دستگاهی که برق را از راه دور ذخیره می کند

با این حال موانعی برای اینترنت اشیا باقی مانده است و بسیاری از کاربردهای بالقوه را خنثی می کند. چگونه این دستگاه ها را در شرایط و زمانی که منابع الکتریکی قابل اعتماد عملاً در دسترس نیستند، تغذیه می کنید؟

تحقیقات کالج مهندسی دانشگاه یوتا به راه حلی ممکن در قالب نوع جدیدی از باتری به نام سلول پیروالکتروشیمیایی (PEC) اشاره می کند.

این دستگاه در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی روزان وارن و چاد راندی که هر دو دانشیار مهندسی مکانیک هستند، توسعه و آزمایش شد.

وارن، نویسنده ارشد این مقاله می‌گوید: «این ایده ما برای دستگاهی یکپارچه است که می‌تواند انرژی حرارتی محیط را جمع‌آوری کند و آن را مستقیماً به انرژی الکتروشیمیایی ذخیره‌شده در قالب یک ابرخازن یا باتری با کاربردهایی برای اینترنت اشیا و حسگرهای توزیع‌شده تبدیل کند». مطالعه جدیدی که اثبات مفهوم را نشان می دهد.

او افزود: “ما در مورد سطوح بسیار پایین برداشت انرژی صحبت می کنیم، اما توانایی داشتن حسگرهایی که می توانند توزیع شوند و نیازی به شارژ مجدد در میدان ندارند، مزیت اصلی است.” ما فیزیک پایه آن را بررسی کردیم و دریافتیم که می تواند با افزایش دما یا کاهش دما، بار تولید کند.

این دستگاه با تغییر دما در محیط اطراف شارژ می شود، چه داخل ماشین یا هواپیما باشد یا حتی زیر خاک در یک محیط کشاورزی. در تئوری، PEC می‌تواند حسگرهایی را برای برنامه‌های IoT تامین کند که در غیر این صورت شارژ مجدد غیرعملی است.

به گفته راندی، یکی از نویسندگان این مطالعه، یک سلول خورشیدی در برخی شرایط به خوبی کار می کند.

راندی گفت: «اما در بسیاری از محیط‌ها، با دو مشکل مواجه می‌شوید. یکی از آنها این است که با گذشت زمان کثیف می شود. سلول های خورشیدی باید تمیز نگه داشته شوند. بنابراین در این نوع کاربردها، کثیف می شوند و قدرت آنها کاهش می یابد. و سپس برنامه های زیادی وجود دارد که در آنها نور خورشید در دسترس نیست. به عنوان مثال، ما روی سنسورهای خاک کار می کنیم که دقیقاً زیر سطح خاک قرار می دهیم.

PEC از یک ماده مرکب پیروالکتریک به عنوان جداکننده در یک سلول الکتروشیمیایی استفاده می کند. این ماده از پلی وینیلیدین فلوراید متخلخل (PVDF) و نانوذرات تیتانات باریم تشکیل شده است. خواص الکتریکی این ماده با گرم شدن یا سرد شدن تغییر می کند، که باعث کاهش یا افزایش پلاریزاسیون جداکننده پیروالکتریک می شود.

تغییر دما یک میدان الکتریکی در داخل سلول ایجاد می‌کند و یون‌ها را به اطراف فشار می‌دهد و سلول را قادر به ذخیره انرژی می‌کند.

تیم کوالچیک، نویسنده اصلی، دانشجوی فارغ التحصیل در آزمایشگاه وارن، گفت: “این الکتریسیته را در لایه ای دوگانه الکتریکی ذخیره می کند، که بار را در لایه های مثبت و منفی یون ها ذخیره می کند. این خازن جلالی است.” وقتی سیستم را گرم و سرد می‌کنید و انرژی الکتروشیمیایی را ذخیره می‌کنید، مقدار یون‌های مثبت یا منفی موجود در آن لایه‌ها را تغییر می‌دهید.»

مطالعه جدید نظریه آزمایشگاه را در مورد نحوه عملکرد سلول مورد آزمایش قرار داد ما یک مدل عملکرد پیش‌بینی‌شده داشتیم که شامل چیزی بود که در مقاله «اثر جهت‌گیری» نامیدیم. “اگر ما جهت جداکننده را در سلول برعکس تغییر دهیم، باید یونها را به سمت دیگری هدایت کنیم. این تغییری است که ما می توانیم در سیستم ایجاد کنیم که نتیجه متفاوتی را نشان می دهد که می توانیم جمع آوری کنیم.

آزمایش‌های این تیم برای تعیین اینکه آیا سلول‌ها همانطور که پیش‌بینی می‌کردند پاسخ می‌دهند یا خیر تنظیم شدند. علاوه بر اثر جهت گیری، گرمایش در مقابل وجود داشت . اثرات خنک کننده که نیاز به آزمایش داشتند.

سلول همان طور که تیم تئوری می کرد پاسخ داد، اما آیا می تواند خارج از آزمایشگاه کار کند؟ این سوال بعدی است که وارن به دنبال آن است. یکی از شاگردان او اکنون در حال مدل سازی مدار برای طراحی یک سلول و بهینه سازی عملکرد آن است.

وارن گفت: اکنون ما شروع به تغییر پارامترهای مختلف می کنیم. “چگونه می توانیم برداشت و ذخیره انرژی و ترکیب این دو را بهبود بخشیم؟ و پس از آن یک نمایش میدانی در دنیای واقعی خواهد بود.”

طبق این تحقیق، این سلول می‌تواند تا ۱۰۰ میکروژول در هر سانتی‌متر مربع را از یک چرخه گرمایش/سرمایش تولید کند که انرژی زیادی نیست، اما به اندازه‌ای است که برای اهداف اینترنت اشیا مفید باشد.

“شما می خواهید وضعیت ماشین خود، وضعیت ماشین آلات، وضعیت گیاهان و خاک و این قبیل چیزها را زیر نظر داشته باشید. این نوع سنسورها معمولاً قدرت کمی کمتر از ساعت هوشمند یا تلفن شما دارند. راندی گفت: نمایشگر دارند و داده های زیادی را منتقل می کنند. حسگرهایی که ما در مورد آنها صحبت می کنیم ممکن است فقط به روز رسانی های دوره ای را ارائه دهند و به طور مستقل عمل کنند. آنها رابط یا صفحه نمایش ندارند.