Obnovitelné zdroje

Obnovitelné zdroje malého výkonu aneb jak rozsvítit LEDku zadarmo

V návaznosti na náš předchozí článek o shromažďování přebytečné energie Vám v tomto článku představíme nejběžnější převodníky neelektrické energie na elektrickou. Zdroj energie lze vybrat podle umístění a dostupnosti. Energie může být přírodní, např. světlo, proudění vzduchu, teplo atd., nebo vytvořená činností člověka. Do této skupiny patří elektromagnetický smog, pohyb, vibrace, teplo atd.

Nejběžnější převodníky

obr_1

Pro napájení zařízení nízkého výkonu lze využít některé ze základních převodníků. Mezi nejběžnější převodníky patří solární článek, piezoelektrický generátor, Peltierův článek nebo anténa s RF převodníkem na stejnosměrné napětí.

Solární článek

V současné době jeden z nejvyužívanějších zdrojů volné energie. Pro přeměnu solární na elektrickou energii se využívají fotovoltaické články, převážně fotodiody PIN. Jedná se o polovodiče, ve kterých se projevuje fotovoltaický efekt, který vzniká, když foton s dostatečnou energií a požadovanou vlnovou délkou generuje v polovodiči tzv. fotoproud. Fotovoltaické články se nejčastěji vytvářejí na bázi křemíku. Nejběžnější jsou monokrystalický křemíkový článek, polykrystalické křemíkové články a polymerní článek.

obr_2

Monokrystalický článek (na obrázku vlevo) je nejstarší a základní typ fotovoltaických článků. Vyrábí se z monokrystalického křemíku. Tato technologie je velmi energeticky i časově náročná. Účinnost těchto článků se pohybuje okolo 18 % s celkovou tloušťkou křemíku v rozmezí 0,35 až 0,1 mm.

Polykrystalický křemík (na obrázku vpravo) je nejběžnější materiál k výrobě fotovoltaických článků. Vyrábí se odléváním křemíku do forem vhodných tvarů, které jsou následně řezány na tenké plátky. Výroba tímto způsobem je jednoduší a levnější než výroba čistého křemíku. Nevýhodou je větší odpor článků a tím i nižší účinnost, která se pohybuje okolo 16 %. Tloušťka plátků křemíku se pohybuje v rozmezí 0,25 až 0,1 mm.

Polymerní článek využívá vodivých polymerů k vytvoření fotovoltaického jevu. Vodivý polymer se vyznačuje pravidelným střídáním jednoduchých a dvojných chemických vazeb. Chemickým složením materiálu lze upravovat parametry, například šířku zakázaného pásu, stabilitu nebo pevnost materiálu. Touto technologií lze vyrábět články libovolného tvaru a v případě použití vhodné sloučeniny lze vytvořit ohebný solární článek. Účinnost polymerních článků se pohybuje mezi 5 až 9 %. Výhodou je použití dostupnějších materiálů a možnost nastavit parametry článku pomocí chemického složení.

obr_3

Peltierův článek

obr_5

Tepelná energie je nejčastější typ odpadní energie. Téměř v každém technickém odvětví se uvolňuje teplo. Na obrázku je zobrazen Peltierův článek včetně jeho příčného řezu. Pro přeměnu tepelné energie lze využít termoelektrický princip. Termoelektrický princip zahrnuje tři jevy: Seebeckův, Peltierův a Thomsonův.

Pro přeměnu teplotního gradientu na elektrickou energii se využívá Seebeckova jevu – obsahuje-li obvod dva různé vodiče či polovodiče zapojené v sérii a mají-li spojené konce různou teplotu (vznikne teplotní gradient), začne v materiálech tepelný tok, který má za následek tok nosičů náboje neboli elektrickou energii. Výsledné napětí je dáno rozdílem teplot a Seebeckovým koeficientem. Peltierův jev je jevem opačným k Seebeckovu. Thomsonův jev popisuje teplotní napětí u jednoho materiálu, a proto je výsledné napětí nižší.

Piezoelektrický generátor

obr_4

Piezoelektrický generátor k činnosti využívá materiál s piezoelektrickým jevem, kde při mechanickém namáhání dochází k tvorbě elektrického náboje na stěnách materiálu. Pro deformaci elementu je využita kinetická energie pohybu lidského těla, provozu vozidel, průmyslové výroby, seismické aktivity nebo vibrací budov a zařízení.

Piezoelektrický jev definuje schopnost materiálu generovat elektrické napětí při deformaci. Opačný jev neboli nepřímý piezoelektrický jev popisuje deformaci elementu vlivem připojeného napětí. Tento jev lze využít i pro jiné aplikace, např. snímání zvuku, kde zvukové vlny deformují piezoelektrický mikrofon.

Anténa s převodníkem

Energii z elektromagnetického smogu lze získat přijetím rádiových vln pomocí antény a tuto energii převést na stejnosměrné napětí např. pomocí rychlé usměrňovací diody. Celková energie závisí na vzdálenosti od vysílací stanice a vysílaného výkonu. Problém při použití této metody je zpětné vysílání rušení na stejném či blízkém kmitočtu z přijímací antény a tím dochází k rušení užitečného signálu. Zdroje RF signálu zahrnují rádiové vysílání (analogové i digitální), televizní vysílání, globální systém pro mobilní komunikaci a bezdrátovou internetovou síť.

Závěr

Využití obnovitelných zdrojů energií je důležité hlavně kvůli nemožnosti připojení některých zařízení k síti. Ať už z důvodu umístění nebo neochoty výměny baterií u přenosných zařízení. Nevýhodou využití této technologie je vyšší pořizovací cena, která je ale vynahrazena nezávislostí na rozvodné síti a téměř nulovými náklady na provoz. V současné době lze tyto zdroje využít pro napájení osvětlení, senzorů, nabíjení mobilních telefonů a dalších zařízení a mnohé další aplikace.

Doporučená literatura

  • B. Doc. Ing. Garlík CSc., Inteligentní budovy, Praha: BEN - technická literatura, 2012.
  • A. Kingatua, „The How and Why of Energy Harvesting for Low-Power Applications,“ 23 June 2016. [Online]. Available: https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/how-why-of-energy-harvesting-for-low-power-applications/.

© 2018 Michal Kočí (michal.koci@kondik.cz)

Přihlaste se prosím znovu

Omlouváme se, ale Váš CSRF token pravděpodobně vypršel. Abychom mohli udržet Vaši bezpečnost na co největší úrovni potřebujeme, abyste se znovu přihlásili.

Děkujeme za pochopení.

Přihlášení