Energieernte: Umwandlung der in der Umgebung vorhandenen Umgebungsenergie in elektrische Energie

Von Fouad Sabry

Was ist Energy Harvesting?

Energy Harvesting ist der Vorgang, Energie aus externen Quellen zu gewinnen, diese Energie einzufangen und sie für die Verwendung durch winzige, drahtlose, autonome Geräte zu speichern. Beispiele für diese Arten von Geräten sind solche, die in tragbarer Elektronik und drahtlosen Sensornetzwerken verwendet werden.

Wie Sie davon profitieren

(I) Einblicke und Validierungen über die folgenden Themen:

Kapitel 1: Energy Harvesting

Kapitel 2: Piezoelektrizität

Kapitel 3: Nukleare elektrische Rakete

Kapitel 4: Pyroelektrizität

Kapitel 5: Wandler

Kapitel 6: Atombatterie

Kapitel 7: Elektronische Komponente

Kapitel 8: Betavoltaisches Gerät

Kapitel 9: Optoelektrische Kernbatterie

Kapitel 10: Schrittmacher

Kapitel 11: Micropower

Kapitel 12: Thermoelektrischer Generator

Kapitel 13: Ultraschallwandler

Kapitel 14: Schwingungsbetriebener Generator

Kapitel 15: Thermoelektrischer Automobilgenerator

Kapitel 16: Thermischer Kupfersäulen-Bump

Kapitel 17: Nanogenerator

Kapitel 18: Energieautarke dynamische Systeme

Kapitel 19: Thermoelektrische Batterie

Kapitel 20: Anwendungen der Photovoltaik

Kapitel 21: Zhong Lin Wang

(II) Beantwortung der öffentlichen Top-Fragen zur Energiegewinnung.

(III) Beispiele aus der Praxis für den Einsatz von Energiegewinnung in vielen Bereichen.

(III) Beispiele aus der Praxis für den Einsatz von Energiegewinnung in vielen Bereichen.

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(IV) 17 Anhänge, um kurz 266 neue Technologien in jeder Branche zu erklären, um ein umfassendes 360-Grad-Verständnis der Energy-Harvesting-Technologien zu erhalten.

An wen richtet sich dieses Buch

Profis, Studenten und Doktoranden, Enthusiasten, Bastler und diejenigen, die über grundlegende Kenntnisse oder Informationen für jede Art von Energy Harvesting hinausgehen möchten.

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Eine Milliarde Sachkundig [German]
• Erscheinungsdatum: 18. Okt. 2022

Buchvorschau

Urheberrecht

Energy Harvesting Copyright © 2022 von Fouad Sabry. Alle Rechte vorbehalten.

Alle Rechte vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf in irgendeiner Form oder mit elektronischen oder mechanischen Mitteln, einschließlich Informationsspeicher- und -abrufsystemen, ohne schriftliche Genehmigung des Autors reproduziert werden. Die einzige Ausnahme ist ein Rezensent, der kurze Auszüge in einer Rezension zitieren kann.

Cover entworfen von Fouad Sabry.

Dieses Buch ist ein Werk der Fiktion. Namen, Charaktere, Orte und Ereignisse sind entweder Produkte der Phantasie des Autors oder werden fiktiv verwendet. Jede Ähnlichkeit mit realen Personen, lebenden oder toten, Ereignissen oder Schauplätzen ist völlig zufällig.

Bonus

Sie können eine E-Mail an [e-mail] mit dem Betreff Energy Harvesting: Umwandlung der in der Umwelt vorhandenen Umgebungsenergie in elektrische Energie senden und Sie erhalten eine E-Mail mit den ersten Kapiteln dieses Buches.

Fouad Sabry

Besuchen Sie die Website von 1BK unter

www.1BKOfficial.org

Vorwort

Warum habe ich dieses Buch geschrieben?

Die Geschichte des Schreibens dieses Buches begann 1989, als ich Schüler der Secondary School of Advanced Students war.

Es ist bemerkenswert wie die STEM-Schulen (Wissenschaft, Technologie, Ingenieurwesen und Mathematik), die jetzt in vielen fortgeschrittenen Ländern verfügbar sind.

STEM ist ein Lehrplan, der auf der Idee basiert, Schüler in vier spezifischen Disziplinen - Wissenschaft, Technologie, Ingenieurwesen und Mathematik - in einem interdisziplinären und angewandten Ansatz auszubilden. Dieser Begriff wird typischerweise verwendet, um eine Bildungspolitik oder eine Lehrplanwahl in Schulen anzusprechen. Es hat Auswirkungen auf die Entwicklung der Arbeitskräfte, nationale Sicherheitsbedenken und die Einwanderungspolitik.

Es gab eine wöchentliche Klasse in der Bibliothek, in der jeder Schüler jedes Buch frei wählen und 1 Stunde lang lesen kann. Ziel des Kurses ist es, die Schüler zu ermutigen, andere Fächer als den Lehrplan zu lesen.

In der Bibliothek, während ich mir die Bücher in den Regalen ansah, bemerkte ich riesige Bücher, insgesamt 5.000 Seiten in 5 Teilen. Der Buchname ist The Encyclopedia of Technology, der alles um uns herum beschreibt, vomabsoluten Nullpunkt bis zu Halbleitern, fast jede Technologie wurde damals mit bunten Illustrationen und einfachen Worten erklärt. Ich fing an, die Enzyklopädie zu lesen, und natürlich konnte ich sie nicht in der 1-stündigen wöchentlichen Klasse beenden.

Also überzeugte ich meinen Vater, die Enzyklopädie zu kaufen. Mein Vater kaufte am Anfang meines Lebens alle technischen Werkzeuge für mich, den ersten Computer und die erste Technologie-Enzyklopädie, und beide haben einen großen Einfluss auf mich und meine Karriere.

Ich habe die gesamte Enzyklopädie in den Sommerferien dieses Jahres fertiggestellt, und dann begann ich zu sehen, wie das Universum funktioniert und wie man dieses Wissen auf alltägliche Probleme anwendet.

Meine Leidenschaft für die Technologie begann vor mehr als 30 Jahren und immer noch geht die Reise weiter.

Dieses Buch ist Teil von The Encyclopedia of Emerging Technologies, was mein Versuch ist, den Lesern die gleiche erstaunliche Erfahrung zu geben, die ich in der High School hatte, aber anstelle von Technologien des 20. Jahrhunderts  interessiere ich mich mehr für die aufkommenden Technologien, Anwendungen und Branchenlösungen des 21. Jahrhunderts.

The Encyclopedia of Emerging Technologies wird aus 365 Büchern bestehen, jedes Buch wird sich auf eine einzelne aufkommende Technologie konzentrieren. Sie können die Liste der neuen Technologien und ihre Kategorisierung nach Branchen im Teil von Coming Soon am Ende des Buches lesen.

365 Bücher, um den Lesern die Möglichkeit zu geben, ihr Wissen über eine einzige aufstrebende Technologie jeden Tag im Laufe eines Jahres zu erweitern.

Einleitung

Wie habe ich dieses Buch geschrieben?

In jedem Buch von The Encyclopedia of Emerging Technologies versuche ich, sofortige, rohe Sucheinblicke direkt aus den Köpfen der Menschen zu erhalten und ihre Fragen über die aufkommende Technologie zu beantworten.

Es gibt jeden Tag 3 Milliarden Google-Suchanfragen, von denen 20% noch nie zuvor gesehen wurden. Sie sind wie ein direkter Draht zu den Gedanken der Menschen.

Manchmal ist das Wie entferne ich Papierstaus. In anderen Fällen sind es die schmerzhaften Ängste und geheimen Sehnsüchte, die sie immer nur mit Google teilen würden.

In meinem Bestreben, eine unerschlossene Goldgrube an Content-Ideen über Energy Harvesting zu entdecken, benutze ich viele Tools, um Autocomplete-Daten von Suchmaschinen wie Google zu hören, und kurbele dann schnell jede nützliche Phrase und Frage heraus, die die Leute rund um das Stichwort Energy Harvesting stellen.

Es ist eine Goldgrube an Menscheneinblicken, die ich nutzen kann, um frische, äußerst nützliche Inhalte, Produkte und Dienstleistungen zu erstellen. Die freundlichen Menschen, wie Sie, wollen es wirklich.

Personensuchen sind der wichtigste Datensatz, der jemals über die menschliche Psyche gesammelt wurde. Daher ist dieses Buch ein Live-Produkt und wird ständig durch immer mehr Antworten auf neue Fragen zum Thema Energy Harvesting aktualisiert, die von Menschen wie Ihnen und mir gestellt werden, die sich über diese neue aufkommende Technologie wundern und mehr darüber erfahren möchten.

Der Ansatz für das Schreiben dieses Buches besteht darin, ein tieferes Verständnis dafür zu erlangen, wie Menschen rund um Energy Harvesting suchen, Fragen und Fragen zu enthüllen, die ich nicht unbedingt aus dem Kopf heraus denken würde, und diese Fragen in super einfachen und verdaulichen Worten zu beantworten und das Buch auf einfache Weise zu navigieren.

Wenn es darum geht, dieses Buch zu schreiben, habe ich darauf geachtet, dass es so optimiert und zielgerichtet wie möglich ist. Dieser Buchzweck ist es, den Menschen zu helfen, ihr Wissen über Energy Harvesting weiter zu verstehen und zu erweitern. Ich versuche, die Fragen der Menschen so genau wie möglich zu beantworten und viel mehr zu zeigen.

Es ist eine fantastische und schöne Möglichkeit, Fragen und Probleme der Menschen zu erforschen und sie direkt zu beantworten und dem Inhalt des Buches Einsicht, Bestätigung und Kreativität hinzuzufügen - sogar Pitches und Vorschläge. Das Buch deckt reiche, weniger überfüllte und manchmal überraschende Forschungsbereiche auf, die ich sonst nicht erreichen würde. Es besteht kein Zweifel, dass erwartet wird, dass es das Wissen der potenziellen Leser erweitert, nachdem das Buch mit diesem Ansatz gelesen wurde.

Ich habe einen einzigartigen Ansatz angewendet, um den Inhalt dieses Buches immer frisch zu machen. Dieser Ansatz hängt davon ab, den Köpfen der Menschen zuzuhören, indem die Suchwerkzeuge verwendet werden. Dieser Ansatz hat mir geholfen:

Treffen Sie die Leser genau dort, wo sie sind, damit ich relevante Inhalte erstellen kann, die einen Nerv treffen und mehr Verständnis für das Thema schaffen.

Bleiben Sie am Puls der Zeit, damit ich Updates erhalten kann, wenn die Leute auf neue Weise über diese aufkommende Technologie sprechen, und Trends im Laufe der Zeit überwachen kann.

Entdecken Sie verborgene Schätze von Fragen, die Antworten auf die aufkommende Technologie benötigen, um unerwartete Einblicke und versteckte Nischen zu entdecken, die die Relevanz des Inhalts erhöhen und ihm einen entscheidenden Vorteil verschaffen.

Der Baustein für das Schreiben dieses Buches umfasst Folgendes:

(1) Ich habe aufgehört, die Zeit mit Bauchgefühl und Vermutungen über die von den Lesern gewünschten Inhalte zu verschwenden, den Buchinhalt mit dem gefüllt, was die Leute brauchen, und mich von den endlosen Inhaltsideen verabschiedet, die auf Spekulationen basieren.

(2) Ich habe solide Entscheidungen getroffen und bin weniger Risiken eingegangen, um in der ersten Reihe zu sehen, was die Leute lesen und wissen wollen - in Echtzeit - und Suchdaten zu verwenden, um mutige Entscheidungen darüber zu treffen, welche Themen aufgenommen und welche ausgeschlossen werden sollen.

(3) Ich habe meine Content-Produktion optimiert, um Content-Ideen zu identifizieren, ohne einzelne Meinungen manuell durchsuchen zu müssen, um Tage und sogar Wochen Zeit zu sparen.

Es ist wunderbar, den Menschen zu helfen, ihr Wissen auf einfache Weise zu erweitern, indem sie nur ihre Fragen beantworten.

Ich denke, der Ansatz, dieses Buch zu schreiben, ist einzigartig, da es die wichtigen Fragen sammelt und verfolgt, die von den Lesern in Suchmaschinen gestellt werden.

Bestätigungen

Ein Buch zu schreiben ist schwieriger als ich dachte und lohnender, als ich es mir jemals hätte vorstellen können. Nichts davon wäre ohne die Arbeit renommierter Forscher möglich gewesen, und ich möchte ihre Bemühungen würdigen, das Wissen der Öffentlichkeit über diese neue Technologie zu verbessern.

Widmung

Für die Erleuchteten, diejenigen, die die Dinge anders sehen und wollen, dass die Welt besser wird - sie mögen den Status quo oder den bestehenden Staat nicht. Du kannst ihnen zu sehr widersprechen, und du kannst noch mehr mit ihnen streiten, aber du kannst sie nicht ignorieren, und du darfst sie nicht unterschätzen, weil sie immer Dinge verändern ... Sie treiben die menschliche Rasse voran, und während einige sie als die Verrückten oder Amateure betrachten, sehen andere Genie und Innovatoren, weil diejenigen, die erleuchtet genug sind, um zu denken, dass sie die Welt verändern können, diejenigen sind, die es tun und die Menschen zur Aufklärung führen.

Epigraph

Energy Harvesting ist der Akt der Gewinnung von Energie aus externen Quellen, der Erfassung dieser Energie und der Speicherung für die Verwendung durch winzige, drahtlose, autonome Geräte. Beispiele für diese Art von Geräten sind solche, die in tragbarer Elektronik und drahtlosen Sensornetzwerken verwendet werden.

Inhaltsverzeichnis

Urheberrecht

Bonus

Vorwort

Einleitung

Bestätigungen

Widmung

Epigraph

Inhaltsverzeichnis

Kapitel 1: Energy Harvesting

Kapitel 2: Piezoelektrizität

Kapitel 3: Nukleare elektrische Rakete

Kapitel 4: Pyroelektrizität

Kapitel 5: Wandler

Kapitel 6: Thermoelektrische Kühlung

Kapitel 7: Atombatterie

Kapitel 8: Elektronisches Bauteil

Kapitel 9: Optoelektrische Kernbatterie

Kapitel 10: Piezoelektrischer Sensor

Kapitel 11: Schrittmacher

Kapitel 12: Thermoelektrischer Generator

Kapitel 13: Thermoelektrischer Generator

Kapitel 14: Vibrationsbetriebener Generator

Kapitel 15: Thermoelektrischer Generator für Kraftfahrzeuge

Kapitel 16: Thermische Kupfersäulenbeule

Kapitel 17: Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Nanomotor

Kapitel 18: Energieautarke dynamische Systeme

Kapitel 19: Thermoelektrische Batterie

Kapitel 20: Thermosäulen-Lasersensor

Kapitel 21: Zhong Lin Wang

Epilog

Über den Autor

Demnächst

Anhänge: Neue Technologien in jeder Branche

Kapitel 1: Energy Harvesting

Energy Harvesting (EH), auch bekannt als Power Harvesting, Energy Scavenging oder Ambient Power, ist der Prozess, bei dem Energie aus externen Quellen (wie Solarenergie, Wärmeenergie, Windenergie, Salzgehaltsgradienten und kinetischer Energie, auch bekannt als Umgebungsenergie) gewonnen, erfasst und gespeichert wird für die Verwendung durch kleine, drahtlose, autonome Geräte, wie sie in tragbarer Elektronik und drahtlosen Sensornetzwerken verwendet werden. Energy Harvesting wird manchmal auch als Energie-Scavenging bezeichnet.

In den meisten Fällen sind Energy Harvester nur in der Lage, Niedrigenergiegeräte mit vernachlässigbarer Menge an Strom zu versorgen. Auch wenn der Brennstoff für bestimmte Großgeneratoren Ressourcen kostet (Öl, Kohle usw.), ist die Energiequelle für Energy Harvester als Umgebungshintergrundenergie vorhanden. Zum Beispiel können Temperaturgradienten durch die Funktion eines Verbrennungsmotors verursacht werden, und in Ballungsräumen gibt es aufgrund der Übertragung von Radio- und Fernsehsignalen eine erhebliche Menge elektromagnetischer Strahlung in der Atmosphäre.

Kristallradios sind eines der ersten Beispiele für Technologien, die Strom aus der Umwelt in Form von elektromagnetischer Umgebungsstrahlung (EMR) nutzen.

Es ist möglich, die Grundlagen der Energiegewinnung aus der Umgebungs-EMR anhand von nur grundlegenden Komponenten zu veranschaulichen.

Sowohl der militärische als auch der kommerzielle Sektor haben ein erhebliches Interesse an Energy-Harvesting-Systemen gezeigt, die Energie aus der Umgebung in elektrische Energie umwandeln. Einige Systeme sind in der Lage, Bewegungen, wie sie von Meereswellen erzeugt werden, in Energie umzuwandeln, die dann von ozeanographischen Überwachungsinstrumenten genutzt werden kann, um ihre Aufgaben autonom auszuführen. In Zukunft könnten Anwendungen Geräte mit hoher Leistung (oder Arrays solcher Geräte) umfassen, die in entfernten Gebieten installiert werden, um als zuverlässige Kraftwerke für große Systeme zu fungieren. Eine weitere Verwendung für die Energy-Harvesting-Technologie ist in tragbarer Elektronik, wo sie verwendet werden kann, um mobile Geräte wie Telefone, mobile Computer, Funkkommunikationsgeräte usw. mit Strom zu versorgen oder aufzuladen. Alle diese Geräte müssen sehr langlebig sein, damit sie längerem Kontakt mit gefährlichen Bedingungen standhalten, und sie müssen einen großen dynamischen Empfindlichkeitsbereich haben, damit sie das gesamte Spektrum der Wellenbewegungen nutzen können.

Kleine, autarke Sensoren, wie sie beispielsweise mit MEMS-Technologie hergestellt werden, können mit Energie versorgt werden, die ebenfalls erfasst werden kann. Die Abhängigkeit von Batteriestrom schränkt die Einsatzmöglichkeiten dieser Geräte ein, obwohl sie oft eher kompakt sind und relativ wenig Strom verbrauchen. Intelligente Sensoren könnten für immer funktionieren, wenn sie Energie aus Umweltfaktoren wie Vibrationen, Wind, Hitze oder Licht gewinnen könnten.

Die typischen Leistungsdichten, die von Energy-Harvesting-Geräten zugänglich sind, hängen weitgehend von der jeweiligen Anwendung ab, was sich wiederum auf die Größe des Generators sowie das Design des Harvesting-Generators selbst auswirkt.

Im Allgemeinen sind typische Werte für Geräte, die durch Bewegung angetrieben werden, einige μW / cm³ für Anwendungen mit dem menschlichen Körper und Hunderte von μW / cm³ für Generatoren, die von Maschinen angetrieben werden.

Ein Kondensator, ein Superkondensator oder eine Batterie sind Beispiele für Orte, an denen Energie gespeichert werden kann. Wenn eine Anwendung massive Energiestöße erfordert, sind Kondensatoren oft die Komponente der Wahl. Batterien werden verwendet, wenn das Gerät einen konstanten Energiefluss liefern muss, da sie weniger Energie abgeben als andere Stromquellen. Die Art der verwendeten Batterie wirkt sich auf diese Eigenschaften der Batterie aus. Obwohl traditionellere Batterietypen wie Nickel-Metallhydrid heute noch weit verbreitet sind, sind Blei-Säure- und Lithium-Ionen-Batterien zwei der am weitesten verbreiteten Arten von Batterien, die für diesen Zweck verwendet werden. Im Vergleich zu Batterien haben Superkondensatoren fast endlose Lade-Entlade-Zyklen und können daher unbegrenzt laufen. Dies macht sie ideal für den Einsatz im Internet der Dinge und in drahtlosen Sensorgeräten, da sie keine Wartung benötigen.

Unabhängige Sensornetzwerke ziehen mittlerweile im Bereich Low-Power-Energy-Harvesting viel Aufmerksamkeit auf sich. In diesen Anwendungen wird Energie geerntet und in einem Kondensator gespeichert, bevor sie verstärkt und gesteuert und an einen zweiten Speicherkondensator oder eine Batterie zur Verwendung im Mikroprozessor gesendet wird.

Das Wasserrad und die Windmühle sind zwei der ersten Beispiele für Geräte, die zur Energiegewinnung verwendet wurden. Seit vielen Jahrzehnten suchen Menschen nach verschiedenen Methoden, um die Energie, die durch Wärme und Vibrationen entsteht, zu speichern. Die Notwendigkeit, Sensornetzwerke und mobile Geräte ohne Batterie mit Strom zu versorgen, ist eine der Hauptmotivationskräfte hinter der Suche nach innovativen Energy-Harvesting-Systemen. Die Notwendigkeit, Lösungen für die Probleme des Klimawandels und der globalen Erwärmung zu finden, ist ein weiterer Faktor, der die Entwicklung von Energiesammeltechnologien vorantreibt.

Es gibt mehrere Energiequellen, die in kleinem Maßstab betrieben werden, die im Allgemeinen nicht auf industrielles Niveau skaliert werden können, um eine Leistung bereitzustellen, die der von Solar-, Wind- oder Wellenenergie im industriellen Maßstab entspricht:

Einige Armbanduhren, oft als automatische Zeitmesser bezeichnet, werden von kinetischer Energie angetrieben. In diesem Fall wird die Energie durch die Bewegung des Arms erzeugt. Die Wicklung seiner Zugfeder wird durch die Bewegung des Arms verursacht. In einer neueren Version, die Seiko als Kinetic bezeichnet, wird das Quarzwerk nicht von einer Batterie, sondern von der Bewegung eines Magneten in einem elektromagnetischen Generator angetrieben. Aufgrund der Bewegung gibt es eine Änderungsrate im Fluss, die dazu führt, dass einige induzierte EMK von den Spulen erzeugt wird. Die Idee ist in irgendeiner Weise mit Faradays Gesetz verbunden.

Photovoltaik ist eine Möglichkeit, Energie zu erzeugen, indem Sonnenstrahlung (sowohl innen als auch außen) in Gleichstrom umgewandelt wird, indem Halbleiter verwendet werden, die den photovoltaischen Effekt zeigen. Dies kann sowohl im Freien als auch in Innenräumen erfolgen. Sonnenkollektoren, von denen jede eine Anzahl von einzelnen Zellen hat, die ein photovoltaisches Material enthalten, werden bei der Stromerzeugung durch Photovoltaik verwendet. Beachten Sie, dass Photovoltaik heute im industriellen Maßstab produziert werden kann und dass es große Solarparks gibt.

Thermoelektrische Generatoren, auch TEGs genannt, bestehen aus einer Verbindung zwischen zwei verschiedenen Materialien und dem Vorhandensein eines Temperaturgradienten.

Die thermische Parallelschaltung mehrerer Übergänge bei elektrischer Reihenschaltung ermöglicht die Erzeugung großer Spannungsausgänge.

Die typische Leistung beträgt 100–300 μV/K pro Sperrschicht.

Diese können verwendet werden, um mW Energie aus verschiedenen Teilen von Industriemaschinen, Strukturen, sogar dem Körper eines Menschen zu ernten.

In den meisten Fällen werden Kühlkörper in