Energiaátadás a mezőgazdasági talaj közvetítésével 

Az energia komoly akadály a valódi intelligens mezőgazdaság felé vezető úton. Az eszközöknek áramra van szükségük. A talaj pedig adott ehhez.  És annyi megoldás van, ahány adatot követni kell: hosszú élettartamú akkumulátorok, napelemek, szélgenerátorok, lézer- és mikrohullámú energianyalábok. Sőt, kondenzátorral töltött drónok is, amelyek képesek feltölteni az eltemetett indukciós tekercseket.

Közvetlenül a talajon keresztül küldeni elektromos energiát

A Cookeville-i Tennessee Műszaki Egyetem kutatóinak most van egy másik új ötletük is. Közvetlenül a talajon keresztül küldenék az elektromos energiát. Ez nem csak egy laboratóriumi érdekesség – a kutatók a talajon áthaladó (TTS) rendszer segítségével továbbították az elektromos energiát a távoli érzékelők és a nagy hatótávolságú, kis teljesítményű LoRa rádiók táplálására egy 2 hektáros tesztterületen, több helyen.

A mérnökök a teszteket egy mobil napelemtömbbel hajtották végre, és nagyjából napi 0,1 kilowattórát igényeltek. Ha kiskereskedelmi árat fizettek volna ezért az áramért, akkor napi több mint egy fillérbe került volna.

A kutatók TTS rendszerének három fő összetevője van: egy teljesítményadó, egy vagy több teljesítményvevő és több érzékelőmodul.

A csoport 2 hektáros teszthálózata négy érzékelőcsomagot kapcsolt össze. Mindegyik tartalmazott egy microchip-mikrovezérlőt, egy LoRa hálózati integrált áramkört, egy 1 millifarados kondenzátort, amely az átviteli robbanásokhoz tárolja az energiát, és két talajérzékelőt – az egyiket a nedvesség és a hőmérséklet mérésére. A próba négy érzékelőmodulja együttesen 0,8 wattot igényelt.

Lecsökkent a bemeneti áramigény

A TTS rendszer adója azonban több energiát vett fel. A fejlesztések sorozata 500 W-ról 250 W-ra csökkentette a bemeneti áramigényt. És mivel a rendszernek nem kellett folyamatosan figyelnie az érzékelők leolvasását, a munkaciklus 1 perc bekapcsolásból és 59 perc kikapcsolásból állt, ami a napi energiafogyasztást 0,1 kWh-ra csökkentette.

Elméletileg az adó és a több vevő összekapcsolt áramkört alkot. Az áram mélyen a földbe kerül az adónál, és a vevők a mezőn szükség szerint felveszik azt. „A TTS rendszer geometriája hasonló a víznyeréshez használatos kútéhoz, és lehetővé teszi ennek a nagy hatótávolságú vezeték nélküli energiaátviteli technikának a meglévő mezőgazdasági infrastruktúrába történő integrálását, a felhasználó számára nagyon alacsony költséggel” – írták a kutatók egy, az IEEE Transactions on Industrial Electronics 2024. februári számában publikált cikkben.

Elektródák, adók, vevők

Az adó egy felületi elektródából és egy alsó elektródából áll. A felületi elektróda egy 15 méter hosszú, a felső talajrétegekbe süllyesztett acél kútburkolat. Az alsó elektróda áthalad a burkolaton, és 90 méterrel a föld alatt húzódik, a 75 méteres huzal pedig egy nagy sűrűségű polietilén csőben csatlakozik további 15 méter szabad sárgarézhez.

Mindegyik vevőnél két 0,7 méter hosszú rúd van a talajba döfve, egymástól 1-3 méterrel. Az érzékelő modul ezek közé az elektródák közé van bekötve. A feszültség az adó és a vevő közötti távolságtól és a vevőelektródák közötti távolságtól függ. A kezelők beállíthatják a vevő-elektróda távolságot, hogy biztosítsák a szükséges feszültséget (ebben az esetben 3,6 voltot) az érzékelőmodul működtetéséhez.

Hogyan viselkedik az áram a föld alatt?

Charles Van Neste , a Tennessee Műszaki Egyetem adjunktusa és kollégái 2016-ban kezdtek el a TTS-energiával foglalkozni. Azóta tanulmányozták a talaj elektromos tulajdonságait, megtanulták, hogyan viselkedik az áram a föld alatt, miközben erőfeszítéseket tettek a rendszer bővítésére is.

Munkájuk során a kutatók rájöttek, hogy míg a talaj általában megbízhatatlan vezető, addig a mezőgazdasági talaj – amelyet öntöznek és műtrágyával rendszeresen ionokkal látnak el – sokkal jobb elektromos vezetőképességgel rendelkezik.

Az áram vízszintesen halad

Azt is megállapították, hogy az áram a talajrétegeket követi; más szóval, az áram vízszintesen halad át egy adott talajrétegen. Ez a felfedezés adta az ötletet az adó függőleges kialakításához, amely lehetővé teszi az áram számára, hogy megtalálja a legjobb réteget, amelyen áthaladhat. És rájöttek, hogy a TTS nagyon alacsony váltakozó áramú frekvenciákon működik a legjobban, különösen 50 kilohertz alatt.

A 2 hektáros teszthálózat 60 Hz-en továbbította a teljesítményt. Az átvitel hatékonysága csökkent, ahogy a vevőegységek távolabb kerültek az adótól. „A modell azt mutatja, hogy javulást érhetünk el az alacsonyabb érintkezési ellenállással, de a magasabb frekvencián való futással is, és jelenleg ez a kutatásunk fő fókuszpontja” – mondja Van Neste.

Szabadalmak a TTS-re világszerte

A Tennessee Technological University világszerte szabadalmakat nyújtott be a TTS-re, és a kutatók egy startup céggel, a Terra Wattsszal dolgoznak a kereskedelmi forgalomba hozatalon.

Van Neste azt mondja, hogy a TTS „meglehetősen izgalmas távolságon” képes erőátvitelt elérni. Hozzáteszi: „A jobb [adó/vevő] érintkezők jobb átviteli hatékonyságot mutatnak. Elképzeléseink is elkezdtek olyan módon fejlődni, hogy az adatátvitelt az áramellátással párhuzamosan beépítsük, hogy az érzékelőrendszerek teljesen a föld alatt továbbíthassák információikat. Ez lehetővé tenné az érzékelők teljes eltemetését, és reméljük, hogy hamarosan be is mutathatjuk ezt.”

„Amíg semmi katasztrofális nem történik – mondja Van Neste –, azt reméljük, hogy nyár végére 150-200 méteres körzetben (körülbelül 30 hektáron) demonstrálhatjuk az erőátvitelt.” A teszt részeként egy új tervezésű invertert terveznek használni, amely nagy intenzitású áramot állít elő alacsony terhelési ciklus mellett. „Múlt héten teszteltük ezt az új invertert. Nagyon izgatottak vagyunk, hogy megvizsgáljuk az erőátvitelt nagyobb területeken” – mondja.

(Forrás: spectrum.ieee.org)