Сбор энергии может обеспечить 1 триллион безбатарейных датчиков в IoT

Беспроводные сенсорные устройства IoT можно размещать на людях, оборудовании, инфраструктуре и окружающей среде, внутри или рядом с ними. Это дает нам новые инструменты для решения самых насущных проблем нашего мира 21 века:от изменения климата до обеспечения чистой энергии, безопасных продуктов питания и, прежде всего, заботы о здоровье и благополучии стареющего населения. Однако для этого нам необходимо устранить пробел в «питании Интернета вещей». То есть решения должны работать от аккумуляторов, которые служат дольше устройств IoT, которые они питают.

В этой статье исследуется важный вклад, который решения на основе сбора энергии (EH) могут внести в IoT. Из триллиона датчиков, которые могут быть развернуты в течение следующих нескольких лет, подавляющее большинство будет беспроводного типа со сверхнизким энергопотреблением (ULP). Это также лучшие кандидаты для EH, которые могут либо дополнять внешнее питание, либо служить независимыми источниками питания.

Подход, который мы используем для поддержки Интернета вещей, имеет решающее значение для использования множества технологий, которые ежедневно меняют наш мир. Например, подключенные и автономные транспортные средства (CAV) будут зависеть от надежных и повсеместных датчиков с подключением как с высокой, так и с низкой пропускной способностью, что требует повышенной удельной мощности и снижения веса — две вещи, которые автономный беспроводной датчик поддержка сетей.

Стоимость

Основная дополнительная ценность EH заключается в обеспечении/дополнении энергии системы в точке потребления за счет улавливания энергии окружающей среды в рабочей среде. Обоснованность и успех внедрения EH, особенно с точки зрения общей стоимости владения, в значительной степени зависят от метода расчета окупаемости. Например, добавление 3–5 долларов к системному перечню материалов для возможностей EH может показаться безумием, если сравнивать его с одноразовой батарейкой типа «таблетка», которая стоит примерно 0,25 доллара за объем. Даже если пренебречь экологическими факторами и факторами устойчивого развития, в финансовом анализе есть что учесть. Если эту батарею когда-либо потребуется заменить, то одни только затраты на рабочую силу/логистику доступа могут на порядки свести на нет экономию на ячейках-таблетках — не дай бог, если эта батарея находится в суровых и/или недоступных условиях, таких как бетонная стена, высокий потолок, человеческое тело или глубокая нефтяная скважина.

Энергия окружающей среды

EH влечет за собой использование доступных энергий окружающей среды — тепла, вибраций, света — в качестве источников энергии. Существует «золотая середина» от примерно одного микроватта до нескольких сотен микроватт, где наблюдается «двойной эффект» значительно меньшего потребления существующего источника энергии и повышения эффективности использования энергии окружающей среды от комбайнов разумного размера. Это может значительно увеличить срок службы батареи, а в некоторых случаях даже привести к полной автономности питания. (Это обсуждается в недавней публикации ЕС и показано на рисунке 1. ⁱ )

Ключевой проблемой, связанной с интеграцией ЭН в конструкцию системы, является работа с источниками энергии, которые могут быть довольно спорадическими по своей природе. Им нужны устройства/схемы хранения энергии и управления питанием, чтобы улавливать энергию и делать ее доступной для последующего использования. Мало того, что должны быть предприняты уникальные инженерные усилия для извлечения энергии из окружающей среды, но многие из этих потребностей могут быть разными для каждого метода EH. Другими словами, захват необработанной энергии от преобразователя ЕН и потребности в преобразовании/управлении/регулировании мощности отличаются для фотогальваники (PV), чем для термоэлектрических генераторов (TEG) или сбора вибраций. Даже питание различных видов фотоэлементов может сильно различаться в зависимости от технологии. Общий подход, как правило, определяется природой исходной, собираемой энергии, будь то постоянный ток (PV, ТЭГ) или переменный ток (вибрационный, трибоэлектрический, радиочастотный).

Фотоэлементы напрямую преобразуют световую энергию солнца и/или искусственных источников, тогда как ТЭГ извлекает энергию из перепада температур для выработки электроэнергии. Вибрационные (электродинамические или пьезоэлектрические) и трибоэлектрические источники являются производными от физического движения. Захват РЧ обычно включает использование выпрямляющей антенны (ректенны) и балансировочной сети, а затем, как обычно, подачу их в блок преобразования постоянного тока в постоянный.

Оптимальное системное решение с поддержкой EH может потребовать отслеживания точки максимальной мощности (MPPT) и/или тщательно контролируемого согласования импеданса, чтобы полностью реализовать свой максимальный энергетический потенциал. Кроме того, многие окружающие энергии находятся на очень низком уровне мощности и напряжения. Большинство готовых коммерческих (COTS) ИС управления питанием (PMIC) не способны преобразовывать энергию ниже 10 мкВт и 100 мВ в полезную электроэнергию. Примером усилий исследовательского сообщества по решению этой проблемы является платформа MISCHIEF, разрабатываемая Национальным институтом Тиндаля (Корк, Ирландия). MISCHIEF — это инновационный высокоэффективный PMIC с низким током покоя, способный работать в беспрецедентном диапазоне энергий окружающей среды, особенно в области менее 10 мкВт, которые до сих пор были непригодны для использования. Это модульное устройство с широкими возможностями настройки, что позволяет легко добавлять новые блоки контуров и/или настраивать диапазоны заданных значений. Он также имеет цифровой интерфейс, позволяющий ему взаимодействовать с другими компонентами для динамической настройки режима их работы (спящий режим, режим ожидания, определение, передача, обработка). Это сводит к минимуму их энергопотребление при удовлетворении потребностей приложения.

Накопление энергии имеет решающее значение для прерывистых источников энергии, поскольку оно обеспечивает буфер для обработки пикового спроса, поэтому вышестоящий источник питания должен обеспечивать только потребности системы в устойчивом состоянии, а не пиковые потребности в мощности в худшем случае.

Создание экосистемы EH

Участники сообществ Power IoT и EH — разработчики, производители материалов и устройств, а также установщики, интеграторы и конечные пользователи — как правило, работают в разрозненных средах. Однако для того, чтобы EH успешно проникла в основные приложения, разработчики преобразователей EH должны будут тесно сотрудничать с людьми, занимающимися управлением питанием и хранением энергии, не говоря уже о многих других поставщиках компонентов систем с низким энергопотреблением и конечных пользователях. Это особенно верно для многих сенсорных сетей и маломощных приложений, которым посвящена эта статья.

Во власти .

Ссылки:

я. https://www.enables-project.eu/wp-content/uploads/2021/02/EnABLES_ResearchInfrastructure_PositionPaper.pdf

II. http://www.enerharv.com/

III. https://www.psma.com/technical-forums/energy-harvesting

IV. М. Хейс и Б. Занстехер, "Виртуозный круг 5G, Интернета вещей и сбора энергии", в журнале IEEE Power Electronics Magazine , том. 8, нет. 3 сентября 2021 г.