Colheita De Energia: Convertendo a energia ambiente presente no ambiente em energia elétrica

De Fouad Sabry

O que é Energy Harvesting

Energy Harvesting é o ato de obter energia de fontes externas, capturar essa energia e armazená-la para uso em pequenos dispositivos autônomos sem fio. Exemplos desses tipos de dispositivos incluem aqueles usados ​​em eletrônicos vestíveis e redes de sensores sem fio.

Como você se beneficiará

(I) Insights e validações sobre os seguintes tópicos:

Capítulo 1: Colheita de energia

Capítulo 2: Piezoeletricidade

Capítulo 3: Foguete elétrico nuclear

Capítulo 4: Piroeletricidade

Capítulo 5: Transdutor

Capítulo 6: Bateria atômica

Capítulo 7: Componente eletrônico

Capítulo 8: Dispositivo betavoltaico

Capítulo 9: Bateria nuclear optoelétrica

Capítulo 10: Marcadores de ritmo

Capítulo 11: Microenergia

Capítulo 12: Gerador termoelétrico

Capítulo 13: Transdutor ultrassônico

Capítulo 14: Gerador alimentado por vibração

Capítulo 15: Gerador termoelétrico automotivo

Capítulo 16: Colisão de pilar de cobre térmico

Capítulo 17: Nanogerador

Capítulo 18: Sistemas dinâmicos autoalimentados

Capítulo 19: Bateria termoelétrica

Capítulo 20: Aplicações da energia fotovoltaica

Capítulo 21: Zhong Lin Wang

(II) Respondendo às principais perguntas do público sobre coleta de energia.

(III) Exemplos do mundo real para o uso da coleta de energia em muitos campos.

(IV) 17 apêndices para explicar, resumidamente, 266 tecnologias emergentes em cada setor para ter uma compreensão completa de 360 ​​graus das tecnologias de captação de energia.

Para quem este livro é

Profissionais, estudantes de graduação e pós-graduação, entusiastas, hobistas e aqueles que desejam ir além do conhecimento ou informação básica para qualquer tipo de captação de energia.

• Idioma: Português
• Editora: Um Bilhão Bem Informado [Portuguese]
• Data de lançamento: 10 de nov. de 2022

Pré-visualização do livro

Direitos autorais

Energy Harvesting Copyright © 2022 por Fouad Sabry. Todos os direitos reservados.

Todos os direitos reservados. Nenhuma parte deste livro pode ser reproduzida sob qualquer forma ou por qualquer meio eletrónico ou mecânico, incluindo sistemas de armazenamento e recuperação de informações, sem autorização por escrito do autor. A única exceção é por um revisor, que pode citar pequenos excertos numa revisão.

Capa desenhada por Fouad Sabry.

Este livro é uma obra de ficção. Nomes, personagens, lugares e incidentes são produtos da imaginação do autor ou são usados de forma fictícia. Qualquer semelhança com pessoas reais, vivas ou mortas, eventos ou locais é inteiramente coincidência.

Bónus

Pode enviar um e-mail para [e-mail] com a rubrica Energy Harvesting: Converting environmental energy present in the environment in electric energy, e receberá um e-mail que contém os primeiros capítulos deste livro.

Fouad Sabry

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www.1BKOfficial.org

Prefácio

Por que escrevi este livro?

A história de escrever este livro começou em 1989, quando eu era estudante na Escola Secundária de Estudantes Avançados.

É notavelmente como as escolas STEM (Ciência, Tecnologia, Engenharia e Matemática), que estão agora disponíveis em muitos países avançados.

O STEM é um currículo baseado na ideia de educar os alunos em quatro disciplinas específicas - ciência, tecnologia, engenharia e matemática - numa abordagem interdisciplinar e aplicada. Este termo é normalmente usado para abordar uma política de educação ou uma escolha curricular nas escolas. Tem implicações no desenvolvimento da força de trabalho, nas preocupações de segurança nacional e na política de imigração.

Havia uma aula semanal na biblioteca, onde cada aluno é livre de escolher qualquer livro e ler durante 1 hora. O objetivo da aula é incentivar os alunos a lerem outras disciplinas que não o currículo educativo.

Na biblioteca, enquanto olhava para os livros nas prateleiras, notei livros enormes, num total de 5.000 páginas em 5 partes. O nome dos livros é A Enciclopédia da Tecnologia, que descreve tudo à nossa volta, from absoluto zero a semicondutores, quase todas as tecnologias, na altura, foram explicadas com ilustrações coloridas e palavras simples. Comecei a ler a enciclopédia, e claro, não consegui terminá-la na aula semanal de 1 hora.

Então, convenci o meu pai a comprar a enciclopédia. O meu pai comprou-me todas as ferramentas tecnológicas no início da minha vida, o primeiro computador e a primeira enciclopédia tecnológica, e ambos têm um grande impacto em mim e na minha carreira.

Terminei toda a enciclopédia nas mesmas férias de verão deste ano, e então comecei a ver como o universo funciona e como aplicar esse conhecimento aos problemas do dia-a-dia.

A minha paixão pela tecnologia começou há mais de 30 anos e ainda assim a viagem continua.

Este livro faz parte da Enciclopédia das Tecnologias Emergentes que é a minha tentativa de dar aos leitores a mesma experiência incrível que tive quando andava no liceu, mas em vez de tecnologias do século XX, estou mais interessado nas tecnologias emergentes do século XXI, aplicações e soluções industriais.

A Enciclopédia das Tecnologias Emergentes será composta por 365 livros, cada livro será focado numa única tecnologia emergente. Pode ler a lista de tecnologias emergentes e a sua categorização pela indústria na parte de Em breve, no final do livro.

365 livros para dar aos leitores a oportunidade de aumentar os seus conhecimentos sobre uma única tecnologia emergente todos os dias, no decurso de um ano.

Introdução

Como escrevi este livro?

Em todos os livros de A Enciclopédia das Tecnologias Emergentes, estou a tentar obter insights instantâneos, de pesquisa bruta, diretamente das mentes das pessoas, tentando responder às suas perguntas sobre a tecnologia emergente.

Há 3 mil milhões de pesquisas no Google todos os dias, e 20% delas nunca foram vistas antes. São como uma linha direta para os pensamentos das pessoas.

Às vezes, é Como é que retiro o encravamento de papel. Outras vezes, são os medos e os desejos secretos que só se atreveriam a partilhar com o Google.

Na minha busca para descobrir uma mina de ouro inexplorada de ideias de conteúdo sobre Colheita de Energia, uso muitas ferramentas para ouvir dados autocompletos de motores de busca como o Google, e rapidamente escolho todas as frases e perguntas úteis, as pessoas estão a perguntar em torno da palavra-chave Colheita de Energia.

É uma mina de ouro de pessoas introspeção, posso usar para criar conteúdo fresco, ultra-útil, produtos e serviços. Do tipo que pessoas, como tu, realmente querem.

As pesquisas de pessoas são o conjunto de dados mais importante alguma vez recolhido na psique humana. Portanto, este livro é um produto vivo, e constantemente atualizado por cada vez mais respostas para novas perguntas sobre Colheita de Energia, feitas por pessoas, tal como tu e eu, a questionarem-se sobre esta nova tecnologia emergente e gostariam de saber mais sobre isso.

A abordagem para escrever este livro é obter um nível mais profundo de compreensão de como as pessoas procuram em torno de Colheita de Energia, revelando perguntas e perguntas que eu não pensaria necessariamente fora da minha cabeça, e respondendo a estas perguntas em palavras super fáceis e digestivas, e para navegar o livro de uma forma simples.

Por isso, quando se trata de escrever este livro, assegurei-me de que está o mais otimizado e direcionado possível. Este propósito do livro está a ajudar as pessoas a compreender e a desenvolver os seus conhecimentos sobre a Colheita de Energia. Estou a tentar responder as perguntas das pessoas o mais de perto possível e a mostrar muito mais.

É uma forma fantástica e bonita de explorar questões e problemas que as pessoas têm e responder diretamente, e adicionar insights, validação e criatividade ao conteúdo do livro – até mesmo pitchs e propostas. O livro revela áreas ricas, menos aglomeradas e, por vezes, surpreendentes, de procura de investigação que eu não alcançaria de outra forma. Não há dúvida de que, espera-se que aumente o conhecimento da mente dos potenciais leitores, depois de ler o livro usando esta abordagem.

Apliquei uma abordagem única para tornar o conteúdo deste livro sempre fresco. Esta abordagem depende de ouvir as mentes das pessoas, utilizando as ferramentas de escuta de pesquisa. Esta abordagem ajudou-me a:

Conheça os leitores exatamente onde estão, para que eu possa criar conteúdo relevante que atinge um acorde e impulsiona mais compreensão ao tema.

Mantenha o meu dedo firmemente no pulso, para que eu possa obter atualizações quando as pessoas falam sobre esta tecnologia emergente de novas maneiras, e monitorizar as tendências ao longo do tempo.

Descobrir tesouros ocultos de perguntas precisa de respostas sobre a tecnologia emergente para descobrir insights inesperados e nichos ocultos que impulsionam a relevância do conteúdo e lhe dão uma vantagem vencedora.

O bloco de construção para escrever este livro inclui o seguinte:

(1) Deixei de perder tempo com a intuição e a adivinhação sobre os conteúdos desejados pelos leitores, preenchi o conteúdo do livro com o que as pessoas precisam e despedi-me das intermináveis ideias de conteúdo baseadas em especulações.

(2) Tomei decisões sólidas e tomei menos riscos, para conseguir lugares na primeira fila para o que as pessoas querem ler e querem saber - em tempo real - e utilizar dados de pesquisa para tomar decisões ousadas, sobre quais os tópicos a incluir e quais os tópicos a excluir.

(3) Racionalizei a minha produção de conteúdos para identificar ideias de conteúdo sem ter de analisar manualmente as opiniões individuais para poupar dias e até semanas de tempo.

É maravilhoso ajudar as pessoas a aumentar os seus conhecimentos de uma forma simples, respondendo apenas às suas perguntas.

Penso que a abordagem da escrita deste livro é única à medida que se colide, e acompanha as questões importantes que os leitores fazem sobre os motores de busca.

Agradecimentos

Escrever um livro é mais difícil do que pensava e mais gratificante do que alguma vez poderia imaginar. Nada disto teria sido possível sem o trabalho concluído por investigadores de prestígio, e gostaria de reconhecer os seus esforços para aumentar o conhecimento do público sobre esta tecnologia emergente.

Dedicatória

Para os esclarecidos, aqueles que vêem as coisas de forma diferente, e querem que o mundo seja melhor. Podes discordar demasiado deles, e podes discutir ainda mais com eles, mas não podes ignorá-los, e não podes subestimá-los, porque mudam sempre as coisas... empurram a raça humana para a frente, e enquanto alguns podem vê-los como os loucos ou amadores, outros vêem génio e inovadores, porque aqueles que são iluminados o suficiente para pensar que podem mudar o mundo, são os que o fazem, e levam as pessoas à iluminação.

Epígrafe

A colheita de energia é o ato de obter energia de fontes externas, capturando essa energia, e armazenando-a para uso por pequenos dispositivos sem fios e autónomos. Exemplos deste tipo de dispositivos incluem os usados em sistemas eletrónicos wearables e redes de sensores sem fios.

Tabela de Conteúdos

Direitos autorais

Bónus

Prefácio

Introdução

Agradecimentos

Dedicatória

Epígrafe

Tabela de Conteúdos

Capítulo 1: Colheita de energia

Capítulo 2: Piezoeletricidade

Capítulo 3: Foguete elétrico nuclear

Capítulo 4: Piroeletricidade

Capítulo 5: Transdutor

Capítulo 6: Arrefecimento termoelétrico

Capítulo 7: Bateria atómica

Capítulo 8: Componente eletrónico

Capítulo 9: Bateria nuclear optoeléctrica

Capítulo 10: Sensor piezoelétrico

Capítulo 11: Pacesetters

Capítulo 12: Gerador termoelétrico

Capítulo 13: Gerador termoelétrico

Capítulo 14: Gerador alimentado por vibrações

Capítulo 15: Gerador termoelétrico automolétrico

Capítulo 16: Colisão do pilar de cobre térmico

Capítulo 17: Nanomotor de nanotubos de carbono

Capítulo 18: Sistemas dinâmicos autoalimentados

Capítulo 19: Bateria termoelétrica

Capítulo 20: Sensor laser termósia

Capítulo 21: Zhong Lin Wang

Epílogo

Sobre o Autor

Brevemente

Apêndices: Tecnologias Emergentes em Cada Indústria

Capítulo 1: Colheita de energia

A colheita de energia (EH), também conhecida como colheita de energia, limpeza de energia ou energia ambiente, é o processo pelo qual a energia é derivada de fontes externas (como a energia solar, a energia térmica, a energia eólica, os gradientes de salinidade e a energia cinética, também conhecida como energia ambiente), capturada e armazenada para utilização por pequenos dispositivos sem fios, autónomos, como os utilizados em sistemas eletrónicos wearables e sensores sem fios. A colheita de energia também é por vezes referida como limpeza de energia.

Na maioria dos casos, os produtores de energia só são capazes de fornecer uma quantidade insignificante de energia a dispositivos de baixa energia. Mesmo que o combustível de entrada para certos geradores de grande escala custe recursos (petróleo, carvão, etc.), a fonte de energia para os produtores de energia está presente como energia de fundo ambiente. Por exemplo, os gradientes de temperatura podem ser causados pelo funcionamento de um motor de combustão, e nas áreas metropolitanas, há uma quantidade significativa de radiação eletromagnética na atmosfera devido à transmissão de sinais de rádio e televisão.

Os rádios cristalinos são um dos primeiros exemplos de tecnologia que usou a eletricidade colhida do ambiente sob a forma de radiação eletromagnética ambiente (EMR).

É possível ilustrar os fundamentos da colheita de energia a partir da EMR ambiente utilizando apenas componentes fundamentais.

Tanto os sectores militar como comercial demonstraram um interesse significativo em sistemas de colheita de energia que transformam a energia do ambiente circundante em energia elétrica. Alguns sistemas são capazes de transformar o movimento, como o produzido pelas ondas oceânicas, em energia, que pode então ser utilizada por instrumentos de monitorização oceanográfica para realizar as suas tarefas de forma autónoma. No futuro, as aplicações podem incluir dispositivos com alta potência (ou matrizes desses dispositivos), que são instalados em áreas distantes, de forma a funcionarem como centrais elétricas fiáveis para sistemas enormes. Outro uso para a tecnologia de recolha de energia é em electrónica wearable, onde pode ser usado para alimentar ou recarregar dispositivos móveis, tais como telefones, computadores móveis, equipamentos de comunicação de rádio, e assim por diante. Todos estes dispositivos precisam de ser muito duráveis para que possam suportar um contacto prolongado com condições perigosas, e precisam de ter uma ampla gama de sensibilidade dinâmica para que possam tirar partido de todo o espectro de movimentos de ondas.

Pequenos sensores autossuficientes, como os produzidos com tecnologia MEMS, são capazes de ser alimentados por energia que também pode ser capturada. A dependência da bateria restringe o leque de aplicações para estes dispositivos, apesar de muitas vezes serem bastante compactos e utilizarem relativamente pouca eletricidade. Os sensores inteligentes poderiam continuar a funcionar para sempre se pudessem recolher energia de fatores ambientais como vibrações, vento, calor ou luz.

As densidades de energia típicas acessíveis a partir de dispositivos de colheita de energia dependem em grande parte da aplicação em questão, que por sua vez tem um efeito sobre o tamanho do gerador, bem como a conceção do próprio gerador de colheita.

Em geral, para os gadgets que são alimentados por movimento, os valores típicos são alguns μW/cm³ para aplicações movidas a corpo humano e centenas de μW/cm³ para geradores alimentados a partir de máquinas.

Um condensador, um super condensador ou uma bateria são exemplos de locais onde a energia pode ser armazenada. Quando uma aplicação requer explosões maciças de energia, os condensadores são muitas vezes o componente de escolha. As pilhas são utilizadas quando o gadget tem de fornecer um fluxo de energia consistente, uma vez que libertam menos energia do que outras fontes de energia. O tipo de bateria que é utilizada tem um efeito nestas características da bateria. Embora os tipos de baterias mais tradicionais, como o hidriumo metálico de níquel, ainda estejam em uso generalizado hoje em dia, as baterias de ácido de chumbo e iões de lítio são dois dos tipos mais prevalentes de baterias que são usadas para este fim. Quando comparados com as pilhas, os super condensadores têm ciclos de descarga de carga quase intermináveis e podem, consequentemente, funcionar indefinidamente. Isto torna-os ideais para uso na Internet das Coisas e dispositivos sensores sem fios, uma vez que eliminam a necessidade de manutenção.

As redes de sensores independentes estão agora a chamar muita atenção no domínio da colheita de energia baixa. Nestas aplicações, a energia é colhida e armazenada num condensador antes de ser reforçada e controlada e enviada para um segundo condensador de armazenamento ou bateria para utilização no microprocessador.

A roda d'água e o moinho de vento são dois dos primeiros exemplos de dispositivos que foram usados para recolher energia. Por muitas décadas, as pessoas têm procurado métodos diferentes para armazenar a energia que vem do calor e das vibrações. A necessidade de alimentar redes de sensores e dispositivos móveis sem o uso de baterias é uma das principais forças motivadoras por detrás da caça a sistemas inovadores de recolha de energia. A necessidade de encontrar soluções para os problemas das alterações climáticas e do aquecimento global é outro fator que impulsiona o desenvolvimento de tecnologias de recolha de energia.

Existem várias fontes de energia que operam em pequena escala que, em geral, não podem ser dimensionados para o nível industrial, a fim de fornecer uma produção igual à da energia solar, eólica ou de ondas que operam à escala industrial:

Alguns relógios de pulso, muitas vezes conhecidos como relógios automáticos, são alimentados por energia cinética; neste caso, a energia é gerada pelo movimento do braço. O enrolamento da sua mola principal é causado pelo movimento do braço. Numa versão mais recente, a que Seiko se refere como Cinética, o movimento do quartzo é alimentado não por uma bateria, mas pelo movimento de um íman dentro de um gerador eletromagnético. Por causa do movimento, há uma taxa de mudança no fluxo, o que faz com que alguns emf induzidos sejam produzidos pelas bobinas. A ideia está ligada à Lei do Faraday de alguma forma.

A fotovoltaica é uma forma de gerar energia convertendo a radiação solar (tanto no interior como no exterior) em eletricidade de corrente direta usando semicondutores que mostram o efeito fotovoltaico. Isto pode ser feito tanto no exterior como no interior. Os painéis solares, cada um dos quais tem uma série de células individuais que contêm um material fotovoltaico, são usados no processo de produção de eletricidade através de fotovoltaicas. Tome nota de que as fotovoltaicas podem agora ser produzidas à escala industrial, e que existem grandes explorações solares.

Os geradores termoelétricos, também conhecidos como TEGs, são constituídos por uma ligação entre dois materiais diferentes e a existência de um gradiente de temperatura.

A ligação de várias junções térmicas paralelamente, ao mesmo tempo que as liga electricamente em série, permite a produção de grandes saídas de tensão.

O desempenho típico é de 100 a 300 μV/K por junção.

Estes podem ser usados para colher mWs de energia de várias peças de maquinaria industrial, estruturas, até mesmo o corpo de um ser humano.

Na maioria dos casos, os lavatórios de calor são usados em conjunto com eles para alcançar o gradiente de temperatura desejado.

As micro turbinas eólicas são usadas para recolher energia eólica facilmente acessível no ambiente sob a forma de energia cinética para alimentar dispositivos eletrónicos de baixa potência, como nós de sensores sem fios. Este tipo de energia pode