מכשירים מחשוב מטושטשים יותר ויותר בחוד הרשת כדי לעבד נתונים עם שקיפות נמוכה, להפחית את צריכת רוחב הפס, ולתמוך בקבלת החלטות בזמן אמת עבור יישומים כגון ערים חכמות, אוטומציה תעשייתית, כלי רכב אוטונומיים, ובריאות.בניגוד מרכזי נתונים מרכזיים בענן, נודים ערפל ממוקמים לעתים קרובות במקומות מרוחקים או קשים לסח, כאשר גישה לרשת החשמל מוגבלת או לא זמינה, הם ללא מספיקים עבור ניתוח בסיסי עבור אפשרויות הפעלה מוגבלת של אנרגיה מוגבלת, אך לא יעילה, אך ורק עבור עלויות קבועות, אך לא יעילה של מערכת הפעלה קבועה של אנרגיה, אך ורק עבור מערכת הפעלה עצמית, אך יעילה, אך יעילה, אך ורק עבור עלויות קבועות, אך לא יעילה של מערכת הפעלה קבועה של מערכת מסחר קבוע של מערכת הפעלה, אך אינה יעילה, אך יעילה, אך היא יעילה, ולכן היא יעילה, אך היא יעילה, אך יעילה, ולכן היא יעילה של מערכת יעילה, ולכן היא יעילה, אך היא יעילה, ולכן היא יעילה, אך יעילה, ולכן היא יעילה, אך היא יעילה, אך יעילה, אך יעילה, היא מאפשרת גישה לרשת החשמל, אך היא יעילה של מערכת מסחר קבוע של מערכת הפעלה מחדש של מערכת הפעלה מחדש של מערכת הפעלה מחדש של מערכת הפעלה מחדש של מערכת הפעלה מחדש של מערכת הפעלה מחדש של מערכת הפעלה אוטומטית, אך היא יעילה, אך יעילה, אך יעילה

הבנת תפקיד קציר האנרגיה בערפל

קצירת אנרגיה, המכונה גם אנרגיה מתפתלת, היא תהליך של לכידת כמויות קטנות של אנרגיה מחממת מן הסביבה הסובבת וממירה אותו לתוך כוח חשמלי רב-עוצמה. בהקשר של מחשוב ערפל, קציר אנרגיה מאפשר למכשירים לפעול באופן אוטונומי מבלי להסתמך רק על סוללות או על חיבורי חשמל מחוטים טיפוסיים כולל חיישנים, פועלים, ומיקרו-מיקרו-מחשוב, אשר מבצעים פעולות אחסון, למעטים, למספר מעגלים חזקים של כוח.

מקורות האנרגיה העיקריים למחשוב ערפל כוללים:

  • (ב) קרינת אור השמש (בדלתות)
  • (ב) ,0) ,הדור הירומאלקטרי (הדור הדמואלקטרי) מהבדלים בטמפרטורות.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ ⁇ : ⁇ 1 (הראשונה) ⁇ , אלקטרומגנטית, או אלקטרוסטטית של תנועה.
  • (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

כל מקור מציע גינויים שונים של כוח, תבניות זמינות ומגבלות תפעוליות.בחירת השילוב הנכון של טכנולוגיה קציר, רכיב אחסון ועיגולי ניהול כוח הוא קריטי להשגת נייטרליות אנרגיה לטווח ארוך - שבו האנרגיה המנוסחת לאורך זמן שווה או עולה על האנרגיה הנמשכת.

אסטרטגיות של אנרגיה משותפת ב Depth

אנרגיה סולארית

אנרגיית השמש היא השיטה הבוגרת והנפוצה ביותר עבור ערפל חיצוני. לוחות Photovoltaic (PV) להמיר אור השמש לחשמל הנוכחי ישיר. עבור מכשירי ערפל, גדלים פאנל טיפוסיים נעים ממספר סנטימטרים רבועים עבור צמתים מקורה עד כמה מאות סנטימטר רבועים עבור שערים בחוץ.יעילות של תאים סולאריים סיליקון מסחריים משתנה בין 15% ל 22%, בעוד טכנולוגיות מתפתחות כמו perovskite ו תאים מרובים תחת תנאים מעבדה.

שיקולים עיצוביים מרכזיים כוללים:

  • (FLT:0)Maximum Power Point Tracking (MPPT): אלגוריתמים 1 MPPT לייעל את העומס כדי להפיק כוח מקסימלי מהפאנל PV תחת שינוי אי-דיאדמנט וטמפרטורה. במכשירים קטנים, MPPT ICs כוח נמוך (למשל, BQ25570, SPV1050) משמשים בדרך כלל.
  • (FLT:0) אחסון אנרגיה: FLT:1 Supercapacitors מעדיפים לטווח קצר עקב חיי מחזור גבוהה שלהם טעינה מהירה, בעוד סוללות להתמודד עם תקופות בין לילה או ענן מערכת אחסון היברידית משלבת הן.
  • (FLT:0)Indoor vs.בחוץ:FLT:1Indoor Harvesting מסתמכת על אור מטבול עם נחיתות כוח של 10-100 מיקרוW / ס"מ2; אור השמש הישיר החיצוני מספק 10-100 mW / 2. מיקום התקן וכיוון חייב לקחת בחשבון את ההבדלים האלה.
  • (FLT:0) ,Self-Cleaning and Durability:BuildFLT 1:1 Dust, שלג וגני ציפורים יכולים להפחית באופן דרסטי את הפלט. ציפויים מרתיעים ומנגנוני ניקוי תקופתיים (או עיצוב לתחזוקה מינימלית) חשובים לאמינות ארוכת טווח.

(FLT:0)Example Applications:FLT:1 בקרים חכמים של אור רחוב, תחנות ניטור סביבתי באזורים מרוחקים, ונקודות IoT חקלאיות המופעלות על ידי לוחות סולאריים קטנים עם גיבוי supercapacitor.

אנרגיה מתחדשת

גנרטורים ה- TEGs (TEGs) מנצלים את אפקט ה-Seebeck, מה שממיר סגסוגת טמפרטורה על פני חומר מוליכים למחצה למתח חשמלי. TEGs הם מכשירים יציבים עם שום חלקי תנועה, מה שהופך אותם אמינים מאוד עבור סביבות תעשייתיות ומכוניות.עם זאת, הם דורשים הבדל טמפרטורה מתמשך של לפחות 5-10C כדי לייצר כוח שימושי - בדרך כלל 10-100 מיקרו-W לכל סנטימטר ל-2 ° C.

  • (FLT:0)Materials:FLT:1 מסורתי bismuth Telluride (Bi2Te3) ⁇ s מציעים יעילות סביב 5–8% ליד טמפרטורת החדר. מחקר לתוך skutterudites, חצי Heusler תרכובת, חומרים ננו-מבנים הוא לדחוף יעילות מעבר ל -10% עבור טווחי טמפרטורה גבוהים יותר.
  • (FLT:0) Heat Sink ו- Thermal Management:cioFLT:1) יש צורך בדרך כלל על הקירור הקר כדי לשמור על ה ⁇ .In ערפל נושך משטחים חמים (למשל, צינורות מכונות, מנועים וציוד מרכז נתונים), המכשיר יכול לשמש כמשט חום.
  • (FLT:0)Low-Voltage Startup:BuildFLT:1 TEGs לייצר מתח נמוך מאוד (עשרות מ"ר) ב ⁇ T קטנה. להגביר את הממירים ייעודיים עם מתח אולטרה-נמוך (למשל, LTC3108, MAX17710) נדרשים.

קצירת ה-Mermal מתאימה במיוחד ל-IoT תעשייתי שבו מכונות מייצרות חום פסולת.משסתום חכם על צינור קיטור, למשל, יכול לקצור כוח מתמשך מטמפרטורת פני השטח של הצינור.

אנרגיה אלימה קצירת אנרגיה

רטטים מכניים בשפע בסביבות תעשייתיות, מערכות תחבורה ותשתיות. קיימים שלושה מנגנוני השתלות עיקריים:

  • (FLT:0) חומרים פוליויניזואלקטריים: FLT:1 להוביל zirconate titanate (PZT) או פוליווינילidene fluoride (PVDF) לייצר מטען כאשר מתוח מכני. Cantilever מבנים מכוונים לתדירות הרטט הדומיננטית (לעתים קרובות 50-200 הרץ) למקסם את התפוקה, בדרך כלל 100-1000 מיקרו-W.
  • (FLT:0) Electroמגנטי: 1FLT:1 A מגנטי נע דרך סליל מעורר זרם. גנרטורים אלה חזקים ויכולים להתמודד עם עקירות גדולות יותר, אך דורשים עיצוב מכני מדויק ולעתים קרובות הם גדולים יותר.
  • (FLT:0) נבחר: 1.10LT:1; קיבולים משתנים לשנות את קיבול עקב תנועה, וחיוב מועבר מגורם טעון מראש.הם מתאימים היטב לאינטגרציה בקנה מידה MEMS, אך דורשים מקור מתח ראשוני.

ספקטרום רטט אמיתי הם לעתים רחוקות סינוסים טהורים; הם מכילים תדרים מרובים והתפרצויות לסירוגין.אנרגיה קציר מעגלים עם ממריצים, משאבות מטען, ואימפולס הסתגלות התאמה (למשל, סיינט E - Synchronous Electric Charge Extraction, SSHI - Synchronized Switching on Inductor) יכול לשפר את היעילות על ידי 400% בהשוואה ל-retratating פשוט גשרים.

תדירות רדיו (RF) אנרגיה קצירת אנרגיה

אנרגיית RF לוכדת גלים אלקטרומגנטיים ממערכות תקשורת כגון Wi-Fi (2.4/5 GHz), תא (700 MHz-2.6 GHz), וטלוויזיות דיגיטליות (470-800 MHz) , בד"כ, נחיתות כוח הן בדרך כלל בטווח של 0.1-10 μW / CM2 במרחק של כמה מטרים מהמקור, מה שהופך את RF מתאים לעוצמה נמוכה בסביבות עירוניות או בסיס קרוב.

  • (FLT:0Rectenna Designmia:FLT:1 A אנטנה מקבלת התואמים את להקת התדר הרצויה קשורה למעגל מהדהד (בדרך כלל מכפיל מתח מבוסס שטוף שטוף שמש) , רטטים פסים רב-band יכולים לקצור מלהקות מרובות בו-זמנית כדי להגדיל את הכוח הכולל.
  • (FLT:0)state-of-the-art ICs:SIRFLT) 1 צ'יפים כמו P2110 מ Powercast או Analog מכשירים ADP5091 משלבים את ההמרה של RF-to-DC וניהול כוח, השגת יעילות מקצה לקצה עד 50% מכוחות קלט למעלה - 10Bm.
  • (FLT:0) נדחה לעומת Ambient:FreaLT:1 לעתים קרובות מפעילי פריסת משדר כוח RF ייעודי בסביבה (למשל, מקור 915 MHz ISM-band) כדי לספק אספקת חשמל צפויה. , קציר אלבטנטי מתשתית הקיימת (Wi-Fi נתבים) הוא פחות אמין בשל יכולת פנויה במקומות תנועה ומשתמש.

מקרה שימוש מעשי הוא חיישן טמפרטורה / בדידות בבניין חכם המקצר את הכוח מהרשת Wi-Fi של הבניין, מעביר נתונים כל כמה דקות ללא סוללות.

דרישות עבור אנרגיה קצירת ערפל

יישום מערכת איסוף אנרגיה במכשיר ערפל אינו רק עניין של חיבור גנרטור לעומס.יש לנתח בזהירות את הגורמים הבאים במהלך עיצוב המערכת:

זמינות אנרגיה וטיפוח

(האופי של הסביבה שבה המכשיר יפעל: למדוד את אי-הההוריות הסולאריות (או עוצמת אור פנימית), ⁇ טמפרטורה, ספקטרום רטט ותדירות תדר, או צפיפות כוח RF. השתמש בגלי נתונים או מחקרים התייחסות כדי לבנות מודל סטטיסטי של יבוא אנרגיה.

תקציב וחובה אופניים

השלמת צריכת החשמל הממוצעת והשיאית של המכשיר.עבור ערפל מטופח סוללות, תקציב אנרגיה המהווה חישה, עיבוד (למשל, MCU, FPGA), שידור רדיו (למשל, LoRa, BLE, LTE-M), ו- סטנדבי רק הוא חיוני.

אינטגרציה של אנרגיה

אחסון גשרים את הפער בין אספקת אנרגיה משתנה לבין הביקוש הקבוע יחסית.

  • (FLT:0) Supercapacitorsibators: FLT:1 צפיפות כוח גבוהה, מיליוני מחזורי מטען / חיוב, טווח טמפרטורה רחב מתאים עבור קצר טווח קצר (שניים עד דקות).
  • (FLT:0) ליתיום-יון בטיטריות: גרף 1) צפיפות אנרגיה גבוהה, מטען עצמי נמוך, אך מוגבל מחזורי מחזור (300-1000 מחזורים) עבור אחסון של לילה או רב-יומי.
  • (FLT:0)Thin- Film Solid-State Batteries:BuildFLT) 1:1 דליפה נמוכה במיוחד (למשל, Cymbet, Infinite Power Solutions) וניתן לשלב אותה ישירות על שבב. אידיאלי עבור חיישני ערפל מיניים.

טופולוגיה היברידית - supercapacitor עבור עומסי שיא ו קצירת כיפוף, בתוספת סוללה משנית לאחסון עמוק - נפוץ במכשירי ערפל מסחריים.

Power Management Integrated Circles (PMICs)

PMI מיוחד כגון <חזק>Texas Instruments BQ25570, <חזק>Linear טכנולוגיה LTC3106, ו <חזק>Renesas ISL9120 משלב MPPT, להגביר את ההמרה, טעינה הסוללה, ותקנה הפלט. Key metrics: quiescent הנוכחי (בדרך כלל 1 μA), יכולת קרה (התחל מטווח המטען) ואפס רזולוציה גבוהה.

אנרגיה-Aware Task Scheduling

עבור ערפל nodes המבצע חישוב, משימות לוח זמנים כאשר אנרגיה שופע (למשל, בידוד גבוה או רטטים) ו deferring משימות לא קריטיות במהלך תקופות אנרגיה נמוכה יכול לשפר את חיי המערכת הכוללת.אנרגיה-מודע מערכות הפעלה (כמו FLT:0FreeRTOS עם הרחבות ניהול כוח 1) או לוחות זמנים מותאם אישית ניתן ליישם שיטות למידה יותר ויותר כדי לחזות זמינות על בסיס דפוסים אנרגיה.

עיצוב פיזי והגנה סביבתית

Enclosures חייב להגן על אלקטרוניקה ממזג אוויר, אבק ולחות תוך כדי מתן גישה לאנרגיה טרנספורמטיבי למקור הסביבה (למשל, כיסוי שקוף עבור לוחות סולאריים, מוליכות תרמית עבור TEGs, הפיכה מכנית עבור תנודות). דחוס IP6x הם נפוצים עבור מכשירים ערפל בחוץ.הניהול הrmal עשוי גם להיות צורך כדי למנוע התחממות יתר של אלקטרוניקה כאשר הקציר הוא משטח חם על פני השטח.

אתגרים ב- Deploying אנרגיה קצירת מחשוב

למרות הבטחתו, קצירת האנרגיה מציבה כמה אתגרים בעולם האמיתי שיש לטפל בהם עבור פריסה אמינה בקנה מידה:

  • (FLT:0) אינטימיות ומשתנה: FIRLT:1 טיפות אנרגיה סולארית בלילה ובמהלך מזג אוויר מעונן; אינטנסיביות רטט תלויה במבצע מכונות; ⁇ s תרמיים להשתנות.מערכות חייב לסבול תקופות של אפס קוצר כוח.
  • (FLT:0) הגבלות סחיטה: 1FLT:1 Batteries degrade over time ועם קיצוניות טמפרטורה. Supercapacitors דולפות מטען ויש צפיפות אנרגיה נמוכה יותר, להגביל כמה זמן המכשיר יכול לרוץ ללא קלט.
  • (FLT:0) Cost ו- Form Factor:FLT:1, מרכיבים בעלי יעילות גבוהה (במיוחד טרנסנפצים מותאמים אישית או תאים סולאריים רב-צומת) יכולים להיות יקרים ורב-תכליתיים, המנוגדים ליעדים המיני-אירויים של מכשירים קצה.
  • (FLT:0)סוף החיים והתחזוקה: ENDFIRLT:1 ,המכשירים המתירים עדיין יש תקופות חיים סופיות. לוחות סולאריים עלולים לסבול מקרקעות, TEGs עלול להיכשל בשל רכיבה תרמית, סוללות בסופו של דבר יצטרכו להחליף.
  • (FLT:0) ההגבלות על תנאי בטיחות: FLT:1 יבול RF מלהקות מורשה עשוי להיות הגבלות רגולטוריות. יבולים ויגמריים על מכונות קריטיות בטיחות אסור להתפשר על שלמות מבנית.הקצירים העשרים על פני השטח החמים חייבים לציית לסטנדרטים בטיחותיים.

תוצאות חיפוש: Real-World Fog Computing Applications

תאורה עירונית חכמה

בקר עירוני של אור רחוב משלב פאנל של 50 W השמש, בנק supercapacitor, ו LTE-M מודם. במהלך היום, הפאנל מאלץ את הבקר וטעים את supercapacitor. בלילה, האנרגיה המאוחסנים שומרת קישוריות רשת ולשלוט מנורת LED המבוססת על נתוני חיישן מקומי (Motion, ambient Light) ערפל מבצע AI כדי לזהות נורמה, להפחית את הנתונים על פני כדור הארץ.

פיקוח תעשייתי

קציר אגראזואלקטרי מחובר לזרוע רובוט הייצור.האנרגיה המנוסחת (ממוצע 500 מיקרו-מיקרו-ו) מאוחסנים ב-10 F supercapacitor, אשר מעצימה מד תאוצה של MEMS, a Cortex-M4 microcontroller, ו-2.4 GHz רדיו.המכשיר קורא חתימות ב-1Hz, מבצע FFT מקומי, ושולח רק אזעקה כאשר הוא מזוהה החלפת סוללות קשיחות.

רשת חיישן סביבתית מרחוק

קבוצה של לחות הקרקע וחיישנים טמפרטורה אוויריים בשטח חקלאי הם כל אחד מופעל על ידי קטן (5 ס"מ × 5 ס"מ) רב-מקור המשלב תא סולארי זעיר, גנרטור תרמואלקטרי המנצל את הבדל הטמפרטורה המשתנים בין אדמה ואוויר, ואוויר נמוך קידוד RF קידוד RF ארקאנטנה ממרחק 868 MHz קרוב. A אחסון היברידי של 1 Fcaptor נוסף בתוספת חלון אוויר דק מאפשר מעבר ל-אווירה הוא 30 דקות.

מגמות עתידיות ב-Fristing for Fog Computing

מספר כיוונים מחקר וטכנולוגיה מבטיחים להפוך את האנרגיה לקציר יעיל יותר, אמין, וכול מקום עבור מכשירי ערפל:

Multi-Source Hybrid Harvesters

שילוב שני מקורות או יותר במכשיר יחיד מגביר את העוצמה ואת צפיפות החשמל.לדוגמה, משולש סולארי-תרמי-היברטור-השרוסטר יכול לפצות על חולשת מקור אחד עם הכוח של מערכות אחרות, המתגות באופן דינמי בין מקורות המבוססים על זמינות (באמצעות PMI עם ערוצי קלט מרובים) הופכים לקיום מסחרי.

אינטליגנציה מלאכותית לחיזוי אנרגיה וניהול

מודלים של למידת מכונות (למשל, LSTMs, חיזוק למידה) מאומן על נתונים היסטוריים ותחזיות מזג אוויר יכול לחזות את צריכת האנרגיה העתידית עם דיוק גבוה. ערפל נודס יכול אז להתאים באופן יזום תדירות דגימה, עומס מחשוב, או כוח רדיו כדי להבטיח הפעלה רציפה.

חומרים מתקדמים ו Transducers

תאים סולאריים Perovskite עכשיו להשיג יעילות > 25% וניתן להדפיס על תת-שכבות גמישות, צמצום עלות ומשקל. חומרים תרמואלקטריים אורגניים (למשל, PEDOT:PSS) מאפשר TEGs גמישים התואמים משטחים חמים מעוקלים. Piezoelectric nanomaterials (ZnO ננוwires, PVDFbers) להבטיח פלט גבוה בקנה מידה זעיר, מתאים עבור תדרי חשמל מפולג'ר (G).

אנרגיה מגוף ומקור ביולוגי

עבור ערפל בריאות (אכילה או מושתלת), תאי דלק ביולוגי להמיר גלוקוז או לקטט לחשמל, בעוד גנרטורים תלת-חמצני קציר אנרגיה מתנועות גוף.מקורות אלה הם עדיין כוח נמוך (1-10 μW) אבל מתאים לרגישים ומשלוח לסירוגין.

שילוב עם Edge AI ו- Near-Sensor Processing

כאשר ננודות ערפל הופכות יותר מסוגלות להפעיל מודלים של למידת מכונה באופן מקומי, תקציב האנרגיה להגדלת חישוב.עם זאת, עיבוד נתונים בקצה מפחית את כמות הנתונים המועברים, אשר לעתים קרובות הצרכן הכוח הדומיננטי. Ultra-low-power AI מאיצים (למשל, Google Edge TPU, GreenWaves GAP9) פועל ב- sub-10 mW יכול להיות מחובר עם אנרגיה לקציר תמיד רשתות ערפל חכם.

מסקנה

קצירת אנרגיה היא מאפשרת בסיסית עבור הפריסה הנרחבת של מכשירי מחשוב ערפל במקומות שבהם כוח קונבנציונלי הוא לא מעשי.על ידי מינוף של השמש, תרמית, רטט ומקורות RF, מפתחים יכולים ליצור מערכות שימור עצמי שפועלות ללא הרף עם מינימום התערבות אנושית.ההצלחה של מערכות כאלה תלויה בעיצוב זהיר: התאמת אסטרטגיית הקציר לפרופיל הסביבתי, אחסון כראוי, הפעלת חשמל נמוך וקידום אנרגיה קדימה, כמו גם חומרים ניהוליים מתקדמים יותר.