Устройства для беспроводного и безбатарейного питания автономных узлов. Часть 2

Системы, работающие от нагрева, отличаются отсутствием подвижных частей и могут эксплуатироваться в более жёстких условиях, чем вибрационные устройства, поэтому представляют собой значительный интерес для питания беспроводных узлов.
Там, где достижимы высокие температуры (сотни градусов) и значительный температурный градиент, актуально применение термоэлектрических генераторов (thermoelectric generator, или ТЭГ). Примером являются автомобильные системы восстановления тепла выхлопов. Достигаемая выходная мощность — сотни Вт. Например, BMW и Volkswagen демонстрировали прототипы автомобилей с ТЭГами на 300 Вт. BMW уже заявляла о разработке ТЭГа с выходом в 500 Вт. В разработке версия для NASA. Экономия топлива составляет 5%, но данный тип устройств находит применение только в ДВС и гибридах, для чисто электрических автомобилей он неперспективен.
Принцип действия ТЭГов основан на эффекте Зеебека. Современные ТЭГи используют полупроводниковые p-n-переходы (наиболее распространённый материал — теллурид висмута), поэтому их размеры могут быть намного меньше. Перспективные материалы — наноструктурированные, тонкоплёночные и другие.
Компания Global Thermoelectric специализируется на создании промышленных генераторов с выходной мощностью 15–550 Вт и с заявленным пределом нагрузки 5000 Вт. Основным компонентом каждого ТЭГа Global является герметично уплотнённый термоэлектрический модуль — термопиль с массивом полупроводниковых элементов из оловянно-свинцового теллурида (см. рис. 3). Разница температур на термопиле (порядка 540°C с одной стороны, 140°C — с другой) создаёт постоянное электричество. Применение: нефтегазовый сектор, отопление, телекоммуникационные и другие системы.

Рис. 3. Основные компоненты термоэлектрических генераторов Global Thermoelectric: камера сгорания, термопиль, рёбра охлаждения

Компания Marlow — мировой лидер в области термоэлектрических охладителей (thermoelectric coolers, TEC). Marlow располагает также технологией сбора тепловой мощности для питания датчиков или других маломощных устройств. Модуль генерации постоянной мощности со встроенными сплавами Bi2Te3 рассчитан на разницу температур <225°C. Технология Marlow используется, например, в военной и медицинской технике, беспилотных аппаратах, роботах, системах связи. Важнейшим применением является питание беспроводных сенсорных сетей.
Следует внести ясность в понятия TEC и TEG, показать их различие и сходство на примере технологий Marlow.
Термоэлектрический охладитель работает на основе эффекта Пельтье. В термоэлектрическом модуле полупроводниковый компонент функционирует как малый тепловой насос.
Типичный одноступенчатый охладитель состоит из двух керамических обкладок с элементами p- и n-типов из сплавов теллурида висмута (см. рис. 4). Когда прикладывается постоянное напряжение, электроны передаются от элемента p-типа к элементу n-типа, и температура холодной стороны снижается по мере прохождения электронного тока до достижения равновесия. Охлаждение пропорционально току и числу термоэлектрических пар. Тепло передаётся к горячей стороне охладителя.

Рис. 4. Типичный одноступенчатый охладитель Marlow

Хорошо известным применением термоэлектрических модулей в автомобильной индустрии является индивидуальная регулировка подогрева сидений. Новое применение — температурно-контролируемый держатель чашки. ТЭКи применяются для прецизионного контроля в ограниченном пространстве.
Marlow разработала одно- и многоступенчатые термоэлектрические модули для температурной стабилизации микроболометров, поддержания постоянной вязкости чернил в принтерах, для снижения электрических шумов, снижения темнового тока в ИК-детекторах среднего диапазона и охлаждения фокальной плоскости ИК-массивов.
ТЭГи используют аналогичные конфигурации и те же материалы, что и ТЭКи.
Подход компании Perpetua к разработке ТЭГов основан на применении тонких полупроводников на гибком субстрате с использованием недорогих и масштабируемых методов полупроводникового производства (см. рис. 5). Этот метод позволяет Perpetua объединять большое число термопар и получать большие напряжения. Гибкие термоэлектрические плёнки Perpetua объединяют полупроводники p- и n-типа.

Рис. 5. Принцип термоэлектрической генерации тока: а) тонкоплёночная полупроводниковая технология; б) термоэлектрическое энергособирающее устройство

Принцип действия энергособирателей компании Micropelt также основан на прохождении тепла через термоэлектрический элемент или термогенератор, объединяющий множество таких элементов. Напряжение пропорционально числу элементов и разнице температур между ними.
Компания Micropelt производит тонкоплёночные компоненты с использованием собственной технологии. В номенклатуру продукции компании входят ТЭКи и ТЭГи. Термогенератор — это токовый источник, который преобразует тепло в электрическую энергию. Он состоит из пары ножек или стоек из материалов n- и p-типа, которые производятся тонкоплёночным методом на раздельных пластинах, а затем соединяются. Каждая пара стоек генерирует конечное напряжение.
Технология Micropelt позволяет разместить на 1 мм² более 100 пар стоек. Устройства Micropelt работают в милливаттном диапазоне. Например, MPG-D602 имеет 450 пар стоек, его тепловая нагрузка составляет порядка 1 Вт.
Термогенераторы Micropelt содержат сотни таких элементов — в 10–100 раз больше стандартных, поэтому ТЭГи производят напряжения порядка 0,5–5 В при площади посадочного места устройства 12 мм² и применяются для питания датчиков, регистраторов данных и малых исполнительных механизмов.
Термогенератор Micropelt TE Power Ring (см. рис. 6) поставляет мощность для беспроводных систем, локализованных во вращающихся и колеблющихся частях машин. Энергия, поступающая при трении подшипников, преобразуется в электричество посредством микротермогенератора Micropelt MPC-D751. Отсутствие проводов, батарей, поддержки — реальный результат.
Миниатюрные встроенные ТЭГи компании Nextreme (eTEG) также преобразуют тепло отходов в электричество с использованием тонкоплёночной технологии. Nextreme поставляет самый малый в мире ТЭГ с высокой выходной мощностью. Тонкоплёночные термоэлектрические материалы Nextreme оптимизированы под высокие тепловые потоки мощности (>20 Вт/см²). ТЭГи eTEG в 5–20 раз тоньше объёмных устройств. Генератор eTEG рекомендуется использовать для питания датчиков газа, зарядки беспроводных датчиков в темноте или труднодоступных местах, для повышения топливной эффективности автомобилей.

Рис. 6. Micropelt MPC-D751 — средство беспроводного мониторинга состояния подшипников

Целевые рынки: автомобильный, авиакосмический, промышленные и медицинские беспроводные сенсорные сети. Микроватты мощности, которые генерирует eTEG, оказываются достаточными для питания удалённых датчиков.

В последние годы активно разрабатывались фотоэлектрические технологии. Суть метода состоит в преобразовании солнечного излучения в ток с помощью полупроводников. Солнечные панели состоят из элементов, материалом которых может быть кремний (моно-, поликристаллический, аморфный), теллурид кадмия и т.д. Эффективность большинства типов солнечных элементов — порядка 20%, для некоторых материалов она выше 30%.
Коммерческими фотоэлектрическими технологиями располагают, например, компании Sanyo Electric, SolarPrint, G24 Innovations, Solaronix SA, Ixys.
В отличие от кремниевых элементов, т.н. сенсибилизированные красителем солнечные элементы (dye-sensitized solar cell, DSSC) от G24, Solaronix, SolarPrint преобразуют световую энергию в электричество на молекулярном уровне. Этот процесс подобен фотосинтезу. Типичный модуль представляет собой структуру из двух слоёв стекла с тонкоплёночным слоем посередине.
Сенсибилизированные солнечные элементы были изобретены в 1988 г. Михаэлем Грэтцелем (Michael Grätzel), сотрудником EPFL (Швейцарский федеральный технологический институт Лозанны). Строение солнечных элементов с красителем схематично представлено на рисунке 7. Прозрачный проводящий оксид наносится на прозрачный субстрат (стекло или пластик) и служит для формирования электродов. На рабочий электрод наносится слой наночастиц диоксида титана толщиной 10 мкм и спекается для диффузии.

Рис. 7. Строение сенсибилизированных солнечных элементов

Электрод с TiO₂ пропитывается фотоактивной краской на основе рутения или органических красителей, так чтобы краска покрывала поверхность наночастиц. Свет, попадающий на краситель, высвобождает электроны и создает «дырки» — области положительного заряда. Частицы двуокиси титана подбирают электроны и переводят их во внешнюю цепь, создавая электрический ток. Солнечные элементы SolarPrint работают при освещённости до 10 лк. Один из целевых рынков этих устройств — мобильные телефоны без частой перезарядки от сети, автомобильные системы.
Тонкоплёночные модули компании G24 тоньше кредитной карты, их вес равен 17 г, генерируемая мощность достигает 5 мВт.
Принцип работы нового солнечного элемента Solaronix также основан на механизме регенеративного фотоэлектрохимического процесса. Активный слой состоит из высокопористого нанокристаллического диоксида титана (nc-TiO₂), нанесённого на прозрачный проводящий субстрат. Мономолекулярный слой сенсибилизирующей краски на поверхности nc-TiO₂ поглощает свет и вырабатывает электричество. Устройство дополняется электродами и электролитом.

В автомобиле достаточно много возможностей для сбора механической энергии (торможения, вибрации, ударов). Разработанный институтом IMEC метод рассчитан на автомобильные применения. IMEC разработал электростатические микроэлектромеханические энергособирающие устройства в комбинации с энергозапасающим компонентом. Интегрированные микромодули потребляют минимум энергии и способны к самостоятельной генерации энергии.
Разработанный IMEC пьезоэлектрический МЭМС-преобразователь включает кантилевер с одним или несколькими пьезоэлектрическими слоями, размещёнными между двумя металлическими электродами, которые образуют плоский конденсатор. Наконечник кантилевера оснащается массой, захватывающей вибрации машины с закреплённым энергособирающим устройством.
Основание конденсатора сформировано платиновым электродом и пьезоэлектрическим слоем из материала AlN (в первой версии — PZT), верхний электрод изготовлен из алюминия.
Резонансная частота в пределах полосы 150–1000 Гц регулируется путем изменения размеров кантилевера и массы. Достигаемой выходной мощности, по заявлению IMEC, уже достаточно для питания беспроводных датчиков, которые передают данные к системному процессору. В 2008 г. выходная мощность энергособирающих устройств составила 60 мкВт, а в 2010-м г. — 85 мкВт. Для защиты МЭМС было осуществлено корпусирование на уровне пластины. Сообщалось, что на основе данной технологии был разработан первый автономный датчик температуры.
Исследователи CEA LETI и Мичи­ган­ского университета разработали собственные электростатические собиратели энергии на основе МЭМС. Так, например, были созданы структуры, способные эффективно преобразовывать низко- и высокочастотные вибрации в электрическую энергию благодаря уникальной электродной структуре в виде паттернов (см. рис. 8). При этом электрет на основе SiO2 наносился на сейсмическую массу, а сборка отделялась на несколько микрон от электродной стеклянной платы.

Рис. 8. Электростатическая структура, разработанная CEA LETI

Данный тип отличается от пьезоэлектрической структуры тем, что уровень преобразуемой за цикл энергии регулируется посредством заряда и не зависит от свойств материала.
Исследователи Университета Мичи­гана разработали пьезоэлектрические объёмные МЭМС вместе со схемными элементами для захвата и запаса энергии. Размеры MEMS VEH составляют 27 мм³. Малый блок может захва­ты­вать энергию вибрации в 14–155 цик­лов (Гц), обеспечивая на выходе 200 мкВт при вибрации порядка 1,5g. Собиратель энергии заряжает суперконденсатор до 1,85 В, что достаточно для питания беспроводного датчика при замене батареи. Исследователи оценивают предполагаемый срок службы VEH в 10–20 лет. Это одна из самых последних на данный момент разработок компании.
Ещё одна новая разработка от ORNL основана на захвате тепла пироэлектрической конденсаторной МЭМС-структурой, которая может работать, например, от тепла компьютерных кристаллов.
Пьезоэлектрический вибрационный энергохарвестер PZEH (Piezoelectric Vibrational Energy Harvester) от MicroGen под названием BOLT™060 — первый пример коммерческого устройства для сбора энергии вибрации, основанного на технологии МЭМС. Это устройство на кремниевом кристалле размерами 1,0 см² или менее с выходом мощности до 200 мкВт. В 2011 году PZEH включён в оценочный комплект  THINERGY^® IPS-EVAL-EH-01 Energy Harvesting Evaluation Kit от IPS (Infinite Power Solutions, Inc.) с микросхемой MAX17710 от Maxim.

Ведущие американские учёные разработали первый наногенератор в со­четании с солнечным элементом. В этом устройстве используются пьезо­электрические нанопровода — волосовидные структуры оксида цинка, которые генерируют электрический потенциал при механической нагрузке, обеспечивая на выходе малую мощность.
Их эффективность повышается за счет комбинации с солнечным элементом в гибридном устройстве. Верхний слой состоит из тонкоплёночного солнечного элемента, объединённого с покрытыми краской нанопроводами. Большая поверхность покрытия усиливает захват света. Донный слой — наногенератор — чувствителен к вибрации. Под ее воздействием зубцы смещаются относительно вертикально выровненного положения, создавая электрический потенциал.
Солнечный элемент и наногенератор электрически подключены к кремниевому субстрату, который служит анодом для солнечного элемента и катодом для наногенератора. Прототип генерирует 0,6 Вт мощности и только 10 мВ — вибрационной мощности. В перспективе планируется создание устройств с множественными слоями наногенераторов. Целевые применения гибридов — летательные аппараты, тогда как наногенераторы могут найти применение в медицинских имплантатах.

Подробнее о новых технологиях см. на сайте www.sysoeva.com.