Energieoogst kan 1 biljoen batterijloze sensoren in het IoT mogelijk maken

Draadloze IoT-detectieapparaten kunnen op, in of in de buurt van mensen, apparatuur, infrastructuur en onze omgeving worden geplaatst. Dit geeft ons nieuwe instrumenten om de meest urgente uitdagingen van onze 21e-eeuwse wereld aan te pakken:van klimaatverandering tot het zorgen voor schone energie, veilig voedsel en vooral de zorg voor de gezondheid en het welzijn van een vergrijzende bevolking. Om dit te bereiken, moeten we echter de ‘powering the IoT’-kloof aanpakken. Dat wil zeggen dat oplossingen moeten werken op batterijen die langer meegaan dan de IoT-apparaten die ze van stroom voorzien.

Dit artikel onderzoekt de cruciale bijdrage die oplossingen op basis van energieoogst (EH) kunnen leveren aan het IoT. Van de biljoenen sensoren die in de komende jaren kunnen worden ingezet, zal een aanzienlijke meerderheid van de ultra-low power (ULP) draadloze variant zijn. Dit zijn ook de beste kandidaten voor EH, die externe stroom kan aanvullen of als onafhankelijke stroombron kan dienen.

De benadering die we volgen om het IoT aan te drijven, is van cruciaal belang om zoveel van de technologieën mogelijk te maken die onze wereld elke dag veranderen. Connected en autonome voertuigen (CAV) zullen bijvoorbeeld afhankelijk zijn van betrouwbare en alomtegenwoordige detectie met zowel hoge als lage bandbreedte connectiviteit, die allemaal een hogere vermogensdichtheid en gewichtsvermindering vereisen - twee dingen die een zelfaangedreven, draadloze sensor ondersteuning voor netwerken.

Kosten

Een belangrijke toegevoegde waarde van EH is het leveren/aanvullen van systeemenergie op het punt van verbruik door omgevingsenergie in de bedrijfsomgeving op te vangen. De rechtvaardiging en het succes van EH-implementaties, met name in termen van totale eigendomskosten, zijn sterk afhankelijk van de methode voor het berekenen van de terugverdientijd. Bijvoorbeeld, het toevoegen van $ 3 - $ 5 aan een systeemstuklijst voor EH-mogelijkheden lijkt misschien gek als je het vergelijkt met een wegwerpbare knoopcel die ongeveer $ 0,25 kost. Zelfs als we milieu- en duurzaamheidsfactoren buiten beschouwing laten, komt er veel kijken bij de financiële analyse. Als die batterij ooit moet worden vervangen, dan kunnen alleen de arbeidskosten/toegangslogistiek de besparingen op knoopcellen met orden van grootte tenietdoen - de hemel verhoede het als die batterij zich in een ruwe en/of ontoegankelijke omgeving bevindt, zoals een betonnen muur, hoog plafond, menselijk lichaam of diepe oliebron.

Omgevingsenergie

EH houdt in dat de beschikbare omgevingsenergieën - warmte, trillingen, licht - worden gebruikt voor energiebronnen. Er is een goede plek, van ongeveer één microwatt tot een paar honderd microwatt, waar sprake is van de 'dubbele impact' van aanzienlijk minder belasting van de bestaande stroombron en een grotere levensvatbaarheid voor het gebruik van omgevingsenergie van oogstmachines van redelijk formaat. Dit kan de levensduur van de batterij aanzienlijk verlengen en in sommige gevallen zelfs leiden tot volledige autonomie. (Dit wordt besproken in een recente EU-publicatie en wordt geïllustreerd in figuur 1. ⁱ )

Een belangrijke uitdaging die wordt gedreven door de integratie van EH in systeemontwerp, is het omgaan met energiebronnen die vrij sporadisch van aard kunnen zijn. Ze hebben apparaten/circuits voor energieopslag en energiebeheer nodig om de energie op te vangen en beschikbaar te maken voor later gebruik. Er zijn niet alleen unieke technische inspanningen die moeten worden geleverd om stroomafname door omgevingsspoeling aan te pakken, maar veel van die behoeften kunnen voor elke EH-methode anders zijn. Met andere woorden, het opvangen van ruwe energie van de EH-transducer en de behoeften aan stroomconversie/beheer/regulering zijn anders voor fotovoltaïsche energie (PV) dan voor thermo-elektrische generatoren (TEG) of vibrationele oogst. Zelfs het aandrijven van verschillende smaken PV-cellen kan sterk variëren op basis van de technologie. De algemene benadering wordt meestal bepaald door de aard van de ruwe, geoogste energie, of het nu DC (PV, TEG) of AC (vibrationeel, tribo-elektrisch, RF) is.

PV-cellen zetten lichtenergie van de zon en/of kunstmatige bronnen direct om, terwijl een TEG energie onttrekt aan een temperatuurverschil om elektrische energie op te wekken. Vibrationele (elektrodynamische of piëzo-elektrische) en tribo-elektrische bronnen zijn afgeleid van fysieke beweging. RF-opname omvat meestal het gebruik van een gelijkrichtantenne (rectenna) en een balanceringsnetwerk, en vervolgens, zoals gebruikelijk, het voeden ervan in een DC/DC-conversieblok.

Een optimale, EH-compatibele systeemoplossing vereist mogelijk maximale power point tracking (MPPT) en/of zorgvuldig gecontroleerde impedantie-aanpassing om het maximale energiepotentieel volledig te realiseren. Bovendien bevinden veel omgevingsenergieën zich op zeer lage vermogens- en spanningsniveaus. De meeste commerciële-off-the-shelf (COTS) power management IC's (PMIC's) zijn niet in staat om energieën onder 10 μW en 100 mV om te zetten in bruikbare elektriciteit. Een voorbeeld van door onderzoeksgemeenschappen aangestuurde inspanningen om dit op te lossen, is het MISCHIEF-platform dat wordt ontwikkeld door Tyndall National Institute (Cork, Ierland). MISCHIEF is een innovatieve PMIC met hoog rendement en lage ruststroom die in staat is om een ​​ongekend bereik van omgevingsenergieën aan te kunnen, met name in het sub 10 μW-domein dat tot nu toe onbruikbaar was. Het is modulair en zeer configureerbaar, zodat het eenvoudig is om nieuwe circuitblokken toe te voegen en/of setpointbereiken aan te passen. Het heeft ook een digitale interface waardoor het kan communiceren met andere componenten om hun bedrijfsmodus dynamisch aan te passen (slaapstand, stand-by, waarnemen, verzenden, verwerken). Dit minimaliseert hun stroomverbruik en voldoet aan de applicatiebehoeften.

Energieopslag is van cruciaal belang voor intermitterende energiebronnen, omdat het een buffer biedt om de piekvraag op te vangen, zodat de stroomopwaartse stroombron alleen hoeft te voorzien in de stabiele systeembehoeften in plaats van in het ergste geval, piekvermogenseisen.

Een EH-ecosysteem creëren

Bijdragers aan de Power IoT- en EH-gemeenschappen - ontwikkelaars, fabrikanten van materialen en apparaten, maar ook installateurs, integrators en eindgebruikers - werkten meestal in silo-omgevingen. Om EH echter met succes een grote penetratie in reguliere toepassingen te laten hebben, zullen mensen van EH-transducers nauw moeten samenwerken met mensen op het gebied van energiebeheer en energieopslag, laat staan ​​met de vele andere leveranciers van systeemcomponenten en eindgebruikers met een laag vermogen. Dit geldt met name voor veel van de sensornetwerktoepassingen met een laag stroomverbruik waarop dit artikel zich richt.

In de kracht .

Referenties:

i. 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. M. Hayes en B. Zahnstecher, "The Virtuous Circle of 5G, IoT and Energy Harvesting", in IEEE Power Electronics Magazine , vol. 8, nee. 3 september 2021