אנרגיה קצירת טכנולוגיות עבור חיישן אלחוטי נמוך כוח

חיישנים אלחוטיים בעלי כוח נמוך הופיעו כרכיבים בסיסיים באינטרנט של דברים (IoT) מכשירים אלה לפקח על התנאים הסביבתיים, לעקוב אחר נכסים, לאפשר תחזוקה חד פעמית ותמיכה בתשתיות חכמות.התועלת שלהם, עם זאת, לעתים קרובות מוגבל על ידי חיי סוללה.שינויים סוללה תכופים הם חסרי יכולת לסביבות חיישן גדולות ומיקומים בלתי נגישים של אנרגיה, להתמודד עם הגבלה זו על ידי המרת מקורות אנרגיה גמישים, חום, על ידי הגבלת זמן, על ידי הפעלת חשמל לטווח ארוך, על ידי יכולת חשמלית לטווח ארוך, על ידי הפעלת חשמל אוטונומית, על ידי הפעלת חשמל יציבה, ואוויר, על ידי הפעלת חשמל יציבה, על ידי הגבלת זמן, על ידי סוללת חשמל, על ידי הגבלת זמן רב.

האבולוציה של אלקטרוניקה באנרגיה נמוכה ואחסון אנרגיה הפכה לקטוף מעשי אפילו ממקורות חלשים. מיקרובקרים מודרניים, transceivers, ו מעגלי ניהול אנרגיה משולבים כוח לצרוך רק עשרות עד מאות מיקרווואט במהלך פעילות פעילה וננואטים במצב שינה. Simultanely, קציר effacits יעיל של תאים עכשיו להגיע 20-30% תחת תנאי המרה סטנדרטיים, thermoוואטיים יכול לפעול ביעילות רבה יותר מטבוליזם של תאים יציבים של תאים.

העניין בקצירת אנרגיה גדל במהירות.על פי IDTechEx, השוק של מתקני איסוף אנרגיה עלה על 500 מיליון דולר ב-2023 והוא צפוי להגיע ל-1.1 מיליארד דולר עד 2030.יישומים משתרעים על בקרת בנייה חכמה, ניטור בריאות מבני, אלקטרוניקה לבשה וחקלאות מדויקת.הטכנולוגיה אינה הבטחה עתידנית; היא כבר מופרסת במיליוני מתגים אלחוטיים, חיישנים, ופועלים ברחבי העולם, כגון ספקי חשמל וספקים:

מאמר זה סוקר את שיטות איסוף האנרגיה העיקריות המתאימות לחיישנים אלחוטיים בעלי כוח נמוך, דן בשיקולי עיצוב לשילוב קצירים במערכות אמיתיות, מתאר את היתרונות ואתגרים שנותרו, ומצביע על כיוונים עתידיים מחקר.המטרה היא לספק סקירה מעשית ונוכחית למהנדסים ומנהלי פרויקטים הרואים איסוף אנרגיה עבור רשתות החיישן שלהם.

טכנולוגיות אנרגיה

כל טכניקת איסוף אנרגיה מנצלת מקור אנרגיה מסוים.הבחירה תלויה בסביבת הפריסה, צפיפות האנרגיה זמינה, דרישות כוח חיישן.אין שיטה אחת היא נעלה באופן אוניברסלי; מערכות מוצלחות משלבות לעתים קרובות קצירים מרובים כדי להגדיל את האמינות.

אנרגיה סולארית

תאים פוטו-וולטאיים (PV) להמיר photons אור לתוך זרם חשמלי.הם הם המסיקים האנרגטיים הבוגרים ביותר בשימוש נרחב, המציעים את צפיפות החשמל הגבוהה ביותר בין מקורות הסביבה.תחת אור שמש ישיר, פאנל קטן טיפוסי (50 מ"מ × 50 מ"מ) יכול לספק 100-300 מ"מ - הרבה יותר מאשר רוב החיישנים בעלי כוח נמוך דורשים.

שיקולים מרכזיים עבור חיישניים המופעלים על ידי השמש כוללים את התגובה ספקטרלית של התא, ההשפעה של גילוח חלקי, ואת הצורך של מעקב מקסימלי נקודת כוח (MPPT) תאים PV מודרניים אופטימיזציה לשימוש בתוך אור בתוך בתוך שימוש בתוך סיליקון אור אור או photovoltaics אורגני כי טוב יותר להתאים את ספקטרום של אור מלאכותי.עבור שימוש בחוץ, תאי סיליקון מונוקריסטלליין מציעים את היעילות הגבוהה ביותר.

אחסון אנרגיה הוא חיוני כי אור אינו קבוע.חיישנים חייב לפעול דרך החושך. סוללה חדיר או supercapacitor טעון במהלך תאורה תומך בשעות הלילה או תקופות מעונן. Supercapacitors מציעים יותר מחזור חיים ושיעורי מטען גבוה יותר מאשר סוללות, עלות צפיפות אנרגיה נמוכה יותר אחסון - supercapacitor בתוספת סוללה קטנה - הוא גם משותף.המערכת חייבת לכלול ניהול כוח כדי להתמודד עם פער בין עומסים ו- 10 גרם נזק להפחתה של 15 דקות.

מודולים של אנרגיה סולארית מסחריים זמינים מ FLT:0EnOceanFLT:1 ו ספקים אחרים, פשט עיצוב.מודולים אלה משלבים את תא PV, אחסון capacitor, וניהול כוח בחבילה קומפקטית.

אנרגיה אלימה קצירת אנרגיה

תנודות מכניות ממכונות, כלי רכב, תנועה אנושית או מבנים יכולים להיות מומרים לחשמל באמצעות שלושה מנגנוני השתלות עיקריים: ⁇ אלקטרי, אלקטרומגנטי ואלקטרוסטטי. יבולים ויבציונליים הם אטרקטיביים במיוחד בסביבות תעשייתיות שבו מנועים, משאבות ומעבירים מייצרים תנודות קבועות.

קצירים Piezoelectric לייצר מתח כאשר חומר אדזואלקטרי (למשל, להוביל zirconate titanate או פוליוינילidene fluoride) הוא מתוח מכנית. עיצוב טיפוסי משתמש a cantilever beam עם הוכחה המונית מכוונת לתדירות הדומיננטית של רטט. כאשר רטט ambient מתאים את התדר המהדהד, יכול להגיע 1-10 mW Off-reson, 000 כוח משמש חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 כוח.

קצירים אלקטרומגנטיים פועלים על חוק פאראדיי: סליל נע יחסית לשדה מגנטי.המכשירים האלה יכולים לייצר כוח מתון (10-100 מ"ר) בתדרים נמוכים (<100 הרץ) הם חזקים מבחינה מכנית ואינם דורשים חומר מיוחד, אבל החלקים הנעים עלולים לסבול לאורך זמן. גנרטורים אלקטרומגנטיים משמשים כמה מתגים חזקים ומרחיקים.

קצירים אלקטרוסטטיים משתמשים ב-Hangacitors משתנים. a precharged capacitor הוא מפורש מכני, שינוי קיבולי כוח וכפות מטען על מכשיר אחסון. הם יכולים להיות מוטבע באמצעות תהליכי MEMS, מה שהופך אותם קטנים ואינטגרליים. עם זאת, כוח הפלט הוא נמוך יותר (מיקרווואט) והם לעתים קרובות דורשים מקור תשלום ראשוני.

ביצועים בעולם האמיתי תלויים בפרופיל הרטט.בסביבה במפעל, תדרי רטט יכולים להשתנות מ-20 הרץ למספר kHz, ו amplitudes מ 0.1 גרם ל 10 גרם.התאמה של ההתחדשות של הקציר היא קריטית. חלק מהעיצובים משלבים מבנים דו-פעפיים או לא ליניאריים כדי להרחיב את רוחב הפס.לדוגמה, abuckled beam מציג התנהגות מלוכדת אנרגיה על פני טווח רחב יותר של סוללות.

אנרגיה מתחדשת

גנרטורים ה-TEGs (TEGs) מייצרים חשמל מהבדלים בטמפרטורות באמצעות אפקט Seebeck. A TEG מודול מורכב מ- p- ו-n-type Semiconductor thermocouples המחוברים חשמלית בסדרה ובאופן תרמי במקביל. כאשר צד אחד מחומם והשני מגניב, מתח מתפתח פרופורציונלי לטמפרטורה.

עבור חיישנים בעלי כוח נמוך, TEGs יעילים ביותר כאשר קיים ⁇ תרמי עקבי: צינור חם במפעל, בלוק מנוע חם נגד אוויר מגושם, או מקור חום גיאותרמאלי אפילו חום הגוף יכול לכפות מכשיר חד-פעמי אם הטמפרטורה של ambient הוא מספיק מגניב. Output כוח בקנה מידה עם ריבוע של 10 מעלות צלזיוס על פני מודול מסחרי, 1WC × 30 מעלות צלזיוס, מתחת ל × 0, 000 מ"מ 1x2 הופך להיות די מגניב.

יעילות מוגבלת על ידי הדמות התרמואלקטרית של ערך, ZT. Bismuth Telluride ⁇ s יש ZT - 1 ליד טמפרטורת החדר, נותן יעילות תיאורטית סביב 5-6% עבור ⁇ 20 מעלות צלזיוס. חומרים חדשים כגון skutterudites, חצי-Heuslers, וננו מבנים שמטרתם לדחוף ZT מעל 2. Effency תלוי גם על העומס התרמי; לא יהיה חום גבוה.

TEGs לייצר מתח נמוך (מרחיב למאות מ"לוואט), הדורש ממירץ להגיע לרמות שניתן להגיע לרמות שניתן להגיע על ידי חיישנים (1.8-3.6 V) אנרגיה ייעודית קצירת ICs כמו LTC3108 ממכשירים Analog להתחיל ממתחי קלט נמוך כמו 20 mV אחסון אנרגיה (capacitor או סוללה) כלולים לאספקת תקופות כוח בזמן ה ⁇ טיפות באופן זמני.

רדיו Frequency Energy Harvesting

אנרגיה RF קצירת לוכדת גלים אלקטרומגנטיים מ נתבי Wi-Fi, מגדלי תאים, רדיו שידור, או משדרים ייעודיים.האטנה (אנטנה פלוס מחזר) ממיר את כוח RF ל- DC. Ambient RF משחתות הן בדרך כלל מאוד נמוכות - מיקרואט למטר מרובע בסביבות עירוניות.

מקורות כוח RF ייעודיים משפרים את האמינות.ביישומים כמו מעקב נכסים במחסן, משדר יכול לשדר גל רציף ב 915 MHz או 2.45 GHz, ואת מחסנית ה- מחסנים של החיישן מספיק כוח (עשרות מיקרווואט לכמה וואט) עבור שידורים תקופתיים.מערכות כמו משדרי Powercast ו-Fed ערכות לספק עד 3 מ"מ עם מרחק יעיל עם ירידה של FCC (מ-Fact) עם ירידה מהירה.

אספקת RF היא אטרקטיבית כי היא אינה תלויה באנרגיה סביבתית - ניתן להפעיל על הביקוש.זה הופך אותה מתאימה לסביבות מקורה ללא אור, רטט, או טמפרטורה ⁇ . עם זאת, הצורך משדר ייעודי מוסיף עלות תשתיות.בנוסף, יעילות תיקון בסמכויות קלט נמוכות הוא עני; יעילות ההמרה של RF-DC טובה ב -20 dBm הוא בערך 10-30% מתקדם.

מקורות אחרים

אנרגיית הרוח בקשיחות קטנות משתמשת במיקרו-טורגניות או גנרטורים המבוססים על פלוטר. A מיקרו-טרובלן עם קוטר רוטור של 5 ס"מ יכול לייצר 1-10 מ"ר בלחיצת אור (3 מ"מ) מכשירים כאלה מתאימים לחיישנים בחוץ במקומות חשופים. Flowing אנרגיה ממים מים או גז משתמשים באופן דומה טורבינות או בדגלים אדזואלקטריים אלה.

מערכות היברידיות משלבות מספר רב של קצירים לשיפור זמינות האנרגיה.לדוגמה, מסיק סולארי ורטט יכול לכפות צומת שפועל גם היום וגם בלילה, ליד מכונות.עיצובים היברידיים מגבירים את המורכבות, אך גם להגדיל את האמינות.העיגול לניהול הכוח חייב לקבל קלט ממקורות מרובים, עדיפות החזק ביותר, משלב או לעבור ביניהם. חלק ICs, כגון ADP5092 ממכשירים אנליסטים, תמיכה רב-מקור.

מערכת תכנון שיקולים

הגדלת קציר אנרגיה לתוך חיישן אלחוטי דורש יותר מאשר רק בחירת טרנסדור.כל שרשרת הכוח - הארוסטר, מיזוג חשמל, אחסון, עומס - חייב להיות מותאם יחד.

ניהול חשמל וחיסכון באנרגיה

הקנצר מתעתד בכוח גולמי עם מתח משתנה וזרם.A כוח ניהול IC (PMIC) לוכד, מגביר, ומסדיר זאת לרמה יציבה (למשל, 3.3 V) רבים של PMI כוללים מעגלים קרים שמתחילים לפעול ממתחי קלט נמוכים מאוד (בהמשך ל-20 מ"ר ל-TEGs). הם מספקים גם MPPT למקורות קרי-וול-תרגול תחת האלמנט העמוק של אחסון.

אחסון אנרגיה מגשר על הפער בין קציר לסירוגין לבין הביקוש הקבוע.סופרפקידיים פופולריים עבור התפרצויות כוח גבוה וחיי מחזור ארוכים (500,000 + מחזורים) בטריקים, במיוחד ליתיום או ליתיום-פוימר, מציעים צפיפות אנרגיה גבוהה יותר אבל מחזור מוגבל חיים (300-1000 מחזורי חיישן רבים) עבור רשתות חיישן 5-10 שנים האחרונות, תוך שימוש סוללה ראשונית עם מחסן על ידי עודף משקל שיכול להיות ארוך טווח אחסון, או מחזור חיים ארוך טווח ארוך טווח זמן ארוך טווח ארוך טווח, או ארוך טווח זמן ארוך טווח, כמו אחסון.

עקבו אחרי JOER RECHER

מערכות קציר אנרגיה חייבות להתאים את פרופיל הכוח של העומס.מרבית החיישנים האלחוטיים יש מחזור חובה נמוך מאוד: הם ישנים במיקרו-מפרס ו מתעוררים מעת לעת לתחושה, compute, ומעבירים (עומס כפול של מ"ממפרסים) הקציר מאשים את אלמנט האחסון במהלך השינה, ואת אלמנט האחסון מפצה את היחס של כוח הקציר לעומסי כוח חייב להיות באחדות לאורך זמן ארוך; אחרת, בתנאי אנרגיה מקצרים.

אי התאמה בין הקציר לבין מצב הכוח גם משפר את היעילות.לדוגמה, קצירי דגנים יש אימפולסי רצון גבוה; מנקה עם תמצית תנופה מותאמת יותר כוח.חלק מה- PMI מציעים תנופה לקלט הניתן לאופטימיזציה זו.

פרוטוקול Wireless

כדי למזער את צריכת החשמל, לבחור פרוטוקול אלחוטי עם זמני שידור נמוכים וקצרים. Bluetooth Low Energy (BLE) הוא פופולרי לטווח קצר (<10 מ') חיישן נושטים.הוא צור כ 10 מיקרוA בשינה ו-5-10 מ"א במהלך אירוע שידור 2 מ"מ. LoRa מציע טווח ארוך (several ק"מ) בשיעורי נתונים נמוכים וצורכי בערך 10 מ"מ עבור 100 מ"מ לפרוטוקולים מורכבים, אך לעתים קרובות דורשות רדיו מורכבות.

נביחות אנרגיה חייבות להיות מסוגלות לצבור מספיק אנרגיה כדי להשלים שידור.אם האחסון מרוקן, השידורים מתעכבים עד שמספיק אנרגיה נאספת.כמה פרוטוקולים, כמו בית הספר או החומר של אפל, מתאימים פחות לקצירת אנרגיה מכיוון שהם דורשים הודעות קבועות של שמירה על עצמה.פרוטוקולים אולטרה סגול, כגון רדיו של אנסן, הם סטנדרטיים עבור חיישנים באופן ספציפי יותר מ קיבולת עצמית של 300 מיקרו-עוצמה נמוכה.

היתרונות של אנרגיה

אנרגיה קצירת שינויים יסודיים כיצד רשתות חיישן אלחוטיות נועדו ומתחזקות.

(FLT:0)Extended חיישן תוחלת החיים.FIRLT:1 על ידי חיסול הצורך בהחלפת סוללות תקופתית, חיישנים יכולים להישאר פרוסים במשך שנים או עשורים.זה קריטי במיוחד עבור חיי ניטור של בריאות מבניים המוטבעים בחיישנים חקלאיים מתפשטים על פני Hectares, או חיישנים בתוך ציוד חתומה.ללא קצירת אנרגיה, הסוללה מגבילה את החיים ל-1-3 שנים.

(FLT:0) חיסכון מצטבר על מחזור החיים.FreaLT:1; בעוד העלות הראשונית של קציר וניהול כוח IC גבוהה יותר מאשר סוללה פשוטה, העלות הכוללת של בעלות היא לעתים קרובות נמוכה יותר כאשר גורם עבודה עבור שינויים סוללה, סילוק, ו downtime. עבור פריסות גדולות (אלפי צמתים), החלפת סוללות ידניות היא טעות יקרה ויעילה אנרגיה.

(FLT:0) קיימות.FLT:1 השימוש באנרגיה מרתיע את הנטל הסביבתי של סוללות חד פעמיות. מיליארדים של סוללות משמשים במכשירי IoT בכל שנה; רבים בסופו של דבר במזיקים.היבול אנרגיה מקטין את הפסולת הזו.בנוסף, מערכות יכולות להיות קטנות וקלות יותר ללא תא סוללה גדול.

(FLT:0) גמישות של אימונים (FLT:1ir) ניתן להציב במקומות קשים ל-reach או מסוכנים שבהם החלפת סוללות היא מסוכנת או בלתי אפשרית: קווי גידול גבוהים, חלקי ריקבון, אזורי אחסון רעילים, או מבני תת-ימיים.

(FLT:0) חיישנים מונעים את עצמם אינם דורשים רשת חשמל חיצונית; הם יכולים להיות מוצבים באזורים מרוחקים וגודלו בקלות.זה חיוני לניטור סביבתי בקנה מידה גדול או רשתות חקלאות דיוק המכסות אלפי קילומטרים רבועים.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות הבטחתו, קצירת אנרגיה עבור חיישנים אלחוטיים ניצבת בפני כמה מכשולים טכניים וכלכליים.

מקורות אנרגיה שאפתניים הם לעתים נדירות קבוע כוח השמש תלוי בזמן של יום ומזג אוויר; הרטטים תלויים במבצע מכונה; ⁇ תרמיים משתנים עם תנאי תהליך.כדאיות זו דורשת עיצוב זהיר של אחסון וניהול כוח להבטיח הפעלה על פני תקופות הגרועות ביותר.

<חזק>Low צפיפות. רוב מקורות הסביבה מספקים כוח מוגבל.לדוגמה, אור מקורה מניב רק 10-100 μW / ס"מ2, ו RF קציר ב 50 מ"מ ממקור Wi-Fi מניב <1 μW. זה מגביל את הפונקציונליות של חיישן - צריכת גבוהה של נתונים-גבוהים כגון הזרמת וידאו אינם ניתנים להתאמה.

(FLT:0) עלויות ואינטגרציה.FLT:1 קציר האנרגיה מוסיף ביל של חומרים (BOM) עלות: לוח ההעברה (לוח solar, TEG, TEG, ⁇ ⁇ ⁇ ) PMI C, אלמנט האחסון, ולעתים קרובות פסיביים נוספים. עבור יישומים צרכניים בעלי רמות גבוהות, כל דולר, הם ירידה עם משקל והפקה משופרת.

(FLT:0) יעילות ההמרה.FLT:1 גם עם חומרים מודרניים, יעילות המרה נשאר מתון. תאים פוטו-וולטאיים לאבד יעילות באור נמוך; TEGs מאבק עם ⁇ קטנות; קצירי דיזואלקטרי יש רוחב פס צר יותר (פרטובים עבור סולרי, גרפן עבור TEGs, multilayerzoelectric מחסניות) מטרות להגביר את יעילותם נמוכה יותר ויותר (בנוסף ל-C) כדי לשפר את יעילותם נמוכה יותר ויותר (בנוסף להגדלת יעילותם).

(החליפה:0) סטוארדיזציה ושילוביות.ה.ראהב.ה.מ.ב.ה סוללות שלא כמו סוללות, המספקות מתח וקיבולת מוגדרים היטב, קצירי אנרגיה יש תכונות פלט שונות.התעשייה אינה כוללת סטנדרטים משותפים לממשקים המקבלים את הקציר.

מחקר עתידי מכוון למספר גבולות של מערכות היברידיות.שילוב מקורות מרובים (solar+RF, רטט +thermal) הם אופטימיזציה עם כוח אינטליגנטית routing. Energy-aware sensing ואלגוריתמים חישוביים להתאים את מחזור החובה של החיישן מבוסס על מערכות מתקדמות כוח.קונטקסט-מודע לחזות זמינות אנרגיה ולתאם את לוח הזמנים של חשמל אלחוטי באמצעות העברת כוח resonant coils יכול להשלים תוסף עבור מתקנים קשים.

כיוון מבטיח אחר הוא פיתוח של פתרונות משולבים לחלוטין "אנרגיה אוטונומית" במערכת-על-עצ'יפ (SoC) (SoC) שבב יחיד המכיל מקצירת MEMS, ניהול חשמל, ממשק חיישן, מיקרובקר, ורדיו הוא מטרה מחקר פעיל. Prototypes הוכחו עבור השמש וצירטטציה. כמו תהליכים מוליכים למחצה מתכווץ, צריכת הכוח של השבב ממשיך לרדת, צמצום הכוח הדרוש.

לבסוף, אלקטרוניקה גמישה ו מודפסת מאפשרים לקצירים זולים שניתן לשלב באריזה או משטחים מבניים.דפס TEGs ו photovoltaics אורגני ניתן לייצר על תת-שכבות גמישות, פתח יישומים בישולים ואריזות חכמות. בעוד יעילות ההמרה נמוכה יותר מסיליקון גבישי, העלות וצורה היתרונות של גורם הם משכנעים חד-פעמיים או גדולים.

מסקנה

טכנולוגיות קצירת אנרגיה עברו מתחנות מעבדה ועד מקורות כוח מעשיים עבור חיישנים אלחוטיים בעלי כוח נמוך.שמש, רטט, תרמית ו RF שיטות כל אחד מציעים יכולות ייחודיות להתאים לסביבות ספציפיות.כאשר בשילוב עם ניהול חשמל יעיל, אחסון מתאים, אולטרה סגול חשמל אלקטרוניקה, קצירים אלה מאפשרים רשתות חיישן לפעול ללא הגבלת זמן ללא סוללות.

אתגרים נשארים: מקור פנויות, צפיפות כוח נמוכה, מורכבות מערכת, ועלות.ההתקדמות מתמשכת בחומרים, עיצוב מעגלים ואינטגרציה הם בהתמדה להתגבר על המחסומים האלה.מערכות היברידיות והסתגלות, אלגוריתמים בעלי מודעות לאנרגיה, ו- SoCs משולבים באופן מלא לדחוף את הגבולות של מה אפשרי.עבור מהנדסים ומקבלי החלטות, המסר ברור: קציר אנרגיה הוא בוגר ומציאותי עבור יישומים אלחוטיים רבים, כיום, חשוב יותר, כדי לספק חיישנים יעילים יותר, כמו גם כן, כלומר, כלומר, כלומר, עם תכונות יעילות יותר, כלומר, עם ביצועים יעילים יותר, כלומר, עם תכונות חכמות יותר, כלומר, כלומר, עבור יישומים יעילים יותר, כדי לספק, עבור יישומים יעילים יותר, כמו גם לגבי יישומים יעילים יותר, עבור יישומים יעילים יותר, עבור יישומים יעילים יותר, עבור יישומים טכניים, חיישנים יעילים יותר, עבור יישומים חדשים יותר, עבור יישומים חדשים יותר, חיישנים יעילים יותר, עבור יישומים, עבור יישומים חדשים יותר, עבור יישומים חדשים יותר, עבור יישומים יעילים יותר, עבור יישומים יעילים יותר, עבור יישומים יעילים יותר, עבור יישומים יעילים יותר, עבור יישומים יעילים יותר, עבור יישומים חדשים, עבור יישומים חדשים, עבור יישומים חדשים יותר, עבור יישומים יעילים יותר, חיישנים יעילים יותר, חיישנים יעילים יותר, חיישנים יעילים יותר,