Сбор энергии открывает путь к 1 триллиону бесбатарейных IoT-датчиков

Беспроводные IoT-сенсорные устройства можно размещать на, в или рядом с людьми, оборудованием, инфраструктурой и нашей средой. Это дает нам новые инструменты для решения самых срочных вызовов нашего 21-го века: от изменения климата до обеспечения чистой энергии, безопасной еды и, прежде всего, заботы о здоровье и благополучии стареющего населения. Однако, чтобы достичь этого, нам нужно устранить разрыв в "питании IoT". То есть, решения должны работать на батареях, которые переживают IoT-устройства, которые они питают.

Эта статья исследует критически важный вклад, который решения на основе сбора энергии (EH) могут предоставить для IoT. Из триллиона датчиков, которые могут быть развернуты в ближайшие несколько лет, значительное большинство будет ультра-низкопотребляющими (ULP) беспроводными видами. Это также лучшие кандидаты для EH, который может либо дополнять внешнее питание, либо служить независимыми источниками питания.

Подход, который мы выбираем для питания IoT, критически важен для включения многих технологий, меняющих наш мир каждый день. Например, подключенные и автономные транспортные средства (CAV) будут зависеть от надежного и повсеместного сенсирования с высокой и низкой полосой пропускания, все это требует увеличения плотности мощности и снижения веса — две вещи, которые поддерживают самообслуживающиеся беспроводные сенсорные сети.

Стоимость

Основная добавленная ценность EH — предоставление/дополнение системной энергии в точке потребления за счет захвата окружающей энергии в рабочей среде. Обоснование и успех внедрений EH, особенно с точки зрения общей стоимости владения, сильно зависят от метода расчета окупаемости. Например, добавление $3–5 к спецификации материалов системы для возможностей EH может показаться безумием при сравнении с одноразовым монетным элементом стоимостью около $0,25 в объеме. Даже пренебрегая экологическими и устойчивыми факторами, есть много чего учитывать в финансовом анализе. Если эту батарею когда-нибудь придется заменить, то только затраты на труд/доступ/логистику могут погубить экономию на монетном элементе на порядки — да не дай бог, если батарея в суровой и/или недоступной среде, такой как бетонная стена, высокий потолок, человеческое тело или глубокая нефтяная скважина.

Окружающая энергия

EH подразумевает использование доступных окружающих энергий — тепла, вибраций, света — как источников питания. Существует "сладкое место", примерно от одного микроватта до нескольких сотен микроватт, где есть "двойное воздействие": значительное снижение нагрузки на существующий источник питания и увеличенная жизнеспособность использования окружающих энергий от разумно размерных собирателей. Это может значительно увеличить срок службы батареи, в некоторых случаях даже приводя к полной энергетической автономии. (Это обсуждается в недавнем ЕС издании и иллюстрируется на Рисунке 1. ⁱ)

Ключевая задача, обусловленная интеграцией EH в системный дизайн — работа с источниками энергии, которые могут быть довольно спорадичны по природе. Им нужны устройства/схемы накопления энергии и управления питанием для захвата энергии и сделать ее доступной для последующего использования. Не только есть уникальные инженерные усилия, которые должны быть сделаны для решения извлечения энергии из окружающего сбора, но многие из этих потребностей могут отличаться для каждого метода EH. Другими словами, захват сырой энергии от EH-трансдьюсера и потребности в преобразовании/управлении/регулировании питания разные для фотоэлектрических элементов (PV), чем для термоэлектрических генераторов (TEG) или вибрационного сбора. Даже питание разных разновидностей PV элементов может сильно варьироваться в зависимости от технологии. Общий подход, как правило, обусловлен природой сырой собранной энергии, будь то DC (PV, TEG) или AC (вибрационный, трибоэлектрический, RF).

PV элементы напрямую конвертируют световую энергию от солнца и/или искусственных источников, в то время как TEG извлекает энергию из температурной разницы для генерации электрической энергии. Вибрационные (электродинамические или пьезоэлектрические) и трибоэлектрические источники производятся от физического движения. RF захват обычно включает использование выпрямляющей антенны (rectenna) и балансирующей сети, а затем, как обычно, подачу в блок DC/DC преобразования.

Оптимальное, EH-совместимое системное решение может требовать отслеживания точки максимальной мощности (MPPT) и/или тщательно контролируемого согласования импеданса для полного реализации своего максимального энергетического потенциала. Кроме того, многие окружающие энергии находятся на очень низких уровнях мощности и напряжения. Большинство коммерческих готовых (COTS) PMIC (power management ICs) неспособны конвертировать энергии ниже 10 мкВт и 100 мВ в пригодную электричество. Пример усилий исследовательского сообщества для решения этого — платформа MISCHIEF, разрабатываемая Tyndall National Institute (Корк, Ирландия). MISCHIEF — инновационный высокоэффективный PMIC с низким покойным током, способный обрабатывать беспрецедентный диапазон окружающих энергий, особенно в под-10 мкВт домене, который доселе был непригоден. Он модульный и высококонфигурируемый, так что легко добавлять новые цепные блоки и/или регулировать уставки. У него также есть цифровой интерфейс, позволяющий ему взаимодействовать с другими компонентами для динамической регулики их режима работы (сон, standby, сенс, передача, процесс). Это минимизирует их потребление энергии, удовлетворяя потребности приложения.

Накопление энергии критично для прерывистых источников энергии, так как оно обеспечивает буфер для обработки пиковых запросов, поэтому восходящий источник питания должен обеспечивать только стационарные потребности системы вместо пиковых потребностей по питанию в худшем случае.

Создание экосистемы EH

Участники сообществ Power IoT и EH — разработчики, производители материалов и устройств, а также установщики, интеграторы и конечные пользователи — склонны работать в изолированных средах. Однако, чтобы EH успешно имел серьезное проникновение в основные приложения, люди EH-трансдьюсеров должны будут тесно работать с людьми управления питанием и накопления энергии, не говоря уже о многих других провайдерах низкопотребляющих системных компонентов и конечных пользователях. Это особенно верно для многих приложений сенсорных сетей, низкого потребления, на которых фокусируется эта статья.

В Power .

Ссылки:

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

ii. https://www.enerharv.com/ 

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

iv. M. Hayes and B. Zahnstecher, "The Virtuous Circle of 5G, IoT and Energy Harvesting," in IEEE Power Electronics Magazine, vol. 8, no. 3, Sept. 2021