בעוד שהדחף הגלובלי לקיימות מאיץ, הפיתוח של מערכות משובצות באנרגיה למכשירים סולאריים עבר ממחקר נישה למשמעת הנדסית קריטית.מערכות אלה מהוות את עמוד השדרה של אינספור יישומים מרוחקים, אוטונומיים – מחיישנים חקלאיים ומעקבי חיות בר ועד לתחנות ניטור סביבתיות מוטבעות ומתקני בריאות ללא הגבלה.

הבנת מערכות הנחשדות

מערכת משובצת שמש היא אסיפה משולבת המקצרת אנרגיה קלה באמצעות תאים פוטו-וולטאיים, מאחסנת אותה ב-buffer (בדרך כלל סוללה או supercapacitor), ומשתמשת מיקרובקר מוטבע כדי לבצע חישה, עיבוד ומשימות תקשורת.בניגוד לרשת מופעלת או סוללות בלבד, תקציב האנרגיה הוא דינמי ומוגבל על ידי iance, אוריינטציה, ומזג אוויר עונתי חייב לפעול באופן נרחב של מערכת השמש.

מיצגים אדריכליים

(האדריכלות הטיפוסית כוללת ארבעה בלוקים עיקריים: FLT:0) אנרגיה קצירת חזיתית: end-endFLT:1, ו-FLT:2 Energy StorageFLT 3, FLT:4 Power Management Unit (PMU)FLT:5, ו-FLT:6 עומס (מערכת אחסון מוטבעת) 7.

מפתח

מהנדסים מעריכים מערכות משובצות המופעלות על ידי השמש באמצעות מדדים כמו FLT:0 Energy האוטונומיה של אוטונומיה לאנרגיה 1 (כמה זמן המערכת יכולה לרוץ ללא פיגור), FLT:2 יעילות אנרגיה מושכת את ה-FLT 3:2 (העברת עבודה מועילה לאנרגיה כוללת שנמשכת), ו-FLT:4duty מחזור FLT:5 (גיל של זמן הוא פעיל לעומת שינה, לדוגמה, 10.

יישומים טיפוסיים

  • חקלאות קדם: 1.10.10.1 לחות סולל, טמפרטורה וחיישנים מזינים התפשטו על פני שדות עצומים, העברת נתונים באמצעות לורWAN לשרתים מרכזיים.
  • (FLT:0) ניטור סביבתי: איכות האוויר 1FLT:1, רמת מים ותחנות מזג אוויר באזורים מרוחקים או מוגנים, שבהם חיווט הוא לא מעשי.
  • (ב) מעקב אחר:0 (Asset Monitor: FLT:1) סולרי GPS מסובבים עבור מיכלי משלוח, משטחים או בעלי חיים שזקוקים לחיי סוללה רב שנים.
  • (ב) תשתיות חכמות: ⁇ FLT:1) צומת IoT המופעל על ידי השמש עבור ניטור בריאות מבני של גשרים, צינורות או מבנים.
  • (ב) מכשירים בלתי ניתנים למניעה:0 (FLT:1) לפקח על פעילות כוח נמוכה תוספת סוללה עם לוחות פוטו-וולטאיים קטנים.

עקרונות מרכזיים של אנרגיה

יעילות האנרגיה במערכות משובצות המופעלות על ידי השמש אינה אופטימיזציה אחת, אלא אסטרטגיה שכבתית שנוגעת בכל היבט של העיצוב.העקרונות הבאים יוצרים את הבסיס.

בחירה דלת-עוצמה

בחירת המיקרובקר הנכון (MCU) היא ראשית. MCUs מודרניים כגון סדרת FLT:0)ARM Cortex-M0+ או M4 מבוסס דירקטוריון 1LT:1 משפחות (למשל, STM32L סדרה, Microchip SAM L, טקסס מכשירים MSP430) מציעים מספר מצבי חשמל: פעיל ל 50-200 מיקרו / MLC), לשקול באופן דרמטי של לחץ דם בודד (ALC) עם לחץ דם יחיד (ALC) עם לחץ דם נמוך יותר ממין 2, כולל קיבולת) ו-R) עם לחץ דם בודד של אבטחה (ALC) ו-R) עם לחץ דם בודד של אבטחה (ALC) ו-ALT2FD) עם לחץ דם בודד של אבטחה (ALC) עם לחץ דם בודד של תאים קצרים (ALT) ו-ALT) עם לחץ דם בודד של תאים קצרים (ALC) עם לחץ דם נמוך יותר ממין (R) עם לחץ דם בודד, כולל של אבטחה (R) עם לחץ דם בודד (R) ו-R) ו-R) עם לחץ דם נמוך יותר ממין (ALT2FLC) ו-H) עם לחץ דם בודד של אבטחה (ALT2FLCD2FLC) ו-R)

ניהול כוח חכם

ניהול חשמל מתרחב מעבר לבחירת רכיבים בעלי כוח נמוך.זה כולל התזמורות כאשר וכיצד המערכת משתמשת באנרגיה.טכניקות כוללות:

  • (FLT:0) מתח ותדירות (DVFS): הפחתה של מתח הליבה ומהירות השעון במהלך משימות חישוביות פחות אינטנסיביות. MCUs רבים תומכים במספר נקודות הפעלה שניתן לעבור במיקרו-שניות.
  • (FLT:0) ,Selective peripheral gating:cioFLT:1 ; tabling שעונים למודולים שאינם בשימוש (ADC, USB, Timer) כאשר לא צריך.
  • (FLT:0) תזמון: 1FLT (בשיתוף שעון בזמן אמת בעוצמה נמוכה (RTC) כדי להעיר את המערכת במרווחים שנקבעו מראש או בתגובה לאירועים חיצוניים (למשל, קצב סף חיישן).
  • (FLT:0) חיזוק של עומס חיצוני: ההרחבה 1 (שימוש במ"א) מתגי MOSFET כדי לנתק לחלוטין רכיבים בעלי עוצמה גבוהה כמו מודמים סלולריים או מנועים כאשר הם לא פעילים.

כוח יעיל יבול

(החלל הסולארי חייב להיות תואם למתח של העומס ולדרישות הנוכחיות.אלגוריתם MPPT לחלץ את הכוח העליון של פאנל. Common MPPT עבור מערכות קטנות כוללות:0perturb and watchofLT:1 ו-FLT:2fractional Open-circuit Open-circuit System (FLT) כולל לוחי חשמל ייעודיים, כגון: FLT:4maxmaxmaxmax,5, 5.

אופטימיזציה תוכנה

לעתים קרובות חברות תוכנה צורכת הרבה יותר כוח מאשר צפוי בגלל שיטות עבודה מכווצות גרועות.אופטימיזציה של מפתח כוללת:

  • (FLT:0) קיצור זמן במצב פעיל: FIRLT:1) השתמש DMA וחומרת חומרה כדי לקלקל את נתוני מעבד.
  • (ב) אלגוריתמים יעילים: FLT:1Build Use Lookupטבלאות במקום מתמטיקה צף נקודה, ולהימנע מחסימת עיכובים.
  • (ב) תזמון תקשורת:0) תזמון: נתונים טרנספורטים בהתפרצויות דחוסות, ואז כוח מטה את הרדיו.
  • (ב) ,0) סדר תצורה היקפית: FLT:1 , ראשון כפליים ברצף הממזער את ספייק האנרגיה.

אסטרטגיות עיצוב לאנרגיה

תרגומים של עקרונות לתוך עיצוב עבודה דורש הערכה מכרעת של חומריה-תוכנות מסחר-תוכנות.האסטרטגיות הבאות הוכיחו יעילות במערכות ייצור.

אופטימיזציה של Component-Levelation

(ב) מרכיבים נבחרים אשר זרמי הבקרה והפעילה נמצאים גם מתחת לתקציב האנרגיה הממוצע של המערכת.לדוגמה, מעבר לעומס:0STM32L031ph:1 בשינה עמוקה שואב 0.4 μA עם RTC מאפשר ל-pair עם סוללה של 3Apcout (R) ו- 2Sensirion SHT30F3LT (R) μA ב-D) ו-LX4A) ל-R.

עיצוב PCB עבור יעילות

לוחות מעגלים parasitics יכולים לבזבז microamps. Minimize דליפות על ידי:

  • שם מקור:0,0, 000:0, 000:0, 000: ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • בחירתו של ה-FLT:0 ceramic capacitorsFIRLT:1 עם רגישות נמוכה DC והתנגדות גבוהה בידוד.
  • הבטחת טיהור:0 לשפוך נחושת ומטוסי קרקע 1:1 כדי להפחית את ההתנגדות ואת ההפסדים.
  • ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Power Scheduling

מערכת ממונעת טיפוסית משקיעה > 99% מהזמן שלה ישן.הלוח הזמנים חייב למזער את זמן ההתעוררות.

  • (ב) ,0) ,Ut-re-up: (FreaLT:1) השתמש בהפרעות חיצוניות מפני אזעקה, לא סקר תקופתיפי.
  • (FLT:0) שידורים מצופים: FLT:1 אספסוף מספר חיישנים קורא לתוך חיץ אחד, ואז דחוס ושולח באחת ההתפרצויות.זה נמנע מרצף של התחלות רדיו מרובים, שכל אחד מהם צורך אנרגיה משמעותית.
  • (FLT:0) רכיבת אופניים חובה:FLT:1ir להתאים דינמי מרווח השינה מבוסס על אנרגיה זמינה.לדוגמה, אם מתח הסוללה יורד מתחת לסף, להגדיל את תקופת השינה ב-50% עד שטעינה חוזרת מתרחשת.

עיצוב אנרגיה

הבחירה בין סוללות וסופר-capacitors תלויה ביישום: סוללות יש צפיפות אנרגיה גבוהה יותר אבל חיי מחזור מוגבל; supercapacitors מציעים מיליוני מחזורים אבל יכולת נמוכה יותר.FLT:0 ליתיום-יון פולימר (LiPo) סוללות טיפול 1FLT 1 הם נפוצים, אבל FLT:2lithium huloride (Litep3)s לספק חיים נמוכים יותר עבור סוללות להורדת סוללות.

MPPT יישום המסחר-offs

MPPT מלא באמצעות מיקרובקר ורגישות נוכחית יכול להוסיף 10-30 מיקרוA של overhead.עבור מערכות קטנות מאוד (ראה FLT:0 fractional OCV שיטת OCV LT:1 או אפילו קבוע קבוע-voltage רגולטורי (למשל, ממיר להגדיר את נקודת הכוח המקסימלית האופיינית של פאנל) עשוי להיות יעיל יותר עבור מערכות גדולות יותר, MPPT הם מוצדקים מאוד על ידי שימוש ביישומים מלאים.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות התקדמות משמעותית, כמה אתגרים מתעקשים כי חוקרים ומהנדסים מטפלים באופן פעיל.

אור שמש משתנה והפרעה עונתית

(ה) ,הכוח הסולארי אינו מפוספס (בקיצור: ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

קידוד ופאנל דידרגציה

(ב) הפחתה חלקית של פאנל סולארי יכולה לגרום כתמים חמים ולהפחית באופן דרמטי את תפוקת החשמל.העיצובים המודרניים מעסיקים את ה-FLT:0 (bypass diodesFLT:1 ו-FLT:2multi-strating MPPT3FLT 3LT) כדי להפחית את זה, לוחות מתפתלים לאורך זמן (0.5–1% בשנה), אשר חייבים להיות מוזנים לתוך חישובי אנרגיה.

אחריות בסביבה החריפה

(הופנה מהדף OUTS INSTS INSTSICS RESIC TO BEICERS ON CASTS, LAS OF CALLED RESIC, AND TRASTORS AND REDERS הוסיפו עלויות וגודל אך הם הכרחיים לחידוש השדה.

אנרגיה בבקבוק

שידור אלחוטי שולט לעתים קרובות בתקציב האנרגיה. LoRa מציע טווח מצוין בעוצמה נמוכה, אבל אפילו חבילה אחת יכולה לצרוך כמה מילימטרים. מתפתח טכנולוגיות בעלות כוח נמוך רחב (LPWAN) כמו FLT:0 MiotyigFLT 1 ו-FLT:2LTE-MFLT 3 (עם מצבי חסכון) הבטחת יעילות טובה יותר עבור יישומים קצרים,5 וואט, 000 עם כוח.

AI ו- Machine Learning at the Edge

הפעלת רשתות עצביות קלות על MCU יכול להפחית את האנרגיה התקשורת על ידי חיסול הצורך לשלוח נתוני חיישן גולמי לשרת ענן.לדוגמה, מצלמת חיות בר המופעלת על ידי השמש יכולה להפעיל מודל גילוי אובייקטים זעיר (למשל, MobileNetV2 הקוונטים) כדי לסווג תמונות באופן מקומי, שליחת מסגרות רלוונטיות בלבד. MCUs עתידיים עם יחידות עיבוד עצביות ייעודיות (NPUs) תעשה את זה אפילו יעיל יותר.

התקדמות בחומרי קציר אנרגיה

תאים סולאריים Perovskite מציעים יעילות גבוהה יותר וגמישות מאשר סיליקון מסורתי, אבל יציבות לטווח ארוך שלהם עדיין משתפרת. לוחות Bifacial ו photovoltaics שקוף הם פתח אפשרויות אינטגרציה חדשות (למשל, בחלונות או מסך תצוגה) , (FLT:0Recent התפתחויות ב NRELFLT:1 להראות תאים perovskite מעל 25% יעילות, אשר יכול להפחית באופן דרמטי את הגודל הדרוש עבור מכשירים משובצים.

סטנדרטיזציה והכלים

התעשייה נעה לכיוון ממשקי ניהול חשמל סטנדרטיים.ה-FLT:0.ARM CMSIS-PowerveFLT:1 מספק ממשק API משותף לשליטה על כוח על פני משפחות MCU, פשט קוד נייד.בנוסף, כלי סימולציה כגון FLT:2 SystemC-AMSFLT 3FLT ו-FLT:4 , מנתחי אנרגיה המבוססים על ICE:5 לאפשר למהנדסים לצמצום של כוח לפני בנייתו.

מסקנה

פיתוח מערכות משובצות באנרגיה למכשירים המופעלים על ידי השמש הוא אתגר רב תחומי שמגמל תשומת לב קפדנית למבחר חומרה, עיצוב מעגלים, אופטימיזציה קושחה וניהול אנרגיה ברמה מערכתית. כמו האינטרנט של הדברים מתרחב ליישומים חיצוניים ומרוחקים, היכולת להשיג פעילות אמינה, לטווח ארוך ללא כוח רשת הופכת להיות בעלת ערך רב יותר.מהנדסים אשר שולטים בתכנון אנרגיה נמוכה, קציר יעיל, הסתגלות, ותזמון יעיל, ייצור מוצרים שאינם אמינים יותר, אלא גם כן, אלא גם כן, אלא גם כן, אלא גם מספקים יעיל יותר, אך ורק חומרים יעילים יותר, אך ורק עלות יעילה יותר, אך ורק עלות ויעילים, אך ורק עלות ויעילים, כוח יעיל יותר, אך ורק עלות יעילה יותר, החלים יותר, כוח, החלים, החלים יותר, החלים, החל מערכי אבטחה, עם כוח יעיל יותר, עם כוח יעיל יותר, אך ורק על בסיס יעיל יותר, החל מערכי אבטחה יעילה יותר, החל מערכי אבטחה, החל מערכי אבטחה יעילה יותר.

(ב) לקריאה נוספת, ראה את ה-FLT:0 (Texas Instruments Note) ב-Sunercateking Energy HarvestingFLT:1 ו-FLT:2Maxim Integrated Guide to low-Power system designFLT 3.