يوجد تطبيقات محددة في أنظمة حصاد الطاقة الدقيقة منخفضة التكلفة والأجهزة الإلكترونية الدقيقة منخفضة التكلفة وشبكات الاستشعار اللاسلكية، ومع تطوير الأدوات الإلكترونية والأجهزة الإلكترونية الدقيقة منخفضة التكلفة وشبكات (WSN)، حيث تزداد الحاجة إلى جهاز تخزين طاقة فعال وخفيف وموثوق، إن أنظمة تخزين الطاقة لها عيوب مثل التفريغ الذاتي وكثافة الطاقة ودورات الحياة والتكلفة.

 

مزايا وقيود أنظمة تخزين الطاقة المختلفة

 

الطاقة الكهربائية مهمة جدًا في الحياة، حيث تمنح الطاقة الكهربائية حياة أسرع للجميع أي التصنيع السريع في الصناعات والنقل الأسرع والتواصل الأسرع، أدت كل هذه الأشياء إلى زيادة الطلب على الأجهزة الإلكترونية الدقيقة منخفضة التكلفة، ومع التطورات البحثية يتم تحويل الأجهزة الإلكترونية التقليدية إلى أجهزة إلكترونية محمولة وشبكات استشعار لاسلكية (WSN) وأنظمة تجميع الطاقة الدقيقة (MEH).

 

تقوم شبكات (WSN) بجمع المعلومات من حقل مراقب بمساعدة مستشعرات منخفضة التكلفة، وتقوم بتوصيل هذه المعلومات إلى أماكن مميزة من خلال الشبكات اللاسلكية وتشمل هذه التطبيقات الأتمتة الزراعية والغرس الطبي ومعايير مختلفة كدرجة الحرارة والضغط والتسارع والاستشعار في السيارات، تلعب شبكات (WSN) (شبكة المستشعرات) والأجهزة الإلكترونية الدقيقة منخفضة التكلفة وأنظمة MEH دورًا مهمًا في الذكاء المحيط ويعتبر نظام الذكاء المحيط هو نظام إلكتروني حساس لوجود البشر.

 

إن تقنية (WSNs) هذه ليست قادرة فقط على جمع ومشاركة المعلومات من الأجهزة الإلكترونية على مستوى العالم ولكنها تقضي أيضًا على المعسر البشري في المواقف الصعبة وتقلل من تكلفة الاتصال مع تصميم الدوائر منخفضة الطاقة، حيث يتم أيضًا تقليل الطاقة المطلوبة لهذه الشبكات بشكل كبير، وعلى الرغم من هذه التطورات لا تزال البطاريات التقليدية تستخدم كأجهزة لتخزين الطاقة.

 

في بعض الحالات يكون استبدال هذه البطاريات الثقيلة مشكلة كبيرة، حيث تم تطوير طرق مختلفة لاستخراج الطاقة من مصادر الطاقة المحيطة لجعل الشبكات اللاسلكية مكتفية ذاتيًا، وعند تجميع الطاقة لمثل هذه التطبيقات تعد الطاقة المحيطة مصدر طاقة موثوقًا ومنخفض التكلفة، وهناك أشكال مختلفة من الطاقة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والكتلة الحيوية والحرارية وما إلى ذلك، وتعد الطاقة الاهتزازية المحيطة مصدرًا موثوقًا للطاقة للعديد من التطبيقات في الحياة.

 

أهمية تخزين الطاقة

 

للحصول على طاقة متولدة إضافية هناك حاجة إلى نظام تخزين فعال وموثوق ومنخفض التكلفة، هذا أحد التحديات لكن توفير هذه الطاقة للمستهلكين يمثل تحديًا آخر، حيث يعد تخزين وتوفير الطاقة الإضافية للمستهلكين مع تقليل فقد الطاقة وبتكلفة منخفضة أمرًا صعبًا للغاية، وتحتاج تكنولوجيا المستقبل في هندسة الطاقة إلى تغييرات ثورية.

 

لتقليل التكلفة وإدارة الطلب على الطاقة تحول اهتمام العالم نحو المصادر البديلة للطاقة أي الطاقة المتجددة، ويتمثل التحدي الرئيسي لأنظمة الطاقة المتجددة في اعتمادها على بعض العوامل التي يصعب السيطرة عليها، وأحد هذه العوامل هو الظروف المناخية، وتعد تقنية التخزين الهجين التي هي مزيج من المكثف الفائق والبطارية مفيدة جدًا لتخزين الطاقة والتحكم فيها.

 

وتستخدم هذه الطاقة في وقت الحاجة، إن جودة مخزن الطاقة الجيد هي توفير الطاقة في حالة انقطاع الطاقة، وتعتبر المكثفات الفائقة كالبطاريات بشكل فردي أو دمجها أفضل الأمثلة على أجهزة الطاقة الاحتياطية مع مقاومة سلسلة مكافئة أقل (ESR)، وتهتبر ESR هي مقاومة متسلسلة مكافئة بالنسبة لدائرة RC المثالية فهي تمثل فقدان الطاقة المفيدة في R و C كحرارة غير مرغوب فيها.

 

أظهرت التطورات الأخيرة في تخزين الطاقة الكهربائية (EES) نتائج جيدة مع المزيج الهجين من المكثفات الفائقة وبطاريات الليثيوم أيون، ويعد نظام EES الهجين جيدًا لتطبيقات الجهد المنخفض، وفي نظام EES الهجين هذا تزداد سعة المكثف الفائق وكثافة طاقته ويمكن إهمال مشاكل درجة الحرارة، حيث بُذلت جهود كبيرة لتصميم منطقة شرق إستوائية مختلطة.

 

  • كيفية تخزين الطاقة في المكثفات الفائقة: وفي هذه الأنظمة الهجينة تستخدم المكثفات الفائقة وأجهزة تخزين الطاقة تقنيات مختلفة مثل نقل الطاقة لاسلكيًا لنقل الطاقة أو طاقة الرياح وحصاد الطاقة الكهروضغطية منخفض التكلفة حيث تعتبر كمصادر للطاقة).

 

تناول المؤلفون الجمع بين المكثفات الفائقة والبطارية لتصميم EES هجين بكفاءة عالية الجهد، حيث يعتمد توافر الطاقة الإضافية على القيمة الأعلى للطاقة المحددة، وتوفر بطاريات الليثيوم أيون طاقة إضافية مقارنة بالمكثفات الفائقة على أساس طاقتها النوعية الأعلى.

 

أمثلة على أنظمة تخزين الطاقة

 

  • بطاريات قابلة للشحن: إن بطاريات المستهلك هي في الغالب أجهزة صغيرة وحيدة الخلية، ومن ناحية أخرى فإن البطاريات الصناعية كبيرة ومتعددة الخلايا، حيث تنمو صناعة البطاريات القابلة لإعادة الشحن يومًا بعد يوم؛ بسبب زيادة استخدام الأجهزة المحمولة مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وما إلى ذلك.

 

جميع هذه الأجهزة تعمل بالبطاريات كما زاد الطلب على البطاريات الثابتة في القطاعات الصناعية والفردية للتغلب على مشكلة فصل الأحمال الكهربائية تتوفر البطاريات القابلة لإعادة الشحن بأحجام مختلف من خلية واحدة، حيث إنها تستخدم في الألعاب والأجهزة الصغيرة إلى مجموعة الخلايا التي تستخدم في العديد من أنظمة الطاقة الاحتياطية مثل الدفع تحت الماء ومبادلات الهاتف.

 

في البطاريات الثانوية يعتمد الحد الأدنى من دورات الحياة على التطبيق، وعلى سبيل المثال يجب أن يكون لبطارية الجر المستخدمة في السيارات الكهربائية دورة حياة لا تقل عن 1000 دورة في حين أن البطارية الشمسية القابلة لإعادة الشحن المستخدمة في الأقمار الصناعية الأرضية لها عمر يقارب 20000 دورة.

 

  • نظام التخزين الكهربائي: تعد صناعة الإلكترونيات الدقيقة من أهم التقنيات، حيث يتم استخدام الطاقة الكهربائية وتحويلها والتحكم فيها، حيث أن التطبيقات الرئيسية للأجهزة الإلكترونية الدقيقة هي إمدادات الطاقة في العمليات الصناعية وتكنولوجيا القيادة ومعدات الإضاءة، أصبح تطبيق الأنظمة اللاسلكية أكثر شيوعًا هذه الأيام.

 

تعمل هذه الأنظمة إما بالبطاريات أو ذاتية الاستدامة لأنها تولد قوتها الخاصة من خلال نظام MEH من الموارد المحيطة، يعمل عدد لا يحصى من أجهزة الاستشعار اللاسلكية كل ثانية لتوفير معلومات حول الطقس والقصاص وما إلى ذلك، ونتيجة لهذه الشبكات اللاسلكية فإن اتجاه هذا العالم الذكي يتزايد يومًا بعد يوم، ويتم تشغيل هذه التريليونات من أجهزة الاستشعار اللاسلكية بواسطة بطاريات تحتاج إلى الشحن بعد فترة زمنية محددة.

 

إذا كان لدى كل شخص في المستقبل المئات من أجهزة الاستشعار اللاسلكية فسيكون من المستحيل توفير الطاقة، فلا يركز الباحثون فقط على تصميمات أفضل للبطاريات لهذه المستشعرات والأجهزة الإلكترونية الدقيقة، ولكن أيضًا على تصميمات البطاريات منخفضة التكلفة وذات الكفاءة العالية لهذه الأجهزة، حيث تتمتع تقنيات نظام EES بالوظائف الرئيسية الثلاث وهي الإدارة وتقليل الفجوة والتحسين والموثوقية في الأجهزة الإلكترونية.

 

تعتبر موارد الطاقة المحيطة الخيار الأفضل كمصدر للطاقة لكن التحدي الرئيسي في حصاد الطاقة من المصادر المحيطة هو عدم استقرار مصدر الطاقة، ونظرًا لانفجار بطاريات الليثيوم في كثير من الحالات والإيجابيات المرتبطة بها، يعتبر تصميم جهاز فعال هو أكثر موثوقية وفعالية من البطاريات التقليدية.