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
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.
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.
Peltierův článek
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
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)