Energie-oogst ontgrendelt 1 biljoen batterijvrije IoT-sensoren

Draadloze IoT-sensorapparaten kunnen worden geplaatst op, in of in de buurt van mensen, apparatuur, infrastructuur en ons milieu. Dit geeft ons nieuwe tools om de meest urgente uitdagingen van onze 21e-eeuwse wereld aan te pakken: van klimaatverandering, tot het waarborgen van schone energie, veilig voedsel, en voorop, zorgen voor de gezondheid en het welzijn van een vergrijzende bevolking. Echter, om dit te bereiken, moeten we de 'powering the IoT'-kloof aanpakken. Dat wil zeggen, oplossingen moeten draaien op batterijen die de IoT-apparaten die ze voeden, uitleven.

Dit artikel onderzoekt de cruciale bijdrage die energie-oogst (EH) aangedreven oplossingen kunnen leveren voor de IoT. Van de biljoen sensoren die binnen de komende jaren geïmplementeerd kunnen worden, zal een significante meerderheid van het ultra-laag vermogen (ULP) draadloze type zijn. Dit zijn ook de beste kandidaten voor EH, die ofwel externe stroom kan aanvullen of als onafhankelijke stroombronnen kunnen dienen.

De benadering die we hanteren voor het stroomvoorzien van de IoT is cruciaal voor het mogelijk maken van zoveel technologieën die onze wereld elke dag veranderen. Bijvoorbeeld, connected en autonome voertuigen (CAV), zullen afhankelijk zijn van betrouwbare en alomtegenwoordige sensing met zowel hoge- als lage-bandbreedte connectiviteit, wat allemaal verhoogde vermogensdichtheid en gewichtsreductie vereist — twee dingen die zelfvoorzienende, draadloze sensornetwerken ondersteunen.

Kosten

Een grote toegevoegde waarde van EH is het leveren/aanschuiven van systeemenergie op het verbruikspunt door omgevingsenergie in de operationele omvang te vangen. De rechtvaardiging en het succes van EH-implementaties, met name in termen van totale eigendomskosten, hangen sterk af van de methode van het berekenen van de terugverdientijd. Bijvoorbeeld, $3 – $5 toevoegen aan een systeem bill of material voor EH-mogelijkheden kan gek lijken als men het vergelijkt met een wegwerpbare muntcel die ongeveer $0,25 kost bij volume.zelfs als we milieu- en duurzaamheidsfactoren verwaarlozen, is er veel te overwegen in de financiële analyse. Als die batterij ooit vervangen moet worden, dan kunnen de arbeids/toegangslogistiek kosten alleen de muntcel besparingen met orde van grootte uitwissen — hemelsak als die batterij in een harde en/of onbereikbare omgeving zit, zoals een betonnen muur, hoog plafond, menselijk lichaam, of diepe olieput.

Omgevingsenergie

EH omvat het gebruik van omgevingsenergieën die beschikbaar zijn — warmte, trillingen, licht — als bronnen van stroom. Er is een zoet plek, van ongeveer één microwatt tot een paar honderd microwatt, waar er een 'dubbele impact' is van aanzienlijk minder afputting van de bestaande stroom bron en verhoogde haalbaarheid voor het gebruik van omgevingsenergieën van redelijk grote oogsters. Dit kan de batterijlevensduur aanzienlijk verhogen, in sommige gevallen zelfs leidend tot volledige stroomautonomie. (Dit wordt besproken in een recente EU-publicatie en geïllustreerd in Figuur 1. ⁱ)

Een belangrijke uitdaging gedreven door het integreren van EH in systeemontwerp is het omgaan met energiebronnen die van nature nogal sporadisch kunnen zijn. Ze hebben energielopslag en stroombeheerapparaten/circuits nodig om de energie op te vangen en beschikbaar te maken voor later gebruik. Niet alleen zijn er unieke engineering-inspanningen nodig om stroomuitwinning uit omgevingsenergie-oogst aan te pakken, maar veel van die behoeften kunnen verschillen voor elke methode van EH. Met andere woorden, de opvang van rauwe energie uit de EH-transducer en stroomomzetting/beheer/regulering behoeften zijn anders voor fotovoltaïsche (PV) dan voor thermoelektrische generatoren (TEG) of trillings-oogst. Zelfs het voeden van verschillende smaken van PV-cellen, kan sterk variëren op basis van de technologie. De algemene benadering wordt doorgaans gedreven door de aard van de rauwe, geoogste energie, of het nu DC is (PV, TEG) of AC (trilling, triboelectric, RF).

PV-cellen converteren direct lichtenergie van de zon en/of door de mens gemaakte bronnen, terwijl een TEG energie onttrekt aan een temperatuursverschil om elektrische energie te genereren. Trillings- (electrodynamisch of piezo-elektrisch) en triboelectric bronnen zijn afgeleid van fysieke beweging. RF-opvang omvat doorgaans het gebruik van een rectifierende antenne (rectenna) en balanceringsnetwerk, en daarna, zoals gebruikelijk, voeden in een DC/DC conversieblok.

Een optimale, EH-ingeschakelde systeemoplossing kan maximum power point tracking (MPPT) en/of zorgvuldig gecontroleerde impedantie matching vereisen om zijn maximaal energiepotentieel volledig te realiseren. Bovendien zijn veel omgevingsenergieën op zeer lage vermogen en spanningsniveaus. Meeste commercial-off-the-shelf (COTS) power management ICs (PMICs) zijn onbekwaam om energiëner onder 10 μW en 100 mV om te zetten in bruikbare elektriciteit. Een voorbeeld van door de onderzoekgemeenschap gedreven inspanningen om dit op te lossen is het MISCHIEF-platform dat wordt ontwikkeld door Tyndall National Institute (Cork, Ierland). MISCHIEF is een innovatieve hoge efficiënte, lage quiescent stroom PMIC die in staat is om een ongekend bereik aan omgevingsenergieën te hanteren, met name in het sub-10 μW-domein dat tot nu toe onbruikbaar was. Het is modulair en hoog configureerbaar zodat het makkelijk is om nieuwe circuitblokken toe te voegen en/of setpoint-bereiken aan te passen. Het heeft ook een digitale interface waardoor het kan interacteren met andere componenten om hun bedrijfsmodus dynamisch aan te passen (slapstand, standby, sense, transmit, process). Dit minimaliseert hun stroomverbruik terwijl aan de toepassingsbehoeftes wordt voldaan.

Energielopslag is cruciaal voor intermittente energiebronnen, aangezien het een buffer biedt om piekvermogen aan te kunnen, zodat de upstream stroom bron alleen hoeft te voorzien in de steady-state behoeften van het systeem in plaats van worst-case, piekvermogenseisen.

Een EH-ecosysteem creëren

Bijdragers aan de Power IoT en EH-gemeenschappen — ontwikkelaars, fabrikanten van materialen en apparaten, alsmede installateurs, integrators en eindgebruikers — hebben geneigd om in gesiloerde omgevingen te werken. Echter, voor EH om succesvol grote doorgang te krijgen in mainstream toepassingen, moeten EH-transducer-folks nauw samenwerken met stroombeheer- en energielopslag-folks, laat staan met de vele andere laag-vermogen systeemcomponentleveranciers en eindgebruikers. Dit is met name waar voor veel van de sensornetwerk, laag-vermogen toepassingen waar dit artikel zich op richt.

In de Power .

Referenties:

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