-E) 다이어그램에서 2개의 등온 및 2개의 등전장 공정으로 구성됩니다. 올슨 사이클의 원리는 낮은 전기장에서 냉각을 통해 커패시터를 충전하고 높은 전기장에서 가열 하에서 방전하는 것입니다. 전도,^{[49][50][51][52][53]} 대류 또는 방사선을 이용하여 올슨 사이클을 구현하기 위해 여러 개의 초전 변환기가 개발되었습니다.^[54] 또한 진동하는 작동 유체를 이용한 열재생과 Olsen 사이클을 기반으로 한 초전 변환이 고온과 저온 열 저장고 사이의 카르노 효율에 도달할 수 있다는 이론적 근거도 확립되었습니다.^[55] 더욱이, 최근 연구들은 폴리비닐리덴 플루오라이드 트리플루오로에틸렌[P(VDF-TrFE)] 폴리머와^[56] 납 란타늄 지르코네이트(PLZT) 세라믹을^[57] 저온에서 발생하는 에너지 밀도가 크기 때문에 에너지 변환기에 사용할 유망한 초전성 재료로 확립했습니다. 또한, 최근에는 시변 입력이 필요 없는 초전 소기 장치가 도입되었습니다. 에너지 하베스팅 장치는 가열된 초전의 가장자리 탈분극 전기장을 사용하여 결정면에 부착된 두 개의 판에서 전류를 끌어내는 대신 열 에너지를 기계적 에너지로 변환합니다.^[58]

열전기

1821년에 토마스 요한 제벡은 서로 다른 두 도체 사이에 형성된 열 구배가 전압을 생성한다는 것을 발견했습니다. 열전 효과의 핵심은 전도성 물질의 온도 구배가 열 흐름을 초래하고, 이로 인해 전하 캐리어가 확산된다는 사실입니다. 고온 영역과 저온 영역 사이에 차례로 전하 캐리어가 흐르면 전압 차이가 발생합니다. 1834년, Jean Charles Athanase Peltier는 서로 다른 두 도선의 접점을 통해 전류를 흐르게 하면 전류의 방향에 따라 전류가 가열기나 냉각기의 역할을 할 수 있다는 것을 발견했습니다. 흡수되거나 생성되는 열은 전류에 비례하며, 비례 상수를 펠티어 계수라고 합니다. 오늘날 제벡 및 펠티어 효과에 대한 지식으로 인해 열전 재료는 히터, 냉각기 및 발전기(TEG)로 사용될 수 있습니다.

이상적인 열전 재료는 높은 제벡 계수, 높은 전기 전도도, 낮은 열 전도도를 가지고 있습니다. 접합부에서 높은 열 구배를 유지하기 위해서는 낮은 열 전도도가 필요합니다. 오늘날 제조되는 표준 열전 모듈은 두 개의 금속화된 세라믹 판 사이에 끼워진 P- 및 N-도핑 비스무트-텔루라이드 반도체로 구성됩니다. 세라믹 플레이트는 시스템에 강성과 전기 절연을 추가합니다. 반도체는 전기적으로 직렬과 열적으로 병렬로 연결됩니다.

인체의 열을 전기로 변환하여 5도 온도 구배로 3V에서 40μW를 발생시키는 미니어처 열전대가 개발되었으며, 한편으로는 원자력 RTG 배터리에 대형 열전대가 사용됩니다.

실제적인 예로는 Holst Centre의 손가락 심박계와 Fraunhofer-Gesellschaft의 열 발생기가 있습니다.^[59][60]

열전 소자의 장점:

1. 움직이는 부품이 없어 수년간 지속적으로 작동할 수 없습니다.
2. 열전기에는 보충해야 하는 재료가 없습니다.
3. 난방과 냉방을 반대로 할 수 있습니다.

열전 에너지 변환의 한 가지 단점은 낮은 효율(현재 10% 미만)입니다. 더 높은 온도 구배에서 작동할 수 있고, 열을 전도하지 않고도 전기를 잘 전도할 수 있는 물질을 개발하면 효율이 향상될^{[citation needed]} 것입니다.

향후 열전 분야의 작업은 자동차 엔진 연소와 같이 낭비되는 열을 전기로 전환하는 것이 될 수 있습니다.

정전식(정전용량)

이러한 유형의 하베스팅은 진동 의존 커패시터의 변화하는 정전 용량을 기반으로 합니다. 진동은 충전된 가변 커패시터의 판을 분리하고 기계적 에너지는 전기 에너지로 변환됩니다. 정전기 에너지 수확기는 작동하고 진동에서 기계적 에너지를 전기로 변환하기 위한 편광원이 필요합니다. 편광 소스는 수백 볼트 정도여야 합니다. 그러면 전력 관리 회로가 크게 복잡해집니다. 또 다른 솔루션은 전기로 충전된 유전체로 커패시터의 편광을 수년 동안 유지할 수 있는 일렉트릿을 사용하는 것입니다. 이를 위해 가변 용량에서 에너지를 추출하는 고전적인 정전기 유도 발전기의 구조를 조정할 수 있습니다. 생성된 장치는 자체 바이어스 방식으로 배터리를 직접 충전하거나 스토리지 커패시터에서 기하급수적으로 증가하는 전압을 생성할 수 있으며, 이 전압에서 DC/DC 컨버터가 주기적으로 에너지를 추출할 수 있습니다.^[61]

자기 유도, 자속 밀도

자기 유도는 변화하는 자기장에서 기전력(즉, 전압)을 생성하는 것을 말합니다. 이러한 변화하는 자기장은 회전(예: 위건드 효과 및 위건드 센서) 또는 선형 운동(예: 진동)에 의해 생성될 수 있습니다.^[62]

캔틸레버 위에서 흔들리는 자석은 작은 진동에도 민감하고 패러데이의 유도 법칙으로 인해 도체에 비해 상대적으로 움직이면서 미세 전류를 발생시킵니다. 사우샘프턴 대학의 한 팀은 2007년에 이런 종류의 소형 장치를 개발함으로써 외부와 전기적으로 연결될 수 없는 환경에 이런 장치를 심는 것을 가능하게 했습니다. 접근할 수 없는 곳에 있는 센서는 이제 자체 전력을 생산하여 외부 수신기로 데이터를 전송할 수 있습니다.^[63]

Southampton 대학에서 개발된 자기 진동 에너지 하베스터의 주요 한계 중 하나는 발전기의 크기입니다. 이 경우 약 1입방 센티미터로 오늘날의 모바일 기술에 통합하기에는 너무 큽니다. 회로를 포함한 완전한 발전기는 아이팟 나노와 같은 일부 모바일 장치와 거의 동일한 크기의 4cm x 4cm x 1cm의^[63] 거대한 크기입니다. 캔틸레버 빔 구성 요소로서 새롭고 더 유연한 재료의 통합을 통해 치수의 추가 감소가 가능합니다. 2012년, 노스웨스턴 대학의 한 연구팀은 폴리머로 스프링 형태의 진동 발전기를 개발했습니다.^[64] 이 장치는 Southampton 대학 그룹 실리콘 기반 장치와 동일한 주파수를 목표로 할 수 있었지만 빔 구성 요소의 크기는 3분의 1이었습니다.

또한 강유액을 사용하여 자기 유도 기반 에너지 하베스팅에 대한 새로운 접근법이 제안되었습니다. 저널 기사 "전자파 강유체 기반 에너지 하베스터"는 강유체를 사용하여 g당 ~80mW의 전력 출력으로 2.2Hz에서 저주파 진동 에너지를 수확하는 방법에 대해 설명합니다.^[65]

상당히 최근에 자기유도를 이용하여 에너지를 수확하는 방법으로 응력의 인가에 따른 도메인 벽 패턴의 변화가 제안되었습니다. 본 연구에서 저자들은 가해지는 응력이 마이크로와이어의 도메인 패턴을 변화시킬 수 있음을 보여주었습니다. 주변 진동은 마이크로와이어에 응력을 유발하여 도메인 패턴의 변화를 유도하여 유도를 변경할 수 있습니다. uW/cm2 정도의 전력이 보고되었습니다.^[66]

자기 유도를 기반으로 상업적으로 성공한 진동 에너지 수확기는 아직 그 수가 상대적으로 적습니다. Saab Group의 기술 분사인 스웨덴 회사 ReVibe Energy가 개발한 제품이 그 예입니다. 또 다른 예는 초기 사우샘프턴 대학에서 개발한 제품들입니다. 무선 센서 노드(WSN)에 필요한 전력을 생성하려면 충분히 커야 하지만 M2M 애플리케이션에서는 일반적으로 문제가 되지 않습니다. 이 수확기들은 현재 GE와 Emerson 같은 회사들이 만든 WSN에 전력을 공급하고 또한 Permanuum사가 만든 기차 베어링 모니터링 시스템에 대량으로 공급되고 있습니다. 오버헤드 전력선 센서는 자기 유도를 사용하여 모니터링 중인 도체에서 직접 에너지를 수집할 수 있습니다.^[67][68]

혈당

에너지 수확의 또 다른 방법은 혈당의 산화를 통한 것입니다. 이러한 에너지 수확기를 바이오 배터리라고 합니다. 이식된 전자 장치(예: 페이스메이커, 당뇨병 환자를 위한 이식된 바이오센서, 이식된 능동형 RFID 장치 등)에 전원을 공급하는 데 사용될 수 있습니다. 현재, 세인트 루이스 대학의 민터 그룹은 혈당으로부터 전력을 생산하는 데 사용될 수 있는 효소를 개발했습니다. 그러나 몇 년 후에도 효소를 교체해야 합니다.^[69] 2012년에는 에브게니 카츠 박사의 지도 아래 클락슨 대학에서 이식 가능한 바이오 연료 전지로 페이스메이커를 가동했습니다.^[70]

트리 기반

나무 대사 에너지 수확은 바이오 에너지 수확의 한 유형입니다. 볼트리는 나무에서 에너지를 수확하는 방법을 개발했습니다. 이러한 에너지 수확기는 원격 센서와 메쉬 네트워크에 전력을 공급하여 산림의 산불과 날씨를 모니터링하는 장기 배치 시스템의 기반으로 사용되고 있습니다. 볼트리의 웹사이트에 따르면, 그러한 장치의 유용한 수명은 그것이 부착된 나무의 수명에 의해서만 제한되어야 합니다. 최근 미국 국립공원 숲에 소규모 테스트 네트워크가 배치되었습니다.^[71]

나무의 다른 에너지원에는 발전기에서 나무의 물리적 움직임을 포착하는 것이 포함됩니다. 이 에너지원에 대한 이론적 분석은 소형 전자 장치에 전력을 공급할 수 있는 가능성을 보여줍니다.^[72] 이 이론에 기반한 실용적인 장치가 구축되어 1년 동안 센서 노드에 전원을 공급하는 데 성공했습니다.^[73]

메타물질

메타물질 기반 장치는 900MHz 마이크로파 신호를 7.3볼트의 직류(USB 장치보다 더 큰)로 무선 변환합니다. 장치는 Wi-Fi 신호, 위성 신호 또는 사운드 신호를 포함한 다른 신호를 수집하도록 조정할 수 있습니다. 실험 장치는 5개의 섬유 유리와 구리 전도체 시리즈를 사용했습니다. 변환 효율은 37%에 달했습니다. 전통적인 안테나는 우주에서 서로 가까이 있으면 서로 간섭합니다.^[74][75][76] 하지만 RF 전력은 거리의 세제곱만큼 내려가므로 전력량이 매우 적습니다. 7.3V의 청구권은 크지만, 측정은 단선에 대한 것입니다. 전력이 너무 낮기 때문에 부하를 달면 거의 전류가 없을 수 있습니다.

대기압 변화

대기의 압력은 온도 변화와 날씨 패턴에 따라 시간이 지남에 따라 자연스럽게 변합니다. 밀폐된 챔버가 있는 장치는 이러한 압력 차이를 사용하여 에너지를 추출할 수 있습니다. 이는 Atmos 시계와 같은 기계식 시계에 전원을 공급하는 데 사용되었습니다.

해양 에너지

비교적 새로운 개념의 에너지 생성은 바다에서 에너지를 생성하는 것입니다. 지구상에는 많은 양의 에너지를 가지고 있는 물이 존재합니다. 이 경우의 에너지는 조류, 바다의 파도, 염도의 차이, 그리고 온도의 차이에 의해 생성될 수 있습니다. 2018년^[update] 현재 이러한 방식으로 에너지를 수확하기 위한 노력이 진행되고 있습니다. 미국 해군은 최근 바다에 존재하는 온도 차이를 이용해 전기를 생산할 수 있었습니다.^[77]

바다의 다양한 열선 레벨에 걸쳐 온도 차이를 사용하는 한 가지 방법은 다른 온도 영역에 있는 동안 상을 변화시키는 물질을 갖춘 열 에너지 수확기를 사용하는 것입니다. 이것은 일반적으로 가역적인 열처리를 처리할 수 있는 폴리머 기반 재료입니다. 물질이 상변화할 때 에너지 미분은 기계적 에너지로 변환됩니다.^[78] 사용되는 재료는 물속의 열선의 위치에 따라 액체에서 고체로 상을 변경할 수 있어야 합니다.^[79] 열 에너지 하베스팅 장치 내의 이러한 상변화 물질은 이미 많은 수역에 존재하는 따뜻한 물과 차가운 물에 의존하기 때문에 무인 수중 자동차(UUV)를 충전하거나 동력을 공급하는 이상적인 방법이 될 것입니다. 표준 배터리 충전의 필요성을 최소화합니다. 이 에너지를 포착하면 충전을 위해 수집하거나 반환할 필요가 없어지기 때문에 장기적인 임무를 수행할 수 있습니다.^[80] 이것은 또한 매우 환경 친화적인 수중 차량의 동력 공급 방법입니다. 상변화 유체를 사용할 때 발생하는 배출물이 없으며, 일반 배터리보다 수명이 길 것으로 예상됩니다.

앞으로의 방향

에너지 수확을 위한 전기 활성 폴리머(EAP)가 제안되었습니다. 이 폴리머는 변형률이 크고 탄성 에너지 밀도가 높으며 에너지 변환 효율이 높습니다. EAP(Electroactive Polymer)를 기반으로 하는 시스템의 총 중량은 압전 재료를 기반으로 하는 시스템보다 현저히 낮은 것으로 제안됩니다.

조지아 공대에서 만든 것과 같은 나노 발전기는 배터리 없이도 기기에 전원을 공급할 수 있는 새로운 방법을 제공할 수 있습니다.^[81] 2008년 현재, 그것은 어떤 실용적인 응용을 하기에는 너무 낮은 약 12 나노와트만 발생합니다.

잡음은 이탈리아의 NiPS Laboratory에서 기존 선형 수확기에 비해 최대 인자 4까지 수확기 효율을 향상시킬 수 있는 비선형 동적 메커니즘을 통해 광범위한 스펙트럼 저규모 진동을 수확하자는 제안의 대상이 되었습니다.^[82]

다양한 유형의^[83] 에너지 수확기를 조합하면 특히 사용 가능한 주변 에너지 유형이 주기적으로 변화하는 환경에서 배터리에 대한 의존도를 더욱 낮출 수 있습니다. 이러한 유형의 보완적인 균형 에너지 하베스팅은 구조적 상태 모니터링을 위한 무선 센서 시스템의 신뢰성을 높일 가능성이 있습니다.^[84]

참고 항목

참고문헌

외부 링크

• Callendar, Hugh Longbourne (1911). "Thermoelectricity" . Encyclopædia Britannica. Vol. 26 (11th ed.). pp. 814–821.