Технологии сбора энергии для беспроводных датчиков малой мощности

Беспроводные датчики малой мощности стали основополагающими компонентами в Интернете вещей (IoT). Эти устройства контролируют условия окружающей среды, отслеживают активы, обеспечивают прогнозное обслуживание и поддерживают интеллектуальную инфраструктуру. Их полезность, однако, часто ограничена временем автономной работы. Частые изменения батареи непрактичны для больших сенсорных сетей и невозможны в недоступных местах. Технологии сбора энергии устраняют это ограничение путем преобразования источников энергии окружающей среды - света, тепла, вибрации, радиоволн - в пригодную для использования электрическую энергию. Эта способность трансформирует развертывание датчиков из ограниченных батареями в автономные и устойчивые. Удаляя зависимость от одноразовых источников энергии, сбор энергии позволяет длительную, без обслуживания работу беспроводных сенсорных сетей в промышленных, сельскохозяйственных и городских условиях.

Эволюция маломощной электроники и накопления энергии сделала сборку практичной даже из слабых источников окружающей среды. Современные микроконтроллеры, трансиверы и интегральные схемы управления мощностью потребляют только от десятков до сотен микроватт во время активной работы и нановатт в спящем режиме. Одновременно эффективность комбайна улучшилась. Фотоэлектрические элементы теперь достигают 20-30 % преобразования в стандартных условиях, термоэлектрические генераторы достигают 5-10 % эффективности по умеренным температурным градиентам, а пьезоэлектрические комбайны могут извлекать милливатты из вибраций. Эти достижения позволяют датчикам работать бесконечно во многих реальных условиях. Проектирование надежной системы требует тщательного сопоставления выходных характеристик комбайна с профилем нагрузки датчика, наряду с эффективным хранением энергии и кондиционированием мощности.

Интерес к сбору энергии быстро вырос. По данным IDTechEx, рынок устройств для сбора энергии превысил $500 млн в 2023 году и, по прогнозам, достигнет $1,1 млрд к 2030 году. Приложения охватывают интеллектуальные элементы управления зданиями, структурный мониторинг здоровья, носимую электронику и точное сельское хозяйство. Технология не является футуристическим обещанием; она уже используется в миллионах беспроводных коммутаторов, датчиков и приводов по всему миру. Такие компании, как EnOcean и Powercast, коммерциализировали готовые решения, в то время как производители полупроводников поставляют специализированные устройства для сбора энергии (например, ] Аналоговые устройства и ] Texas Instruments .

В этой статье рассматриваются основные методы сбора энергии, подходящие для беспроводных датчиков малой мощности, обсуждаются соображения проектирования для интеграции комбайнов в реальные системы, описываются преимущества и оставшиеся проблемы, а также указываются будущие направления исследований. Цель состоит в том, чтобы предоставить практический и текущий обзор для инженеров и руководителей проектов, оценивающих сбор энергии для своих сенсорных сетей.

Виды технологий сбора энергии

Каждый метод сбора энергии использует конкретный источник энергии окружающей среды. Выбор зависит от среды развертывания, доступной плотности энергии и требований к мощности датчиков. Ни один метод не является универсально превосходным; успешные системы часто объединяют несколько комбайнов для повышения надежности. Ниже приведены наиболее распространенные и перспективные подходы.

Уборка солнечной энергии

Фотоэлектрические (PV) элементы преобразуют световые фотоны в электрический ток. Они являются наиболее зрелыми и широко используемыми энергосборщиками, предлагая самую высокую плотность мощности среди источников окружающей среды. При прямом солнечном свете типичная небольшая панель (50 мм × 50 мм) может доставлять 100-300 мВт - намного больше, чем требуется большинству датчиков малой мощности. Даже при внутреннем флуоресцентном или светодиодном освещении выход составляет от 10 до 100 мкВт на квадратный сантиметр.

Ключевые соображения для датчиков на солнечных батареях включают спектральную реакцию ячейки, влияние частичного затенения и необходимость отслеживания максимальной мощности (MPPT). Современные фотоэлементы, оптимизированные для внутреннего света, используют аморфный кремний или органическую фотоэлектрику, которые лучше соответствуют спектру искусственного света. Для наружного использования монокристаллические кремниевые элементы предлагают наибольшую эффективность. Обходные диоды и правильная ориентация смягчают потери затенения. Контроллеры MPPT непрерывно корректируют сопротивление нагрузки для извлечения пиковой мощности, особенно важно при переменных уровнях света.

Хранение энергии имеет важное значение, поскольку свет не постоянен. Датчики должны работать в темноте. Перезаряжаемая батарея или суперконденсатор, заряженный во время освещения, поддерживает ночные или облачные периоды. Суперконденсаторы обеспечивают более длительный срок службы цикла и более высокую скорость заряда / разряда, чем батареи, за счет более низкой плотности энергии. Гибридное хранилище - суперконденсатор плюс небольшая батарея - является обычным явлением. Система также должна включать управление питанием для обработки разрыва между выходом комбайна и спросом на нагрузку. Например, датчик, который просыпается каждые 15 минут для передачи 10 мс, может накапливать заряд в течение интервала сна и разряда во время взрыва.

Коммерческие модули сбора солнечной энергии доступны от EnOcean и других поставщиков, упрощая дизайн. Эти модули объединяют фотоэлемент, конденсатор хранения и управление мощностью в компактном пакете.

Вибрационная энергия сбора

Механические вибрации от машин, транспортных средств, движения человека или конструкций могут быть преобразованы в электричество с помощью трех первичных механизмов трансдукции: пьезоэлектрического, электромагнитного и электростатического.Вибрационные комбайны особенно привлекательны в промышленных условиях, где двигатели, насосы и конвейеры производят постоянные колебания.

Пьезоэлектрические комбайны генерируют напряжение, когда пьезоэлектрический материал (например, цирконат цирконат свинца или поливинилиден фторид) механически напрягается. Типичная конструкция использует консольную балку с доказательной массой, настроенной на доминирующую частоту вибрации. Когда окружающая вибрация соответствует резонансной частоте, выход может достигать 1-10 мВт. Вне резонанса мощность резко падает, поэтому для надежности используются настройки частоты или широкополосные конструкции (например, массивы пучков).

Электромагнитные комбайны работают по закону Фарадея: катушка движется относительно магнитного поля. Эти устройства могут вырабатывать умеренную мощность (10-100 мВт) на низких частотах (<100 Гц). Они механически прочны и не требуют специального материала, но движущиеся части могут со временем пострадать от износа. Компактные электромагнитные генераторы используются в некоторых самоуправляемых переключателях и пультах дистанционного управления.

Электростатические комбайны используют переменные конденсаторы. Заряженный конденсатор механически деформируется, меняя емкость и заставляя заряд на запоминающее устройство. Их можно изготовить с помощью процессов MEMS, делая их малыми и интегрируемыми. Однако выходная мощность ниже (микроватты) и им часто требуется исходный источник заряда.

В реальной среде частота вибрации может варьироваться от 20 Гц до нескольких кГц, а амплитуды от 0,1 г до 10 г. Соответствие резонансу комбайна имеет решающее значение. Некоторые конструкции включают бистабильные или нелинейные структуры для расширения полосы пропускания. Например, пряжка луча демонстрирует сквозное поведение, которое захватывает энергию в более широком диапазоне частот. Хранение энергии также необходимо, потому что вибрации могут останавливаться в нерабочее время. Суперконденсатор или батарея буферизирует энергетический бюджет датчика.

Термальная энергия сбора урожая

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) вырабатывают электричество из разностей температур с помощью эффекта Зеебека. Модуль ТЭГ состоит из множества полупроводниковых термопар p- и n-типа, соединенных последовательно электрически и параллельно тепловически. При нагревании одной стороны и охлаждении другой напряжение развивается пропорционально температурному градиенту.

Для датчиков малой мощности TEG наиболее эффективны, когда существует последовательный тепловой градиент: горячая труба на заводе, теплый блок двигателя против окружающего воздуха или геотермальный источник тепла. Даже тепло тела может питать запястье-наручное устройство, если температура окружающей среды достаточно холодная. Шкала мощности с квадратом разницы температур. Градиент 10 ° C через коммерческий модуль TEG (например, 30 мм × 30 мм) дает примерно 10-20 мВт. При градиенте 1 ° C мощность падает до 1-2 мВт и ниже 0,5 ° C сбор урожая становится непрактичным.

Эффективность ограничена термоэлектрической фигурой достоинства, ZT. Сплавы теллурида Bismuth имеют ZT ~ 1 около комнатной температуры, что дает теоретическую эффективность около 5-6% для градиента 20 ° C. Новые материалы, такие как скуттерудиты, полу-гейслеры и наноструктурированные композиты, направлены на то, чтобы подтолкнуть ZT выше 2. Эффективность также зависит от тепловой нагрузки; TEG, который плохо погружен в тепло, не будет поддерживать градиент. Дизайнеры должны обеспечить хороший теплоотвод на холодной стороне и высокопроводимую тепловую площадку на горячей стороне.

TEG генерируют низкое напряжение (от десятков до сотен милливольт), требуя, чтобы преобразователь импульса достиг уровней, используемых датчиками (1,8-3,6 В). Выделенные ИС сбора энергии, такие как LTC3108 от аналоговых устройств, запускаются от входных напряжений до 20 мВ. Хранение энергии (конденсатор или батарея) включено для подачи энергии в периоды, когда градиент временно падает.

Радиочастотный сбор энергии

RF-уборка энергии захватывает электромагнитные волны от маршрутизаторов Wi-Fi, сотовых вышек, широковещательного радио или выделенных передатчиков. Редентна (антенна плюс выпрямитель) преобразует мощность RF в DC. Плотность мощности окружающей среды RF обычно очень низкая - микроватты на квадратный метр в городских условиях. Например, типичный сигнал Wi-Fi на расстоянии 10 м обеспечивает около 0,1-1 мкВт. Такие уровни недостаточны для непрерывной работы датчика, но могут просачиваться заряжать элемент хранения.

Выделенные источники радиочастотной энергии повышают надежность. В таких приложениях, как отслеживание активов на складе, передатчик может транслировать непрерывную волну на частоте 915 МГц или 2,45 ГГц, а ректенна датчика собирает достаточно энергии (десятки микроватт до нескольких милливатт) для периодических передач. Системы, такие как комплекты передатчика и приемника Powercast, обеспечивают до 3 мВт на расстоянии 6 м с эффективной изотропной излучаемой мощностью (EIRP), соответствующей правилам FCC. Диапазон быстро падает на расстояние из-за потери пути в свободном пространстве.

RF-сборка привлекательна, потому что она не зависит от энергии окружающей среды - ее можно включить по требованию. Это делает ее пригодной для внутренних сред без света, вибрации или температурного градиента. Однако потребность в специальном передатчике добавляет стоимость инфраструктуры. Кроме того, эффективность ректификации при низких входных мощностях низкая; хорошая эффективность преобразования RF-DC при входе -20 дБм составляет около 10-30%. Передовые конструкции выпрямителей с использованием диодов Шоттки или выпрямителей на основе CMOS достигают лучшей производительности при сверхнизких уровнях мощности.

Другие источники

В малом масштабе для сбора энергии ветра используются микротурбины или генераторы на основе флейттера. Микротурбина диаметром ротора 5 см может производить 1-10 мВт при легком бризе (3 м/с). Такие устройства подходят для наружных датчиков в открытых местах. Для сбора энергии потока из воды или газовых потоков аналогично используются турбины или пьезоэлектрические флаги. Эти источники дополняют солнечные в условиях, когда ветер или поток доступен ночью.

Гибридные системы объединяют несколько комбайнов для повышения доступности энергии. Например, солнечный и вибрационный комбайны могут питать узел, работающий как днем, так и ночью, вблизи машин. Гибридные конструкции увеличивают сложность, но также и повышают надежность. Схема управления питанием должна принимать входы из нескольких источников, расставлять приоритеты сильнейшим, а также комбинировать или переключаться между ними. Некоторые ИС, такие как ADP5092 от Analog Devices, поддерживают многоисточниковый вход.

Рассмотрение системного дизайна

Интеграция энергосборщика в беспроводной датчик требует большего, чем просто выбор преобразователя. Вся цепочка питания - сборщик, кондиционирование мощности, хранение и нагрузка - должны быть оптимизированы вместе.

Управление электроэнергией и хранение энергии

Уборщик выдает сырую мощность с различным напряжением и током. ИС управления мощностью (PMIC) выпрямляет, повышает и регулирует это до стабильного уровня (например, 3.3 В). Многие ПМИК включают в себя схемы холодного пуска, которые начинают работу от чрезвычайно низких входных напряжений (до 20 мВ для ТЭГ). Они также обеспечивают МПРТ для фотоэлектрических источников и блокировки под напряжением для защиты элемента хранения от глубокого разряда.

Складывание энергии устраняет разрыв между прерывистым сбором и постоянным спросом. Суперконденсаторы популярны для мощных всплесков и длительного срока службы (500 000+ циклов). Батареи, особенно литий-ионные или литий-полимерные, предлагают более высокую плотность энергии, но ограниченный срок службы цикла (300-1000 циклов). Для многих сенсорных сетей, которые длятся 5-10 лет, использование батареи в качестве основного хранилища с суперконденсатором в качестве буфера может сбалансировать срок службы и емкость. Емкость хранения должна быть рассчитана на самый длительный ожидаемый темный или безвибрационный период. Это требует анализа исторических экологических данных для места развертывания.

Совместим Harvester для загрузки

Системы сбора энергии должны соответствовать профилю мощности нагрузки. Большинство беспроводных датчиков имеют очень низкий рабочий цикл: они спят в микроамперах и периодически просыпаются, чтобы чувствовать, вычислять и передавать (импульсная нагрузка миллиамперов). Комбайн заряжает элемент хранения во время сна, а элемент хранения поставляет разрыв. Соотношение мощности сбора урожая к мощности загрузки должно быть в единице в долгосрочной перспективе; в противном случае хранилище будет истощаться. Полезной метрикой является энергетически нейтральное условие работы: собранная энергия в течение цикла равна потребляемой энергии.

Соответствие импеданса между комбайном и силовым кондиционером также повышает эффективность. Например, пьезоэлектрические комбайны имеют высокое выходное сопротивление; выпрямитель с совпадающим импедансом извлекает больше мощности. Некоторые ПМИК предлагают программируемое входное сопротивление для оптимизации этого.

Выбор беспроводного протокола

Чтобы минимизировать энергопотребление, выберите беспроводной протокол с низкими накладными расходами и коротким временем передачи. Bluetooth Low Energy (BLE) популярен для узлов датчиков малой дальности (<10 м) Он потребляет около 10 мкА во сне и 5-10 мА во время события передачи 2 мс. LoRa предлагает большой диапазон (несколько километров) при низких скоростях передачи данных и потребляет около 10 мА для передачи 100 мс. Zigbee и Thread - это протоколы сетки, которые маршрутизируют данные, но требуют более сложных радио-пробуждений. Рабочий цикл радио - как часто оно слушает входящие сообщения - должен быть тщательно настроен для баланса задержки и мощности.

Узлы сбора энергии должны быть в состоянии накапливать достаточно энергии для завершения передачи. Если хранилище истощено, передачи задерживаются до тех пор, пока не будет собрано достаточно энергии. Некоторые протоколы, такие как Apple HomeKit или Matter, менее подходят для сбора энергии, потому что они требуют частых сообщений с сохранением энергии. Собственные протоколы сверхнизкой мощности, такие как радиостандарт EnOcean, специально разработаны для датчиков с автономным питанием, с передачами менее 300 мкс.

Преимущества энергосбережения

Уборка энергии коренным образом меняет то, как беспроводные сенсорные сети проектируются и поддерживаются.

Расширенный срок службы датчиков.] Устраняя необходимость периодической замены батареи, датчики могут оставаться развернутыми в течение многих лет или десятилетий. Это особенно важно для датчиков мониторинга состояния конструкции, встроенных в бетон, сельскохозяйственных датчиков, расположенных на гектарах, или датчиков внутри герметичного оборудования. Без сбора энергии батарея ограничивает срок службы устройства до 1-3 лет.

Экономия затрат на протяжении жизненного цикла.] В то время как первоначальная стоимость комбайна и ИС управления питанием выше, чем у простой батареи, общая стоимость владения часто ниже при учете труда для изменения батареи, утилизации и простоя. Для больших развертываний (тысячи узлов) ручная замена батареи является логистически дорогостоящей и подверженной ошибкам. Узлы сбора энергии не требуют обслуживания после первоначального ввода в эксплуатацию.

Устойчивость. Использование энергии окружающей среды снижает нагрузку на окружающую среду одноразовых батарей. Миллиарды батарей используются в устройствах IoT каждый год; многие попадают на свалки. Уборка энергии уменьшает эти отходы. Кроме того, системы могут быть сделаны меньше и легче без большого отсека батареи.

Гибкость развертывания. Датчики могут быть размещены в труднодоступных или опасных местах, где замена батареи является рискованной или невозможной: высоковольтные линии, вращающиеся части, токсичные зоны хранения или подводные конструкции. Уборка энергии также позволяет модернизировать датчики в существующую инфраструктуру без проводки.

Масштабируемость. Самоподъемные датчики не требуют внешней энергосистемы; они могут быть развернуты в отдаленных районах и легко масштабированы. Это имеет решающее значение для крупномасштабного мониторинга окружающей среды или высокоточных сельскохозяйственных сетей, охватывающих тысячи квадратных километров.

Проблемы и будущие направления

Несмотря на свои обещания, сбор энергии для беспроводных датчиков сталкивается с рядом технических и экономических препятствий.

Перемежаемость и изменчивость.] Источники энергии окружающей среды редко постоянны. Солнечная энергия зависит от времени суток и погоды; вибрации зависят от работы машины; тепловые градиенты меняются с условиями процесса. Эта изменчивость требует тщательного проектирования хранения и управления мощностью, чтобы гарантировать работу в наихудшие периоды. Прогнозирование доступности энергии затруднено; некоторые системы включают прогнозирование энергии с использованием исторических данных и машинного обучения.

Низкая плотность мощности. Большинство источников окружающей среды обеспечивают ограниченную мощность. Например, свет в помещении дает только 10-100 мкВт/см2, а RF-сбор на 50 м от источника Wi-Fi дает <1 мкВт. Это ограничивает функциональность датчика - приложения с высокой скоростью передачи данных, такие как потоковое видео, невыполнимы. Датчик должен быть чрезвычайно маломощным и рабочим циклом. Достижения в микроконтроллерах сверхнизкой мощности (сна суб-мкВт, 1 мкВт на МГц) и новых радиоприемниках (приемники пробуждения, потребляющие <1 мкВт) расширяют пространство приложения.

Компонентная стоимость и интеграция. Уборка энергии добавляет затраты на сбор материалов (BOM): преобразователь (солнечная панель, TEG, пьезоконтилевер), PMIC, элемент хранения и часто дополнительные пассивные. Для потребительских приложений большого объема важен каждый доллар. Однако затраты снижаются с масштабом и улучшением производства. Интегрированные комбайны MEMS, которые сочетают преобразователь и управление мощностью на одном чипе, являются активной областью исследований.

Эффективность конверсии.] Даже при использовании современных материалов эффективность конверсии остается умеренной. Фотоэлектрические элементы теряют эффективность при слабом освещении; ТЭГ борются с малыми градиентами; пьезоэлектрические комбайны имеют узкую полосу пропускания. Исследования новых материалов (перовскиты для солнечных, графен для ТЭГ, многослойные пьезоэлектрические стеки) направлены на повышение эффективности. Кроме того, ИС сбора энергии продолжают улучшать свои низковольтные запуск и эффективность конверсии (теперь > 80% для многих преобразователей над 100 мкВт ввода).

Стандартизация и совместимость. В отличие от батарей, которые обеспечивают четко определенное напряжение и емкость, у сборщиков энергии есть различные выходные характеристики. В отрасли отсутствуют общие стандарты для интерфейсов сборщика-приемника. Инициативы с открытым исходным кодом, такие как Energy Harvesting Framework, направлены на обеспечение эталонной конструкции, но принятие медленно. Разработчики системы должны тщательно выбирать компоненты, которые работают вместе, увеличивая инженерные усилия.

Будущие исследования направлены на несколько рубежей. Гибридные системы, объединяющие несколько источников (солнечный + RF, вибрация + термический), оптимизируются с помощью интеллектуальной маршрутизации мощности. Знания с учетом энергии и вычислительные алгоритмы корректируют рабочий цикл датчика на основе текущей собранной мощности. Контекстно-осведомленные системы прогнозируют доступность энергии и адаптируют график передачи. Беспроводная передача мощности с использованием резонансных катушек может дополнять сбор окружающей среды для устройств в сложных местах.

Еще одним перспективным направлением является разработка полностью интегрированных решений «энергетически автономной» системы на чипе (SoC). Активной исследовательской целью является один чип, содержащий комбайн MEMS, управление питанием, сенсорный интерфейс, микроконтроллер и радио. Прототипы были продемонстрированы для сбора солнечной энергии и вибрации. По мере сокращения полупроводниковых процессов энергопотребление чипа продолжает падать, снижая необходимую собранную мощность.

Наконец, гибкая и печатная электроника позволяет использовать недорогие комбайны, которые могут быть интегрированы в упаковку или структурные поверхности. Печатные ТЭГ и органические фотоэлектрические материалы могут быть изготовлены на гибких подложках, открывая приложения в носимых устройствах и умной упаковке. Хотя эффективность преобразования ниже, чем кристаллический кремний, преимущества стоимости и форм-фактора являются убедительными для одноразовых или крупномасштабных развертываний.

Заключение

Технологии сбора энергии перешли от лабораторных любопытств к практическим источникам энергии для беспроводных датчиков малой мощности. Солнечные, вибрационные, тепловые и радиочастотные методы предлагают уникальные возможности, соответствующие конкретным средам. В сочетании с эффективным управлением мощностью, надлежащим хранением и электроникой сверхнизкой мощности эти комбайны позволяют сенсорным сетям работать бесконечно без батарей. Преимущества - увеличенный срок службы, более низкая стоимость жизненного цикла, устойчивость и гибкость развертывания - способствуют внедрению в интеллектуальных зданиях, промышленном IoT, точном сельском хозяйстве и мониторинге окружающей среды.

Проблемы остаются: изменчивость источников, низкая плотность мощности, сложность системы и стоимость. Текущие достижения в области материалов, конструирования схем и интеграции неуклонно преодолевают эти барьеры. Гибридные и адаптивные системы, алгоритмы, учитывающие энергию, и полностью интегрированные SoC будут раздвигать границы того, что возможно. Для инженеров и лиц, принимающих решения, сообщение ясно: сбор энергии является зрелым и жизнеспособным вариантом для многих приложений беспроводных датчиков сегодня, и его важность будет только расти по мере расширения IoT. С тщательным дизайном и реалистичными ожиданиями, энергоавтономные датчики могут обеспечить надежную, без обслуживания работу в течение многих лет, способствуя более разумной и более устойчивой среде. Те, кто заинтересован в более глубоких технических деталях, должны проконсультироваться с обзорные статьи по сбору энергии или примечания приложений, предоставляемые поставщиками полупроводников.