Емкость батареи и передача энергии
25.05.2013, 01:53
В особенности эта проблема характерна для наручных и нательных устройств: «умных» часов, беспроводных гарнитур, медицинских приборов, носимых компьютеров, поддерживающих ведение «протокола жизни», клавиатур и мышей, пультов дистанционного управления, электронных книг, цифровых камер, спутниковых навигаторов, смартфонов, беспроводных телефонов и т. д.
К счастью, ряд традиционных и новых технологий способны помочь в поисках источников энергии для осуществления мечты о повсеместных вычислениях, а пока в большинстве мобильных устройств используются перезаряжаемые ионно-литиевые батареи, и для многих оставлять свои устройства на ночную зарядку вошло в твердую привычку. Но если забыть об этом простом ритуале, то на следующий день вас могут ждать большие неудобства. Существуют также альтернативы перезаряжаемым батареям, и в связи с ростом применения повсеместных вычислений популярность некоторых из этих технологий в предстоящие годы может вырасти.
В наручных и настенных часах, а также в ряде других устройств используются одноразовые батареи, что для мобильных устройств пока неприемлемо, поэтому сегодня около 70% применяемых в мобильных устройствах перезаряжаемых батарей — это ионно-литиевые. При сравнении различных технологий перезаряжаемых батарей можно сопоставить много факторов, включая срок службы, время разряда при неиспользовании, безопасность и цену. Но обычно пользователя прежде всего интересует емкость батареи. По этому параметру батарейные технологии сильно отстают от закона Мура — прирост в емкости всего на 5% в год считается удачным достижением. Исключения обычно происходят, только когда меняется «химия» батарей — например, после перехода на рубеже XXI века с никелевых на литиевые электроды энергетическая плотность батарей почти удвоилась.
В химию ионно-литиевых батарей регулярно вносятся небольшие изменения, результатом чего становится инкрементальное повышение емкости, но от лабораторных экспериментов до массового рынка проходят годы, прежде чем исследователи добиваются стабильности новых составов, разрабатывают технологии производства и обеспечивают соответствие нормативным требованиям к безопасности, что особенно касается батарей повышенной емкости.
Одна из интересных разработок — тонкопленочная «твердотельная» технология, потенциально способная стать основой следующего поколения перезаряжаемых батарей. Благодаря твердым электролитам эти батареи обеспечивают более высокую энергетическую плотность и позволяют шире варьировать форм-факторы. Если исследователи сумеют сделать твердотельные батареи более доступными по цене и решить проблему температурной чувствительности, то уже к концу нынешнего десятилетия появятся батареи вдвое-втрое большей емкости, чем у ионно-литиевых. Источники бесперебойного питания Eaton Powerware с технологией двойного преобразования обеспечивают надежную защиту электропитания IT-инфраструктур.
Более высокую энергетическую плотность также обещают графеновые батареи, но пока нет возможности их массового выпуска.
Еще одна перспективная технология — топливные элементы, заправляемые горючим (водородом, природным газом или метанолом), однако непрактичность ограничивает сегодня их коммерческое применение в малых портативных устройствах, но если сложности удастся преодолеть, нас также ждет качественный скачок емкости элементов питания.
Вне зависимости от емкости батареи в какой-то момент ее придется перезаряжать — без упрощения этого процесса воплотить в жизнь идею повсеместных вычислений нельзя.
Один из подходов — ускорение процесса зарядки, однако существуют фундаментальные пределы скорости преобразования электрической энергии в химическую, и попытки их преодолеть обычно приводят к сокращению срока службы батареи, снижению ее емкости, а иногда и к потере безопасности. Но проводимые сегодня исследования в области графеновых батарей со временем могут привести к ускорению зарядки.
Многообещающей альтернативой батареям являются «суперконденсаторы», которые в принципе можно использовать для снабжения энергией электронных устройств, однако, в отличие от батарей, они получают и отдают энергию очень быстро. Пока еще плотность на порядок меньше, чем у обычных батарей, но удобство очень быстрой зарядки для некоторых применений важнее.
Еще один путь — упрощение процедуры перехода в режим зарядки. В этом могут помочь новшества вроде магнитов, автоматически втягивающих зарядный кабель в нужный разъем.
Альтернатива сверхбыстрой зарядке — физическая замена истощенной батареи на полностью заряженную. Замена батарей, однако, дело неудобное, особенно «на ходу». А если у вас множество устройств с батареями разных типов, приходится брать в дорогу запасные для каждого. К тому же в последнее время растет тенденция использования встроенных батарей, которые нельзя заменять. Решение предлагают такие компании, как Energizer и Revolve: портативные внешние батареи, с помощью которых можно подзаряжать мобильные устройства.
Возможно, идеальным решением для мобильных устройств были бы системы сбора энергии, позволяющие электронике работать вообще без батарей. В ряде исследований изучались возможности сбора энергии из различных источников: вибрации, солнца и т. п. В беспроводных датчиках, применяемых для мониторинга промышленного оборудования, энергии вибраций или разницы температур вполне может хватать на непрерывное электропитание, но, когда источник энергии непостоянен, нужна еще система ее хранения — например, батарея или конденсатор.
Некоторые устройства могут получать энергию от самого пользователя (например, радиоприемники и фонарики с ручными электрогенераторами). С недавнего времени также начали появляться устройства, собирающие энергию от использования их самих.
Еще один способ снабжения энергией — ее «вливание» в окружающую среду для беспроводной передачи устройствам. Индуктивная зарядка набирает популярность благодаря прогрессу в скорости передачи энергии и начатой недавно стандартизации, обеспечившей интероперабельность зарядников от разных производителей. Однако дальность индуктивной передачи энергии ограниченна ввиду резкого падения силы магнитного поля с расстоянием, но дистанцию можно значительно увеличить, если воспользоваться способностью электромагнитного поля к самора спространению.
Впервые это свойство получило широкое применение в детекторных приемниках. Основанные на единственном полупроводниковом элементе, эти устройства собирали энергию электромагнитного излучения радиопередачи. Детекторные приемники сегодня уже не применяются, но на аналогичный принцип полагаются пассивные радиометки радиочастотной идентификации, энергию которым передает антенна считывающего устройства. Специалисты Intel и Вашингтонского университета расширили концепцию RF1D, создав широкопрофильную сенсорную платформу WISP (Wireless Identification Sensing Platform), которая получает энергию от радиопередатчика, обмениваясь с ним информацией.
Авторы проекта VoodoolO предлагают иной способ энергоснабжения без проводов. Миниатюрные кнопочные переключатели и устройства отображения информации (рис. 4) лишены батарей, но оснащены булавочными иглами. При вставке те устанавливают электрический контакт с проводящей сеткой, которая обеспечивает обмен данными и доставляет энергию.
В рамках проекта Networked Surfaces в физические поверхности, например в крышку стола, встраивались сетевая аппаратура и блоки питания, и исследователи оснащали мобильные устройства — ноутбуки, КПК и цифровые камеры — модулями, соприкасавшимися с контактами на такой поверхности для получения энергии.
В стремлении воплотить в жизнь идею повсеместных вычислений легко забыть о проблеме энергоснабжения, однако пока без источника питания мобильные устройства не смогут стать по-настоящему повсеместными.
Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам
зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.
27.04 01:14
