Elektronika pozyskująca energię: Od CES 2025 do przyszłości bez baterii

Branża elektroniczna stoi na progu cichej rewolucji. Przez dziesięciolecia nasze urządzenia – od inteligentnych czujników i urządzeń noszonych po zdalne monitory – polegały na jednorazowych bateriach, które są kosztowne w wymianie i trudne do recyklingu. Ale co, jeśli te urządzenia mogłyby zasilać się same?

Dzięki przełomom w dziedzinie zbierania energii, urządzenia samozasilające stają się rzeczywistością. Od generatorów kinetycznych po hybrydy fotowoltaiczne, nowe komponenty do zbierania energii zbierają otaczającą energię i przekształcają ją w elektryczność z rosnącą efektywnością. Rezultat? Systemy elektroniczne, które mogą działać autonomicznie przez lata, albo całkowicie bez baterii, albo drastycznie wydłużając żywotność baterii.

Revolucja Samowystarczalnej Energii

Na targach Consumer Electronics Show w 2025 roku w Las Vegas, dziesiątki firm zaprezentowało praktyczne zastosowania zbierania energii, sygnalizując zmianę w kierunku zrównoważonej, wolnej od konserwacji elektroniki. Oto spojrzenie na niektóre z wyjątkowych innowacji z CES, które sprawiają, że systemy bezbateriowe są nie tylko możliwe, ale praktyczne.

Indukcja elektromagnetyczna i zbieranie energii kinetycznej

Jak ruch może generować znaczącą moc? WePower Technologies odpowiedziało na to pytanie na CES 2025, prezentując linię produktów Gemns^™ Energy Harvesting Generator. Technologia elektromagnetycznej indukcji firmy wykorzystuje stałe, oscylujące magnesy do wytwarzania elektryczności z ruchu, dostarczając 30 razy większą moc wyjściową (w zakresie milidżuli) niż istniejące technologie zbierania energii kinetycznej (zazwyczaj w zakresie mikrodżuli).

Ta wyższa efektywność wynika z unikalnej konfiguracji oscylujących magnesów WePower, która maksymalizuje gęstość strumienia przy minimalnym oporze mechanicznym. W przeciwieństwie do konwencjonalnych zbieraczy kinetycznych, które polegają na ruchu liniowym, ich projekt zawiera specjalne układy biegunów magnetycznych, które generują wyższe napięcia indukowane nawet przy subtelnych ruchach, skutecznie przekształcając większy procent energii mechanicznej na wyjście elektryczne. Na targach WePower zademonstrowało praktyczne zastosowania tej technologii w detektorach wycieków wody i kontrolerach przemysłowych.

Podobne podejście zastosowali badacze z MIT, którzy opracowali czujnik bezbateriowy, który zbiera energię z pól magnetycznych wokół przewodów elektrycznych, umożliwiając monitorowanie temperatury w czasie rzeczywistym bez zewnętrznych źródeł zasilania.

Moduł baterii monety z wbudowanym zasilaniem (SCPS) firmy SMK Electronics zdobył Nagrodę za Innowacje CES 2025 za stworzenie pierwszego w branży modułu zbierającego energię, mającego zastąpić standardowe baterie monety CR2032. Przełom ten może pomóc wyeliminować miliardy baterii monety używanych w czujnikach, tagach i śledzikach.

Optymalizacja napędzana sztuczną inteligencją i zarządzanie energią

Integrowana sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe poprawiają systemy zbierania energii poprzez optymalizację zarządzania mocą. Algorytmy napędzane SI dostosowują strategie zbierania energii w czasie rzeczywistym, maksymalizując efektywność z takich źródeł jak energia słoneczna, termiczna czy wibracyjna. SI coraz częściej staje się mózgiem za autonomią energetyczną, pomagając urządzeniom podejmować mądrzejsze decyzje dotyczące mocy w locie. 

Na CES 2025, e-peas zaprezentowało swoje zintegrowane obwody do zbierania energii z dwóch źródeł AEM13920, które optymalizują moc z źródeł opartych na świetle i ruchu. Ich demonstracje wykrywania ruchu, czujników drzwi i monitorowania dwutlenku węgla potwierdziły, że praktyczne aplikacje bez baterii są teraz wykonalne. Dyrektor generalny Geoffroy Gosset podkreślił, że "autonomia energetyczna dla inteligentnych domów i budynków staje się coraz bardziej krytyczna" w miarę jak deweloperzy dążą do eliminacji wpływu na środowisko i kosztów wymiany baterii.

Generatory elektrostatyczne i jednostki zarządzania energią

Badacze opracowali jednostki zarządzania energią (EMU) o wysokiej wydajności, które rozwiązują problem niedopasowania impedancji w generatorach elektrostatycznych, zwiększając efektywność do 50%. Te nowe projekty EMU zawierają lampy z przełącznikiem iskrowym oraz przetwornice obniżające napięcie, osiągając wyjścia prądu stałego na poziomie nawet 79,2 mW m⁻² rps⁻¹ w rotacyjnych generatorach elektretowych. Taki poziom wydajności czyni te jednostki silnym kandydatem do zasilania czujników w trudnych warunkach, gdzie niezawodność jest kluczowa, a okablowanie nie jest możliwe. 

Fotowoltaiczne i hybrydowe systemy

Dzięki postępom w technologii solarnych, takich jak przezroczyste i elastyczne ogniwa, zbieranie energii świetlnej pozostaje dominujące i jest coraz częściej integrowane z systemami hybrydowymi. Czujniki bezbateriowe firmy EnOcean, na przykład, wykorzystują światło słoneczne lub ruch do zasilania bezprzewodowych przełączników i systemów monitorowania środowiska. 

Takie hybrydowe systemy, które łączą wiele źródeł energii, zyskują na popularności, co jest przykładem urządzenia inspirowanego liściem z Northeastern University, które zbiera energię z kropli deszczu i wiatru. Łącząc źródła takie jak słońce, wiatr i ruch, zbieracze hybrydowe zmniejszają ryzyko przerw w dostawie energii, co jest kluczowe dla monitorów zdrowia, czujników infrastruktury i innych urządzeń zdalnych.

Trendy na rynku i czynniki wzrostu

Szacunki branżowe przewidują, że globalny rynek systemów zbierania energii będzie rósł z roczną stopą wzrostu (CAGR) na poziomie 9 do 11%, a wartość ta ma przekroczyć 2,5 miliarda dolarów już w 2030 roku. Kluczowe czynniki napędzające ten wzrost to:

• Rozprzestrzenianie się IoT:Bezprzewodowe sieci czujników w inteligentnych miastach, opiece zdrowotnej i automatyzacji przemysłowej wymagają zrównoważonych źródeł zasilania, aby zmniejszyć marnotrawstwo baterii.
• Incentywy rządowe:Ramowe polityki promujące przyjęcie zielonej energii, szczególnie w Ameryce Północnej, napędzają ekspansję rynku.
• Miniaturyzacja technologiczna:Postępy w elektronice niskomocowej i systemach magazynowania energii prowadzą do tworzenia coraz bardziej kompaktowych, wydajnych urządzeń.

Zastosowania i implementacja

Inteligentna infrastruktura i IoT

Inteligentna infrastruktura już teraz wykorzystuje otaczającą energię do zasilania oświetlenia, systemów HVAC i systemów ruchu drogowego. Komponenty kinetyczne i solarne kontrolują oświetlenie i HVAC bez baterii, podczas gdy urządzenia z włączonym LoRaWAN^® z zaawansowanymi układami scalonymi utrzymują długodystansowe sieci komunikacyjne przy minimalnej infrastrukturze. Te aplikacje pokazują, jak energia środowiskowa może napędzać autonomiczne monitorowanie i kontrolę na przestrzeni miejskich krajobrazów.

Technologia medyczna i noszona

Zbieranie energii umożliwia ciągłą pracę bez potrzeby ponownego ładowania urządzeń medycznych monitorujących parametry życiowe. Na przykład, noszone na ciele monitory glukozy i śledzące tętno obecnie wykorzystują ciepło ciała do zasilania, uwalniając pacjentów od częstych ładowań czy wymian baterii.

Automatyka Przemysłowa

Środowiska produkcyjne, gdzie sensory wibracji czy termiczne mogą wykrywać anomalie sprzętu bez przewodowych połączeń, prezentują unikalne możliwości dla zbierania energii. EMU-wzmocnione generatory elektrostatyczne są szczególnie efektywne w surowych środowiskach przemysłowych, zasilając rozproszone sieci sensorów dla predykcyjnego utrzymania ruchu.

Wyzwania związane z adopcją i kierunki rozwoju

Pomimo znacznego postępu w ostatnich latach, technologie zbierania energii napotykają dziś kilka wyzwań związanych z implementacją:

• Złożoność początkowej integracji: Specjalistyczne komponenty i wymagania dotyczące dostosowania zwiększają koszty implementacji.
• Przerywana energia: Naturalne fluktuacje źródeł energii takich jak słońce czy wibracje wymagają zaawansowanych systemów magazynowania i inteligentnego zarządzania energią.
• Ograniczenia materiałowe: Chociaż materiały takie jak elastyczne ogniwa słoneczne i polimery piezoelektryczne są ciągle rozwijane, masowa produkcja systemów hybrydowych jest wciąż w powijakach.

W okresie od 2025 do 2030 roku, kilka kluczowych rozwojów będzie kształtować ewolucję technologii w tych kluczowych obszarach:

• Orkiestracja energii napędzana AI: Głęboka integracja AI umożliwi dynamiczną optymalizację mocy, analitykę predykcyjną i systemy samonaprawcze, które maksymalizują efektywność.
• Zaawansowane Nanomateriały: Przełomy w nanogeneratorach triboelektrycznych i samoodnawialnych powłokach znacząco zwiększą efektywność konwersji.
• Hybrydowe Systemy Wieloźródłowe: Urządzenia łączące pozyskiwanie energii słonecznej, termicznej i wibracyjnej staną się standardem, łagodząc ograniczenia podejść opartych na pojedynczym źródle.
• Rozwój Poza IoT: Pozyskiwanie energii będzie coraz częściej zasilać większe systemy, w tym oznakowanie, elektronikę użytkową i elementy infrastruktury transportowej.

Planowanie Dzisiaj na Pozyskiwanie Energi Jutro

Przejście od baterii jednorazowych do samowystarczalnych systemów energetycznych stanowi jedną z najważniejszych zmian w projektowaniu elektronicznym tej dekady. Jak pokazano na CES 2025, praktyczne implementacje dostarczają już wystarczającej mocy dla rzeczywistych zastosowań. W ciągu najbliższych pięciu lat, ciągły postęp w dziedzinie AI, hybrydowego pozyskiwania energii i projektowania komponentów przesunie rynek w kierunku prawdziwie autonomicznych, odpowiedzialnych środowiskowo systemów.

Inżynierowie elektronicy powinni przygotować się na tę przyszłość, rozważając na nowo fundamentalne założenia architektury zasilania i rozwijając ekspertyzę w ultraniskomocnych obwodach, integracji magazynowania energii i technikach pozyskiwania z wielu źródeł. Inżynierowie, którzy opanują interakcje między dostępnością energii otoczenia a dynamicznymi wymaganiami mocy, będą bardzo poszukiwani, gdy autonomia energetyczna stanie się podstawowym oczekiwaniem, a nie specjalistyczną funkcją w systemach elektronicznych.