מכשירים מבוססי איכות אוויר עבור הסביבה העירונית

עלייתם של מפקחי איכות אוויר עוצמתיים בנוף העירוני

זיהום אוויר עירוני נשאר משבר בריאות הציבור והסביבתי הקשה על פי ה-FLT:0 [World Health OrganizationhilFLT] 1, 99% מאוכלוסיית העולם נושמים אוויר העולה על גבולות מנחים בטוחים.ערים ברחבי העולם מנסים לפרוס רשתות חיישן צפופים כדי למפות נקודות חמות, להודיע מדיניות, ולהגן על קהילות מעקב מסורתיות ברמה גבוהה - תחנות ניטור, חוטיות, יקרות, ומחיר סביר מעבר לרמה זו, הוא קנה מידה יעילה של איכות יציבה, והגנתית, והגנתית, באופן ישיר על פני איכות יציבה, והגנתית.

מכשירים קומפקטיים אלה משלבים טכנולוגיות איסוף אנרגיה מתחדשות – כגון photovoltaics סולאריים, קצירי דגנים וגנרטורים תרמואלקטריים - לפעול ללא חיבור רשתי.על ידי חיסול הצורך בתשתיות חשמליות, הם פותחים רשתות ניטור צפופות, בזמן אמת במקומות שלא נגישים: התנגשויות רחוב, מקלטי אוטובוסים, חזיתות בנייה ואפילו עצים.

מערכות ניטור איכות אוויריות מבוססות

ניטור איכות אוויר מופעל עצמית הוא חיישן אוטונומי node כי מודדיםמזהמים כמו PM2.5, PM10, חנקן דו חמצני (NO2), אוזון (O3), פחמן חד-חמצני (CO), ותרכובות אורגניות תנודתיות (VOCs) הוא משלב קציר אנרגיה מוטבע, סוללה חד-משמעית או supercapacitor לאחסון, חיישנים נמוכים-מקלע, מיקרו-בקר, ותקשורת אלחוטית (NRAGienter) הוא בעל יכולת הפעלה של 5G, או כוח-תועלת, הוא כוח-תועלת, WAN.

מכשירים אלה אינם רק חיישנים בעלי כוח נמוך עם תא סולארי המוצמד אליו.הם דורשים אופטימיזציה קפדנית ברמת המערכת: התאמת קצבי קציר האנרגיה למחזורי חובת חיישן, ניהול כוח במהלך תקופות אנרגיה נמוכות, ולהבטיח העברת נתונים אמינה גם כאשר אור השמש או הרטט הוא לסירוגין.התקדמות באלקטרוניקה אולטרה-עוצמה נמוכה והמרה אנרגיה יעילה עשתה פעולה מונעת עצמית במשך חודשים רצופים, ללא השגחה במשך חודשים או שנים.

טכנולוגיות אנרגיה

סולרי Photovoltaic (PV) Harvesting

לוחות סולאריים קטנים ויעילים הם מקור האנרגיה הבוגר ביותר ופרוז נרחב עבור צגים המופעלים על ידי עצמי.מכשיר עירוני טיפוסי משתמש - 3-10 Wp (וואט-peak) PV פאנל עם 4-6 שעות השמש השיא של השמש במשך רוב הערים, זה יכול בקלות כוח חיישן כי שואב רק כמה מאות מילימטרים על גבי השמש הממוצע יכול לפעול ללא הגבלת זמן במקומות מרוחקים, אחסון עודף אנרגיה עודף אווירי או קיבולת קטנה של סוללות.

עם זאת, קצירת השמש סובלת משתי מגבלות: צל מבניינים או עצים, וריאציות עונתיות בשעות אור היום.מעגלות נקודת כוח מקסימלית מתקדמות (MPPT) ותאים סולאריים במציינים (אשר אוספים אור משני הצדדים) עוזרים ללסחוט יותר אנרגיה מ diffuse ומשתקף אור בקניונים עירוניים עמוקים.

▪ אנרגיה Piezoelectric קצירת אנרגיה מ Vibrations

חומרים Piezoelectric לייצר מטען חשמלי כאשר מלחיצה מכנית.בסביבות עירוניות, רטטים מתנועה vehicular, צעדים על המדרכה, או תנודות המושרה רוח של מבנים ניתן לקצור. a ⁇ electric cantilever beam מכוון לתדירות הרטט הדומיננטית (למשל, 20–100 הרץ לתנועה) יכול לייצר עשרות עד מאות מיקרווואט - מספיק כדי חיישן נמוך.

בעוד צפיפות אנרגיה ⁇ אלקטרית נמוכה מהשמש, היא מציעה את היתרון של להיות זמין 24/7 באזורים גבוהים טרמפיקה והוא לא מושפע תנאי תאורה. מערכות היברידיות המשלבות שמש עם קצירת ⁇ הופכות נפוצות במכשירים מסחריים, ומבטיחות הפעלה גם במהלך תקופות ארוכות או בלילה במסדרונות עסוקים.

גנרטורים (TEGs)

גנרטורים הירואלקטריים להמיר את גלי החום לתוך זרם חשמלי באמצעות אפקט Seebeck. בהגדרות עירוניות, TEGs יכול לנצל את ההבדל בין גג מחומם השמש ואוויר קריר יותר, או בין חזית בניין חם לבין אוויר מבולגן. מודול טיפוסי של TEG עם הבדל טמפרטורה 10 מעלות צלזיוס יכול לייצר 0.5-2 V וכמה מ"טים - מסוגל לטריק לטעון עבור חיישן אבקת אשלי.

TEGs הם בעלי ערך במיוחד באזורים עירוניים סגורים למחצה או למחצה שבהם השמש אינה זמינה, אך הבדלים בטמפרטורה קיימים (למשל, רכבות, מנהרות, מוסך חניה) טבעם המוצק אינו אומר חלקים נעים ותקופות חיים ללא תחזוקה ארוכות.

כלכלנים נוספים בתחום האנרגיה

(FLT:0)Radio Frequency (RF) קציר: אנדרלינג: ⁇ FLT 1 תופס אנרגיית RF מ-Wi-Fi, מגדלי סלולריים, וסימנים שידורים.

(FLT:0) ,Wind Turbines:FLT:1, קטן בקנה מידה קטן טורבינות רוח ניתן לשלב בתוך תיקונים עירוניים. בעוד הם מייצרים כוח גבוה יותר (וואט) ברוח יציבה, הם מורכבים מבחינה מכנית ורגישים לטרפוכות עירונית.

(FLT:0)Triboelectric ננוגניטורים (TENGs): גישה חדשה יותר כי קציר אנרגיה מחיכוך בין חומרים (למשל, טיפות גשם, עלים בעלי רוח, או אפילו תנועה אנושית).

יתרונות מרכזיים מעל תחנות עוצמתיות

הערעור של צגים המופעלים על ידי עצמי משתרע מעבר לחופש מהרשת החשמלית. בואו נבחן את היתרונות הקריטיים שמניעים אימוץ:

• (FLT:0) באופן רנדיקל נמוך יותר של עלויות:03FLT:1) התקנת תחנת איכות אוויר מסורתית יכולה לעלות 250-100,000 $ ליחידה, כולל עגיל, חיוט, ומאפשרת. a self-powered node עולה 200-2,000 $, עם אפס עלויות חשמל.
• (FLT:0) רגישות והכחשה רשת: ערים יכולות לפרוס מאות או אלפי מכשירים בשכונות, פארקים ומסדרונות מעבר.דense רשתות ללכוד את יכולת החיים - למשל, את ההבדל בין צמתק עסוק לבין רחוב צדדי סמוך - אשר תחנות התייחסות בודדות מפספסות.
• (FLT:0) אחריות סביבתית: אנדרל 1 (Hal Sustainability: ⁇ FLT:1) מכשירים המונעים על ידי כוח עצמי לייצר אפס פליטות פחמן תפעוליות ולהימנע מהשפעה מחזור החיים של שחיוט נחושת ותשתיות רשת.
• (FLT:0) עמידות: 1FLT במהלך הפסקות חשמל, אסונות טבע או כשלי רשת, חיישנים המופעלים על ידי עצמי ממשיכים לאסוף ולהעביר נתונים.זה בלתי יקר עבור תגובה חירום ודמיולוגי אסון.
• (FLT:0) הגביר את פרסטינג ו- Siting:03FLT) 1 ללא צורך בחיבורים חשמליים, מכשירים יכולים להיות רכובים על רהיטים עירוניים קיימים - מאחזים, קטנטנים תנועה, לוחות סימנים - ללא עבודות אזרחיות מורכבות.

יישומים אמיתיים בסביבה עירונית

צגים המופעלים על ידי עצמי אינם מושג תיאורטי; הם מוצבים באופן פעיל בערים ברחבי העולם.המקרים הבאים ממחישים את הערך שלהם:

Hyperlocal זיהום Mapping במרכזי העיר

בלבות עירונית צפופה, זיהום משתנה על ידי חסימת דפוסי תנועה, תצורה של בנייה, מקורות פליטה. צגים המופעלים על ידי עצמי המחוברים לקוטבים קלים של אור רחוב יכולים ליצור מפת זיהום חי עם 50-100 מטר החלטה לוחמת העיר ברצלונה, למשל, כבר הטמיעו את ה- NO2 ו- PM2.5 כחלק מאסטרטגיה שלה:0 SuperblockFLT:1, המאפשרת לוחמת נתונים אמיתי של בדיקות נתונים של WAN באמצעות רזולוציה ציבורית.

Fence-Line ו-Port Monitoring

אזורי תעשייה, נמלים ורכזות לוגיסטיות לעתים קרובות חסרות כוח רשת אמין בסביבה הקרובה של מקורות פליטה. צגים המופעלים על ידי עצמי ניתן להציב ישירות על קווי גדר או על חוטי היקפי כדי לעקוב אחר פליטות מרתיעות (למשל, בנזואן, SO2, PM) נמל לוס אנג'לס משתמש בחיישנים היברידיים סולריים לאורך קווי דיזל כדי להעריך את יעילותה של תוכנית הטנדר הנקייה שלה.

מעקב אחר זיהום

מדידות דרכים הן קריטיות להבנת החשיפה ליד כבישים עסוקים.מוניטורים המופעלים על אורות תנועה, מחסומים מתווך ומבנים גשר.הם ללכוד ריכוזים שיא בשעות העומס ויכולים להיות מחוברים עם נתוני זרימת התנועה (למשל, מלשכות אינדוקציה או מצלמות) כדי ללמוד התאמות.בלונדון, FLT:0Brea LondonFLT: 1 כולל מאות חיישנים מופעלים על ידי עיגול נמוך של התרחבות נתונים.

יוזמה חכמה של ערים ואזרחיות

רבים מעוקבים המופעלים על ידי עצמי נועדו להיות ידידותיים לאזרח - כלומר, לא דורש מומחיות טכנית, ולהאכיל נתונים לתוך קבוצות פתוחות של קהילת אסיה, קליפורניה, ו Accra, גאנה כבר פרסה ערכות חיישן המופעלות על ידי השמש כדי למדוד את PM2.5 ולתמיכה בשינויים במדיניות.העלות הנמוכה ועצמאות הרשת להפוך את הפרויקטים הללו להסתברות אפילו בהגדרות קוד נמוך.

אתגרים טכניים ופתרונות הנדסה

למרות ההבטחה שלהם, מכשירים מופעלים על ידי עצמי עומדים בפני מספר מכשולים הנדסיים שיש לטפל בהם לצורך פעולה אמינה לטווח ארוך.

ניהול אנרגיה וניהול כוח

קצירת אנרגיה היא ללא ספק לסירוגין.יום מעונן יכול להוריד פלט סולארי ל -10% מהשיא. A תעבורה lull להפחית את קציר אדזואלקטרי.כדי לשמור על ניטור רציף, המכשיר צריך חיץ אחסון (חתוך או supercapacitor) בגודל כדי לכסות את הטמפרטורות הנמוכות ביותר של ליקוחיות מחמד.

קושחה ניהול חשמל חייב להיות מחובת באופן אינטליגנטי לממן את החיישן ואת הרדיו.לדוגמה, מכשיר עשוי לקחת מדידת ראש כל 5 דקות אבל רק לשדר נתונים בכל שעה, חבילות מאגדות כדי להפחית את אנרגיית השידור.יש חיישנים מסוימים יכולים להתעורר משינה עמוקה (consuming < 1 μA) על ידי סף מתח קציר אנרגיה, ביטול ניקוז לחלוטין.

חיישנים וקאליברציה

גז נמוך וחיישנים של ראש הממשלה המשמשים צגים מופעלים על ידי עצמי הם פחות מדויקים מאשר כלי הפניה כיתה. הם סובלים מרגישויות צלב (למשל, NO2 חיישנים מושפע O3), סחף עם הזמן, רגישות לטמפרטורה ולחות. כדי להבטיח איכות נתונים, יצרנים להעסיק:

• על שכפול באמצעות מודלים של למידת מכונה המפצה על משתנים סביבתיים.
• בדיקות זמןיות אפס-ספאם עם מקורות גזים פנימיים או חיישני התייחסות.
• קמפיינים של מיקום שבו מכשירים שדה הם מעת לעת במשותף עם תחנת התייחסות ותפקודי העברה נגזרים.

ה-FLT:0 EPA's Air Sensor ToolboxearFLT:1 מספק הנחיות להערכת ותיקון נתוני חיישן בעלות נמוכה, ומסייע למכשירים המופעלים על ידי העצמי לענות על צרכי הקהילה והרגולציה.

העברת נתונים וחיבוריות

העברת נתונים אלחוטית היא לעתים קרובות את שואב האנרגיה הגדול ביותר בצומת חיישן node. Self-Power-Ratchs בדרך כלל להשתמש ברשת הרחבה של כוח-עוצמה נמוכה (LPWAN) טכנולוגיות כמו LoRaWAN או NB-IoT, אשר יכול לשדר נתונים מעל כמה קילומטרים עם כוח מילימטריאט.עם זאת, canyons עירוניים יכולים לחסום אותות, הדורשים חזרות או mesh כדי להתנצלות אנרגיה.

בתרחישים של אנרגיה נמוכה קיצונית, כמה מכשירים משתמשים בתקשורת ליד שדה (NFC) או משואות Bluetooth Low Energy (BLE) כי טלפון חכם עובר או רכב יכול לאסוף - טכניקה המכונה FLT:0data mulesFLT:1 בעוד לא בזמן אמת, זה יכול לליש את צריכת החשמל עבור ניטור מגמה ארוך טווח.

יציבות סביבתית

חיישנים עירוניים עומדים בפני קיצוניות מזג אוויר: גלי חום, גשם קפוא, אבק, צפי ציפורים על לוחות סולאריים, ונדליזם. Red Rחוסם עם דירוג IP67, ציפויים אנטי-מחוסנים עבור כיסויי פוטו-וולטאי, ו יונקים-רגישים הם סטנדרטיים. חלק מהמכשירים כוללים מנגנונים מנקה עצמית (למשל, מחוספס קטן או אקטו) כדי לשמור על פני השטח של אנרגיה נקייה יותר.

מחקרים: רשתות אוטונומיות בפעולה

ברצלונה של פלטפורמת Detributed Sensors

ברצלונה, ספרד, הייתה חלוצה במעקב סביבתי מונע על ידי אזרח.ה העיר פרוסה מעל 200 חיישני איכות אוויר מופעלת - כל אחד מופעל על ידי פאנל סולארי קטן סוללה ליתיום-פומרימר - מעבר לאזור Eixample. החיישנים מתקשרים באמצעות LoRaWAN לפלטפורמת הנתונים הפתוחה של העיר (Decidim) יכולים להציג בפני ראש הממשלה 2.5, NO2, ו-O3 על גבי רמות שאינן ניתנות לרוקנות בלבד, אפילו על בסיס אזורי נתונים מוגבלים, אך ורק על ידי אזורים מוגבלים.

Accra, גאנה: פיקוח נמוך בדרום הגלובלי

בערים מתפתחות רבות, תשתיות רשת הן בלתי אמינות ותחנות ההתייחסות הן בקושי.המכשירים הללו:0BreatheLifeFLT:1 הקמפיין תמכו ברשת של צגים המופעלים על ידי ראש הממשלה2.5 סולרי ב- Accra. מכשירים אלה משתמשים באסטרטגיה פשוטה על מדידה / off: הם מתעוררים כל 10 דקות, מדד עבור 2 דקות, ולאחר מכן העבירו את הממוצע של 10 W פאנל סולארי ו- 5 אח"ל לשמור על המכשיר לרוץ אפילו במהלך העונה של מחזור הדם.

לוס אנג'לס פורט: אנרגיה היברידית קצירת ניטור תעשייתי

נמל לוס אנג'לס עומד בפני תערובת מורכבת של משאיות דיזל, אוניות מטען ופעולות רכבת.רשות הנמל שותפו עם סטארט-אפ כדי לפרוס 50 חיישנים המופעלים על-ידי עצמי לאורך המסדרון המהיר I-710 שמשרת את הנמל.כל יחידה משתמשת בלוח סולארי (5 W) בתוספת משככי כאבים שניתן ל- 30 הרץ כדי לקצור אנרגיה ממשאיות כבדות.

קווי עתיד וגבולות מחקר

הדור הבא של צגים איכותיים המופעלים על ידי כוחות אוויר יהיה יותר אינטליגנטי, יעיל, משולב בתשתיות עירוניות.

• (FLT:0) מרבי-מקור אנרגיה קצירת: ההרחבה:ראה LT:1) מכשירים המשלבים סולרי, אדזואלקטרי, וקצירים תרמואלקטריים על שבב יחיד יגיעו 24/7-הספיקה עצמית אפילו במיקרו-קלימיטים מאתגרים. , יבול גמישים של טט-סרט ניתן לטבול בחומרי בנייה (למשל, סרטי חלון, גג, מחסנים), מה שהופך את החיישן לבלתי נראה.
• (FLT:0) Edge AI עבור Real-Time Calibration ו Anomaly Detection: ⁇ FLT 1: Ultra-low-power microcontrollers (למשל, ARMx-M0+ עם מאיצים חומרה) עכשיו לתמוך רשתות עצביות זעירות על-ידטר.
• (FLT:0) אינטגרציה עם אינטרנט עירוני של דברים (IoT) פלטפורמה:Felo:Felo 1 AS ערים לבנות תאומים דיגיטליים ופלטפורמות עיר חכמות, צגים המופעלים על ידי עצמי יהיו רק עוד מבוי באפר של IoT מאוחדת.הם יכולים להשתלב עם אורות הסתגלות, השקיה אוטומטית או מערכות התראה חירום - פעולות מזעזעות כאשר הסף הוא עודף.
• החוקרים לומדים כיצד ליצ'נים ומחוסנים לשרוד על אנרגיה מינימלית בנישות עירונית.ביומטיות - כגון איסוף לחות פסיבית לתאי דלק כוח, או עיצובים פוטו-וולטאיים מעוררים השראה - עלולים לדחוף חיישנים מופעלים עצמיים למקומות שקדמו לאנרגיות.
• (FLT:0)Standards ו Interoperability:BuildFLT:1) יוזמת OpenAQ ופרויקט מדד איכות האוויר העולמי דוחקים עבור פורמטים סטנדרטיים של נתונים ו- APIs. מכשירים מונעים על ידי עצמי עתיד יהיו "להדביקים ושחקים" עם כל פלטפורמה של נתונים של עיר, הורדת מחסומים של שילוב.

מסקנה: נתיב בר-קיימא לניקוי אוויר

מכשירים ניטור איכות אוויריים מופעלים מייצגים יותר מאשר רק חדשנות טכנולוגית.הם מגלמים שינוי לעבר דמוקרטיזציה, גמישה, ניטור סביבתי אחראי לסביבה. על ידי איסוף אנרגיה מהשמש, הרוח, הרטט והחום, מכשירים אלה יכולים להיות פרוסים בקנה מידה הדרוש כדי להבין באמת דינמיקת זיהום עירונית - מפינות רחוב ועד לגנים גג.

הדרך קדימה היא לא ללא מכשולים טכניים: אמינות אחסון אנרגיה, דיוק חיישן, ויעילות העברת נתונים כל הביקוש להמשיך השקעות הנדסיות.אך הירידה המהירה בעלויות רכיב, התקדמות בלמידה מכונה עבור קיליברציה, והגדלת קבלה רגולטורית של חיישנים זולים עולים הם מאיץ את האימוץ.ערים המשלבים רשתות המופעלות על ידי עצמי לתוך התשתית הדיגיטלית שלהם יזכו בזמן אמת, היפרקלוריות כי תובנות המבוססות על ראיות - מקורות זיהום ירוקות, או אזורי זיהום ירוקות, אשר מתחום זיהום אוויר, או הגנה על רשתות אוויר ירוקות בקרבת מקום.

בעוד האוכלוסייה העולמית הופכת יותר עירונית, הזכות לנקות אוויר חייב להיות מגובה על ידי נתונים מופעלים על ידי עצמי, חינם מן הרשת של רשת החשמל, להציע בסיס בר קיימא ורחב עבור הערים החכם, בריא של מחר.