Düşük Güç Kablosuz Sensörler için Enerji Tasarruf Teknolojileri

Düşük güç kablosuz sensörler Nesnelerin İnterneti (IoT) temel bileşenler olarak ortaya çıktı. Bu cihazlar çevresel koşulları, varlıkları takip ediyor, tahmin edici bakım ve akıllı altyapıyı destekliyor. Ancak, bu kapasiteler batarya yaşamlarından sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık kısıtlanıyor.

Düşük güç elektronik ve enerji depolamanın evrimi, zayıf ortam kaynaklarından bile pratik hale getirdi. Modern mikrokontroller, transceivers ve güç yönetimi, tümleşik devreler sadece on ila yüzlerce mikrowattlıkta aktif işlem ve nanowatt hasat sırasında çalışır. Simultane, hasat eden efficiencieslar gelişmiştir. Photovoltaik hücreler artık standart koşullar altında 20-30 dönüşüme ulaşır, termoelektrik jeneratörleri verimli bir şekilde verimli bir şekilde depolama sistemleri ile maksimum enerji ayarlandığında yüksek performanslı sistemlerde maksimum düzeyde 5-10 verimlilik sağlar.

Enerji hasatında ilgi hızla büyüdü. IDTechEx'e göre, enerji hasat cihazları için pazar 2023 yılında 500 milyon dolar aştı ve EnOcean ve Powercast gibi şirketler, endüstriyel sağlık izleme, giyilebilir elektronik ve hassas tarım tedarik ederken, yarı iletken bir vaat değil; dünya çapında milyonlarca kablosuz kanalda dağıtılıyor.

Bu makale, düşük güç kablosuz sensörler için uygun temel enerji hasat yöntemlerini inceler, hasat edenleri gerçek sistemlere entegre etmek için tasarım gözlerini tartışır, avantajları ve kalan zorlukları açıklar ve gelecekteki araştırma yollarını işaret eder. Hedef, mühendisler ve proje yöneticileri için enerji hasatını değerlendirmektir.

Enerji Üretimi Teknolojileri Türleri

Her enerji hasat tekniği belirli bir ortam enerji kaynağı kullanır. Seçim ortamına bağlıdır, mevcut enerji yoğunluğuna ve sensör güç gereksinimlerine bağlıdır. Hiçbir tek yöntem evrensel olarak üstündür; başarılı sistemler genellikle çok sayıda hasatçıları güvenilirliği artırmak için birleştirir. Aşağıda en yaygın ve umut verici yaklaşımlar vardır.

Güneş Enerjisi

Fotovoltaic (PV) hücreler ışık fotonlarını elektrik akımına dönüştürürler. En olgun ve yaygın olarak kullanılan enerji hasatçıları, çevre kaynakları arasında en yüksek enerji yoğunluğu sunar. Doğrudan güneş ışığı altında, tipik bir küçük panel (50 mm × 50 mm) 100-300 mW - en düşük güç sensörlerinin gerektirdiğinden daha fazla.

Güneşli sensörler için anahtar düşünceler, hücrenin spektral yanıtını, kısmi gölgelemenin etkisini ve maksimum güç noktası izleme (MPPT) Modern PV hücreleri, özellikle de organik ışık seviyelerini elde etmek için optimize edilmiş bir disko veya organik fotovoltaikler içerir. Dışsal kullanım için, monokristal silikon hücreleri en yüksek verimliliği sunar.Inpass diyotlar ve doğru yönelimli kesinti kayıpları azaltır.

Enerji depolama önemlidir, çünkü ışık sürekli değildir. Sensörler karanlıkla çalışmalıdır. Aydınlatma sırasında şarj edilebilir bir batarya veya süper kapasitelayıcı şarj edilebilir bir işlem süresi veya bulutlu dönemler boyunca şarj edilebilir. Superkapors, her 15 dakikayı daha uzun bir şarj veya daha yüksek şarj / şarj oranlarına sahip 10 m iletim maliyeti düşük enerji yoğunluğundan tasarruf edebilir. Hybrid depolama - süper kapasiteci artı küçük batarya - ortak. Sistem ayrıca hasat çıkışı ve talep arasındaki boşluğu ele geçirmek için güç yönetimi içermelidir. Örneğin, 10 m transfer için her 15 dakika uyanan bir sensör, uyku aralığı ve deşarjı şarj edebilir.

Ticari güneş enerjisi toplama modülleri mevcuttur.TORT:0)EnOcean[[Dönetici: 1) ve diğer satıcılar, basit tasarım. Bu modüller PV hücreyi, depolama kapasitörünü ve güç yönetimini kompakt bir pakette birleştirir.

Titreşimli Enerji Üreten

Makine, araç, insan hareketi veya yapılardan gelen mekanik titreşimler, üç birincil transdüksiyon mekanizmalarını kullanarak elektrike dönüştürülebilir: pastazoelektrik, elektromanyetik ve elektrostatik. Titreşim hasatçılar özellikle motorların, pompaların ve konveyörlerin sürekli osilasyonlar ürettiği endüstriyel ortamlarda caziptir.

Piezoelektrik hasatçılar bir pastazoelektrik materyali (örneğin, liderlik zirkonat titanate veya polivinylidene fluoride) mekanik olarak gerginleşir. Tipik bir tasarım, baskılı bir titreşim frekansıyla sabit bir ayarlandığında.

Elektromanyetikler Faraday yasasında çalışır: bir bant manyetik alana göre hareket eder. Bu cihazlar düşük frekanslarda (<100 Hz) ısıtılır (<100 Hz). Mekanik olarak sağlamdır ve özel bir malzeme gerektirmez, ancak hareketli parçalar zamanla aşınmaya neden olabilir.

Estatik hasatçılar değişken kapasitörler kullanır. Bir ön şarj cihazı mekanik olarak bilgilendirilir, depolama cihazına şarj edilebilir ve şarj edebilir. MEMS süreçleri kullanılarak, onları küçük ve kullanılabilir hale getirebilirler. ancak, çıkış gücü daha düşük (mikrowatt) ve genellikle bir ilk şarj kaynağı gerektirir.

Gerçek dünya performansı vibrasyon profiline bağlıdır. Bir fabrika ortamında, vibrasyon frekansları, enerjiyi daha geniş bir frekans aralığında tutan bir tampon veya lineer yapıların yer almasının yanı sıra, enerji depolamasının da gerekli olduğu sonucuna varır.

Termal Enerji Enerjinin Enerjisi

Termoelektrik jeneratörleri (TEG), Seebeck etkisini kullanarak sıcaklık farklılıklarından elektrik üretir. A TEG modülü birçok p- ve n tipi yarı iletken termo çiftleri paralel olarak seri ve termal olarak birbirine bağlı olarak birbirine bağlı olarak.Bir taraf ısıtılırken, bir gerilim ısı gradient için orantılı olarak geliştirir.

Düşük güç sensörleri için, TEG'ler, tutarlı bir termal gradient var olduğunda en etkilidir: bir fabrikada sıcak bir boru, havaya karşı sıcak bir motor bloğu veya jeotermal ısı kaynağı. Hatta vücut ısısı, bir × 30 mm'ye kadar ısı sıcaklığı yeterince serinleyebilir. 1 °C gradyan, güç 1 °C'ye düşer ve 0,5 °C'nin altında bir ticari TEG modülü (örneğin, 30 mm) sertleşir.

Verimlilik, termoelektrik değeri ile sınırlıdır, ZT. Bismuth Telluride alaşımları ZT ~1 yakın oda sıcaklığına sahiptir, 20 °C gradient. Yeni malzemeler, soğuk tarafta iyi bir ısıtmalıdır ve nanoyapılı kompozitler de ısıtılır.

TEG'ler düşük gerilim (yüzeyler için), sensörlerin (1.8-3.6 V) derecelendirildiği zaman, LTC3108 gibi ABD'li enerji hasatlarının 20 mV. Enerji depolama (kapı veya batarya) geçişleri ile başlaması için bir güç dahil olmak üzere düşük gerilimler ile başlar.

Radyo Frekans Enerjinin Yeniden Üretilmesi

RF enerji toplama, Wi-Fi yönlendiricilerinden elektromanyetik dalgalar, hücresel kuleler, yayın radyosu veya özel vericiler.Retenna (antenna artı reaktif) RF gücü DC'ye dönüştürür, Ambient RF güç kesintileri genellikle çok düşük -mkrowattlar kentsel ortamlardaki kareler için. Örneğin, 10 m mesafedeki tipik bir Wi-Fi sinyali yaklaşık 0.1-1 μW. Bu tür seviyeleri sürekli sensör işlemi için yetersizdir.

Özel RF güç kaynakları güvenilirliği geliştirir. Bir depoda varlık takipleri gibi uygulamalarda, bir verici, 915 MHz veya 2.45 GHz'de sürekli bir dalga yayınlayabilir ve sensör retenna yeterince güç verir (örneğin mikrowattlar birkaç miliwatt) Powercast'ın verici ve alıcı kitleri gibi sistemler etkili bir izotropik enerji ile 6 mW'ye kadar uzanır.

RF hasat çekicidir, çünkü çevresel enerjiye bağlı değildir - talep üzerine geri dönüştürülebilir. Bu, Schottky diyotları veya CMOS tabanlı bir redüksiyon verimliliğine sahip olmak için uygun bir şekilde yapılır. ek olarak, düşük giriş güçlerinde iyi bir RF-DC dönüşümü verimliliği sağlar - 20 dBm girişi Schottky diyotları veya CMOS tabanlı reaktifleri kullanarak 10-30 civarındadır.

Diğer Kaynaklar

Küçük ölçeklerde rüzgar enerjisi mikro-turbin veya flutter bazlı jeneratörler kullanıyor. Bir mikro-turbine bir rotor çapında 5 cm ile birlikte 1-10 mW ışıklı bir ışık ışığı (3 m/s) Bu cihazlar, maruz kalan yerlerdeki dışsal sensörler için uygundur.

Hibrit sistemler enerji kullanılabilirliğini artırmak için birden çok hasat birleştirir. Örneğin, bir güneş ve titreşim hasatçı hem gün hem de gece çalışan bir düğümü yönetebilir, yakın makineler. Hybrid design improve complex but also improve the power management circuit must accept inputs from multiple sources, prioritye the strong, and Comb or switch between them. Some ICs, such as ADP5092 from Analog devices, support multi-source input.

Sistem Tasarımı

Bir enerji toplayıcısını kablosuz bir sensöre entegre etmek, sadece bir transducer seçmekten daha fazlasını gerektirir. Tüm güç zinciri –harvester, güçlendirme, depolama ve yük – birlikte optimize edilemez.

Güç Yönetimi ve Enerji Depolama

Çeşitli gerilim ve mevcut olan hammaddeleri çiğ güç verir. Bir güç yönetimi IC (PMIC) bunu stabil bir seviyeye (örneğin, 3.3 V) birçok PMICs, aşırı düşük giriş gerilimlerinden (Hükücre için 20 mV) işlem başlatarak, fotovoltaik kaynakları artırmak ve bunun derin deşarjdan depolama elementini korumak için MPPT sağlar.

Enerji depolama köprüleri, geçici hasat ve sürekli talep arasındaki boşlukları köprüler. Superkapors yüksek güç patlaması ve uzun döngü ömrü (500,000+ döngüsü) Piller, özellikle de lityum-iyon veya lityum-polimer, daha uzun bir enerji yoğunluğu sunmak için sınırlı bir yaşam (300-1000 döngüsü) için, dağıtım sitesi için bir batarya kullanarak bir birincil depolama için çok sayıda sensör ağı gerekir.

Paraletar'ı Yükletmek için

Enerji toplama sistemleri yükün gücü profiline uymalıdır. Çoğu kablosuz sensörler çok düşük bir görev döngüsüne sahiptir: mikroamperlerde uyumak ve periyodik olarak anlamlı olmak, hesaplamak ve iletmek (pulsed load of miliamperes). hasat cihazı uyku sırasında depolama elemanının maliyeti ve depolama elemanının gücü uzun vadede yükleyebilmesi gerekir; aksi takdirde, depolama kesintiye uğrayacaktır.

hasat ve güç durumu arasında eşleme de verimlilik geliştirir. Örneğin, pastazoelektrik hasatçıların yüksek bir çıkış hatası vardır; eşleştirilmiş empresyon ekstraları daha fazla güç sunar. SomeplasCs bunu optimize etmek için programlanabilir giriş sunar.

Kablosuz Protokol Seçici

Güç tüketimini en aza indirmek için, düşük havaliman ve kısa bir iletiyi seçin. Bluetooth Low Energy (lt) kısa menzil için popülerdir (<10 m) sensör düğümleri. Yaklaşık 10 μA'yı uykuda ve 5-10 mA'yı 2 m ilettir.LoRa, gelen mesajların görevlerine ilişkin uzun zaman verir ve yaklaşık 10 mA'yı 100 ms aktarma için ayarlamalıdır. Zigbee ve ağ protokolleridir.

Enerji toplama düğümleri, bir iletim tamamlamak için yeterli enerji biriktirebilmeli. Depolama tükeniyorsa, iletimler yeterince enerji toplandığından kadar gecikir. Bazı protokoller Apple'ın EvKit veya Maddesi gibi, sık sık tutmalı mesajlar gerektirir.

Enerjinin Avantajları

Enerji temel olarak kablosuz sensör ağlarının nasıl tasarlandığı ve muhafaza edildiğine değişiklikler yapar.

[[Düzücü sensör ömrü[Dönetici:0)Dörtücük batarya değişimi için gerekli olan ihtiyaçları ortadan kaldırmak için, sensörler yıllarca veya on yıllar boyunca dağıtılabilir. Bu özellikle beton, tarımsal sensörler üzerinde gömülü olan yapısal sağlık izleme sensörleri için kritik, veya kapalı ekipman içinde sensörler için kritiktir.

[FONT:0]Yaşam döngüsü üzerindeki en yüksek tasarruflar.[DÜDÜT:1] Bir hasat ve güç yönetimi IC'nin ilk maliyeti basit bir bataryadan daha yüksektir, toplam mülkiyet maliyeti genellikle batarya değişiklikleri için, tasarruf ve kesinti süresi için iş için daha düşüktür.

[FONT:0]Sustainability.[[Dönetici enerji kullanılarak, her yıl IoT cihazlarında kullanılan alüminyumların çevresel yükünü azaltır; arazi dolumlarında birçok son derece azalır.

[FONT:0)İşletme esnekliği[Döneticiler, batarya yedeklerinin riskli veya imkansız olduğu sert erişim veya tehlikeli yerlere yerleştirilebilirler: yüksek gerilim hatları, dönen parçalar, toksik depolama alanları veya alt deniz yapıları.

[FONT:0]Scalability.[[Dönetici:0) Kendi güçlü sensörler dış bir güç ızgara gerektirmez; uzak alanlarda konuşlandırılabilir ve kolayca ölçeklenebilir. Bu, binlerce kilometre kapsayan büyük ölçekli çevresel izleme veya hassas tarım ağları için çok önemlidir.

Meydanlar ve Gelecek Yollar

Onun sözüne rağmen, kablosuz sensörler için enerji hasat birkaç teknik ve ekonomik engelle karşı karşıyadır.

[FONT:0]Staj ve değişkenlik.[[Dönetici:0) Orta enerji kaynakları nadiren sabittir. Güneş enerjisi, günlük ve hava durumunu kullanarak enerji tahminine bağlıdır; titreşimler makine çalışmasına bağlıdır; termal gradientler süreç koşulları ile değiştirir. Bu değişkenlik, depolama ve güç yönetiminin en kötü süreler üzerinde operasyon garanti etmesini garanti etmek için dikkatli bir şekilde tasarım gerektirir; bazı sistemler tarihsel verileri ve öğrenme makinelerini kullanarak enerji tahmin eder.

Low güç yoğunluğu. Çoğu ortam kaynakları, sensörün işlevselliğini kısıtlar - video akışı mümkün değildir. sensör aşırı düşük güç ve görev döngüsünde 50 m'lik bir mikro kontrol cihazına sahiptir. <1 μW. Bu, sensör için 1 μW'ye sahiptir - yüksek çözünürlükte bulunan uygulamalar mümkün değildir.

[FONT:0]Component maliyet ve entegrasyon.[DÜDÜDÜDÜDÜSTRİYE BOM) maliyeti: Transducer (olar paneli, TEG, pastazo cantilever), BTCC, depolama elemanı ve sık sık sık sık sık ek pasifler için, her şey önemlidir. ancak, maliyetler ölçek ve üretim ile azalır.

[FONT:0]Efficiency of conversion.[DÜT:1] Modern malzemelerle bile dönüşüm efficileri düşük ışıkta verimlilik kaybeder; TEG'ler küçük yüksek gerilimler ile mücadele eder; pastazoelektrik hasatçılar, 100 μWμ üzerindeki birçok güneş girişi için dönüştürücüye kadar araştırma yapar.

[FONT:0)Standartizasyon ve Interoperability Farklı bataryalar, iyi tanımlanmış bir gerilim ve kapasite sağlayan, enerji toplayıcıları çeşitli çıktı özelliklerine sahiptir. Endüstri, hasat arabirimleri için ortak standartlardan yoksundur.

Future araştırma birkaç sınırda yönlendirilir. Hybrid sistemler birden çok kaynağı birleştirir (solar+RF, vibrasyon+termal), akıllı güç routing ile optimize edilir. Enerji-aware algılama ve hesaplama algoritmaları, mevcut hasat edilen güç durumuna göre algılanır. Context-aware sistemleri, enerji kullanılabilirliğini tahmin eder ve iletim programını adapte edebilir.

Bir başka umut verici yön, tamamen entegre “enerjik” sistem-on-a-çip (SoC) çözümlerinin geliştirilmesidir. Bir MEMS hasatçı, güç yönetimi, sensör arayüzü, mikro kontroller ve radyo aktif bir araştırma hedefidir. Prototipler, yarı iletken süreçler için göstermiştir, çipin gücü tüketimi düşmeye devam eder, elde edilen gücü azaltılır.

Son olarak, esnek ve basılı elektronik, ambalaj veya yapısal yüzeylere entegre edilebilir düşük maliyetli hasatlara olanak sağlar.Basta TEG ve organik fotovoltaikler esnek substratlar üzerinde üretilebilir, giyilebilir ve akıllı ambalajlarda uygulama açmak. dönüşüm verimliliği kristal silikondan daha düşük olsa da, maliyet ve form faktörü avantajları tek kullanımlık veya büyük dağıtımlar için zorlayıcı.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Enerji üretimi teknolojileri laboratuar eğriliğinden düşük güç kablosuz sensörler için pratik güç kaynaklarına taşındı. Güneş, vibrasyonel, termal ve RF yöntemleri her biri özel ortamlara eşleştirilmiş olarak, endüstriyel IoT, hassas tarım ve çevresel izleme ile bir araya geldiğinde, hassas tarım.

Zorluklar kalır: kaynak değişkenliği, düşük güç yoğunluğu, sistem karmaşıklığı ve maliyet.Derste malzemeler, devre tasarımı ve entegrasyon bu engelleri sürekli aşmaktadır. Hybrid ve adaptive systems, enerji-aware algoritmaları ve tam entegre SoCs, mühendisler ve karar vericiler için, mesaj açıktır: enerji hasatı bugün birçok kablosuz sensör uygulamaları için olgun ve uygulanabilir bir seçenektir.