Naarmate de wereld steeds meer verbonden raakt via het Internet of Things (IoT), staan ingenieurs en systeemontwerpers voor een groeiende uitdaging: hoe kunnen de miljarden apparaten die zich verspreiden over fabrieken, steden, kantoren en zelfs ons lichaam betrouwbaar van stroom worden voorzien. Traditionele energiebronnen zoals batterijen kunnen omslachtig zijn, vereisen vaak vervanging en schieten vaak tekort in afgelegen of moeilijk bereikbare omgevingen.

Hier komt energieoogsten om de hoek kijken, een transformatieve aanpak die omgevingsenergie uit de omringende omgeving opvangt en omzet in bruikbare elektrische energie. Voor elektrotechnisch ingenieurs die componenten betrekken van distributeurs zoals OLC en voor inkoopprofessionals die verantwoordelijk zijn voor de efficiëntie van de toeleveringsketen, wordt inzicht in energieoogsten essentieel. 

Wat is energieoogsten?

Energieoogsten (ook wel energy scavenging genoemd) is het proces van het opvangen en omzetten van kleine hoeveelheden energie uit externe bronnen—zoals warmte, beweging, licht of elektromagnetische velden—in elektrische energie. Deze geoogste energiebronnen kunnen ultra-zuinige elektronica van stroom voorzien, zoals IoT-sensoren en draadloze zenders, waardoor de behoefte aan batterijen of bedrade stroomvoorziening wordt geëlimineerd of geminimaliseerd.

Hoewel de gegenereerde energie doorgaans klein is, meestal variërend van microwatts tot een paar milliwatts, is dit vaak voldoende voor de behoeften van embedded systemen, vooral wanneer gecombineerd met energiezuinige componenten en slimme energieopslagoplossingen.

Laten we nu enkele van de meest impactvolle technologieën voor energieoogsten verkennen en bekijken hoe ze werken.

Thermo-elektrische generatoren (TEG's)

Hoe ze werken

TEG's werken op basis van het Seebeck-effect, een principe van thermo-elektriciteit waarbij een spanning wordt opgewekt tussen twee verschillende geleiders of halfgeleiders wanneer er een temperatuurverschil tussen hen bestaat. In essentie stroomt warmte van de warme naar de koude kant van het materiaal, en elektronen bewegen daarmee mee, waardoor elektrisch potentiaal ontstaat.

Deze apparaten bestaan uit een reeks thermo-elektrische materialen die zo zijn opgesteld dat blootstelling aan de thermische gradiënt wordt gemaximaliseerd. Hoe groter het temperatuurverschil tussen de twee zijden, hoe hoger de elektrische output. Daarom moet die gewenste blootstelling aan de thermische gradiënt zo steil mogelijk zijn – zo heet mogelijk aan de ene kant en zo koud mogelijk aan de andere kant.  Binnen redelijke grenzen, natuurlijk.

Toepassingen en relevantie

In industriële omgevingen genereren machines en apparatuur vaak overtollige warmte. In plaats van deze energie in de lucht te laten verdwijnen, kunnen TEG's een deel ervan terugwinnen en omzetten in stroom voor embedded bewakingssystemen. Evenzo kunnen TEG's in draagbare apparaten of medische apparatuur het temperatuurverschil tussen de huid van een persoon en de omgeving gebruiken om sensoren van stroom te voorzien, waardoor de noodzaak voor het vervangen van batterijen wordt verminderd.

Voor ingenieurs betekent dit het betrekken van zeer efficiënte TEG-modules en spanningsregelende IC's die kunnen werken met lage, fluctuerende ingangsspanningen.  Hoewel niet gebruikelijk, is een werkelijk buitenaardse toepassing van TEG's te vinden in ruimtevaarttoepassingen, waar radioactief verval warmte genereert die satellieten, sondes en rovers via een TEG van stroom voorziet.  In hun artikel "What is Energy Harvesting?" biedt CircuitBread een uitstekend overzicht van TEG's en gaat het dieper in op hoe ze werken op halfgeleiderniveau.

Piëzo-elektrisch energieoogsten

Hoe het werkt

Piëzo-elektrische materialen genereren elektriciteit wanneer ze mechanisch worden belast, een resultaat van hun interne kristalstructuur. Wanneer deze materialen worden gebogen, samengedrukt of laten trillen, produceren ze een spanning over hun oppervlakken.

Piëzo-elektrische oogsters worden doorgaans gebruikt in omgevingen waar trillingen of mechanische bewegingen gebruikelijk zijn. Ze kunnen worden ingebouwd in schoenzolen, wegen, bruggen of industriële apparatuur. Veelgebruikte materialen zijn onder meer kwarts, PZT (loodzirconaattitanaat) en nieuwere flexibele polymeren.

Toepassingen en relevantie

Stel u een slimme brug voor die de structurele gezondheid kan bewaken via ingebouwde sensoren. In plaats van stroomkabels aan te leggen of voortdurend batterijen te vervangen, kunnen piëzo-elektrische apparaten energie oogsten uit de natuurlijke trillingen die door verkeer worden veroorzaakt. In draagbare technologie kan elke stap die u zet stroom opwekken.  Hoewel de hoeveelheid stroom mogelijk niet groot is, zou het voldoende zijn om de lading van een horloge of ander klein apparaat op peil te houden.

Tribo-elektrische nanogeneratoren (TENG's)

Hoe ze werken

TENG's zijn gebaseerd op het tribo-elektrisch effect, waarbij materialen elektrisch geladen worden na wrijvingscontact met een ander materiaal. Wanneer twee oppervlakken herhaaldelijk in contact komen en weer worden gescheiden, zoals bij wrijvende stoffen of huidbewegingen, hopen ladingen zich op en ontstaat er een spanning.  Interessant genoeg is er, ondanks dat we al eeuwenlang bekend zijn met het tribo-elektrisch effect, nog steeds discussie over de onderliggende details van hoe het werkt.  Voorlopig, in ieder geval!

In tegenstelling tot piëzo-elektrische materialen kunnen TENG's worden gemaakt uit een breder scala aan materialen, waaronder gangbare polymeren. Deze flexibiliteit maakt ze ideaal voor draagbare toepassingen en textiel.

Toepassingen en relevantie

Tribo-elektrische oogsters worden onderzocht voor de volgende generatie draagbare apparaten die volledig zelfvoorzienend zijn door menselijke beweging. Van kleding die vitale functies bewaakt tot oppervlakken die omgevingsveranderingen detecteren, TENG's kunnen helpen om geheel nieuwe ontwerpparadigma's te ontsluiten.

RF-energieoogsten

Hoe het werkt

RF-energieoogsten vangt stroom op uit omgevingselektromagnetische golven, zoals die uitgezonden door wifi-routers, gsm-masten of zelfs tv-uitzendingen. Een RF-oogster gebruikt een antenne om EM-golven te verzamelen, die vervolgens met behulp van een gelijkrichterschakeling worden omgezet in een DC-spanning.

De output is doorgaans behoorlijk laag, zelfs lager dan de andere technologieën die al zijn besproken.  Maar voor ultra-zuinige toepassingen kunnen zelfs kleine hoeveelheden stroom voldoende zijn om een condensator op te laden en een apparaat met tussenpozen te laten werken.

Toepassingen en relevantie

Een van de spannendste voorbeelden komt van RFID-tags, die stroom oogsten uit omringende RF-signalen. Deze tags kunnen worden ingebouwd in verpakkingen om de versheid, locatie of temperatuur van producten in realtime te volgen.  Ze worden nog vaker gebruikt bij de steeds meer voorkomende ID-kaarten, die over het algemeen worden gebruikt in beveiligingstoepassingen.

Conclusie: een katalysator voor de toekomst

Energieoogsten staat op het punt de manier waarop we denken over stroom in elektronica te revolutioneren. Van draagbare apparaten en afgelegen sensoren tot industriële automatisering en slimme verpakkingen, het maakt nieuwe producten mogelijk die kleiner, slimmer en duurzamer zijn.

Voor zowel ingenieurs als inkopers zal samenwerken met een distributeur die het volledige ecosysteem van energieoogsten begrijpt, van materialen tot energiebeheer tot opslag, essentieel zijn voor succesvolle implementatie.  Aan het einde van de dag is de stroom er wel. We moeten hem alleen nog oogsten.