Kendi kendini kınayan Mechatronic Systems
Mechatronic cihazlar uzun süredir telli güce veya değiştirilebilir bataryalara bağımlıdır, ancak bu kısıtlamalar tekrarlanan maliyetler, bakım yükleri ve çevresel atıkları ortaya koyar. Enerji toplayıcı sensörleri, ışık, ısı, hareket veya elektromanyetik dalgalar kendi güç algılamasına, işlemeye ve kablosuz iletişime bağlı olarak, binlerce sensör düğümündeki batarya yedeklerini yılda milyonlarca dolar tasarruf edebilir.
Bir hasatlı sensör nodesinin tasarlanması sıkı bir şekilde entegre edilmiş bir mechatronic yaklaşımı gerektirir. Bu makale, bir sıcaklık sensörüne fotovoltaik bir hücre eklemek değildir. Tüm elektromekanik sistem, bir sistem tarafından optimize edilmesi gereken, böylece enerji her zaman tüketime ulaşır, en kötü ortam koşulları için muhasebe.Bu makale, çevreye hızlı bir şekilde yön veren bir teknoloji, ambalajlar temel hasat sistemi, bir tasarım metodolojisi ile yürümek ve gerçek-dünya uygulamaları - tüm önemli ölçüde ortaya çıkarırken, tüm bu durumu hızla ilerletir ve bu hızla ilerletir.
Ambient Energy Sources ve Özellikleri
Enerji üretimi, çevre gücünün biziz elektriklere dönüştürülmesine bağlıdır. Mevcut kaynaklar güç yoğunluğunda, zamansal erişilebilirlik ve form faktöründe farklıdır. Doğru hasatçıyı seçmek, dağıtım ortamının sayısal karakterizasyonuyla başlar - vibrasyon amplitüdünü ve frekansı, ışık yoğunluğunu tipik bir gün, termal gradientler üzerinde ölçmek veya RF ⁇ gücüdür. Aşağıda, temel enerji modalleri vardır.
Güneş Enerjisi
Fotovoltaic (PV) hücreler en olgun hasat teknolojisidir. Açık ve kapalı ışık kalitesi çok farklı bir güç kesintileri. Doğrudan güneş ışığında, kristal silikon hücreleri genellikle düşük ışık ve diffüz koşullar altında performans gösterirken, yüksek verimli multi-junksiyon hücreleri, fabrika zeminlerinde veya bina otomasyonlarında gömülü sensörler için ayrılmış, morfize hücreler genellikle tercih edilir, çünkü düşük ışık ve diferansiyel koşullar altında iyi performans gösterir.
Kurulum açısı, gölgeleme ve toz birikimi dramatik bir şekilde çıktı. Tasarımcılar% 90'ın üzerinde maksimum güç noktası izleme (MPPT) Sürekli olarak maksimum enerji tasarrufuna sahip olan elektrik yükü en düşük maliyetle ayarlayabilecek şekilde entegre edilmiş devreler için, optimize edilmiş grupgaps gibi, LTC3105[Döneticileri) LTC3105) , mikro-ilişlemler ve LED aydınlatma teknikleri altında verimlilik artırmak.
Titreşim ve Kinetik Enerji
Makine titreşimi, insan hareketi ve yapısal osilasyonlar, lazoelektrik, elektromanyetik, elektrostatik veya triboelektrik mekanizmaları tarafından transiste edilebilir mekanik enerji taşır. Piezoelektrik hasatçılar - kurşun zirkontucu gibi malzemeler kullanarak, endüstriyel frekanslarda yüzlerce mikrowatttan üretebilir veya polivinyli flore flore (PVDF) - yüksek güç yoğunluğuna karşı hassas hacimler kullanılarak elde edilir.
Elektromanyetikler, Faraday'ın indüksiyon yasasına güveniyor: tek bir rezonansın ötesinde bir mıknatıs salaktır ([Dönetici:0)Doğal Haberleşme[Dönder: 1) Geniş bantlı titreşimler için, nonlineer resonance teknikleri ve mekanik frekanslar tek bir rezonansın ötesinde etkili bant genişliğine kabul edilir. Ek olarak, mikroelectromechanical sistemlerinin (MEMS) dizileri (MEMS) pastazoelektrik hasat makineleri, dağıtılan algılama ağları için geliştirilir.
Termal Enerji Enerjinin Enerjisi
Termoelektrik jeneratörleri (TEGs), Seebeck etkisine dayanan bir sıcaklık farkının bir kaç milisli döngü sensörün değerlendirilmesi için yeterli miktarda sıvı kaplama cihazının eklediği ısıtılması için kullanılan yüksek çözünürlükte kullanılan yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunan yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunan yüksek çözünürlükte bulunan yüksek çözünürlükte bulunan yüksek çözünürlükte bulunan yüksek çözünürlükte bulunan yüksek çözünürlükte bulunan yüksek çözünürlükte bulunan yüksek çözünürlükte bulunan yüksek çözünürlükte bulunan yüksek çözünürlükte bulunan yüksek çözünürlükte bulunan yüksek çözünürlükte bulunan bir ölçümde kullanılan ısıtılır.
Radyo Frekansı (RF) Enerjinin
Wi-Fi, hücresel ve yayın kuleleri pervasktur, ancak güç seviyeleri son derece düşük - nadiren vericiler için yararlı enerji sağlar. Rectenna (gerekli anten) devreleri ve akıllı binalara dönüştürür, ancak GSM-band ve genişleyen retennaslar için daha fazla şarj edilebilir.
SistemLevel Design: Transducer'den Data Packet
Kendi güçlü bir mechatronic sensörü kurmak çok domain mühendisliği meydan okumasıdır. hasat transducer sadece güçlenme, enerji depolama, yük yönetimi, algılama, işleme ve kablosuz iletişim içeren bir zincirde ilk bağlantıdır.Bir disiplin tasarım iş akışı, güvenilir operasyon ve kahverengi-out başarısızlıklarına karşı koruma sağlar.
1. Enerji Bütçeleme ve Yük Profilleme
Tasarım ayrıntılı bir enerji bütçesi ile başlamalıdır, her sistem çalışmasını listelemek (sensor hot-up, analog-dijik dönüşüm, mikrokontroller bir Bluetooth Low Enerji (sol) ile birlikte (örneğin, tipik bir çevresel sensör 3 dakika sürebilir: $ 10 mA sensör satın alma sırasında 5 μA'yı çizebilir (iki m) ve 25 ms) İletimi (sol) İletimi (belir) İle birlikte, her 5 dakika boyunca, ortalama güç tüketimi hesaplanabilir:
[FONT=0)[DÜŞÜŞÜNÜye: {0}[Üye Olmayanlar[Üyeler)[Üyeler)[Üyeler) × s[DÜyeler)[Üyeler)[Üyeler) × sûreler[Üyeler)
hasat edilen ortalama güç, bu değeri yeterli marjla aşmalıdır. Bu profilleme genellikle radyonun baskın tüketici olduğunu, enerji verimli protokollerine ve agresif uyku zamanlamasına ihtiyacı olduğunu ortaya koyar. Birçok tasarım, 1 mW ortalama gücü altında çalışır, kompakt vibrasyonel veya kapalı güneş toplayıcıları ve simülasyon ortamları gibi araçları sağlar (örneğin, açık kaynaklı enerji modelleme çerçeveleri) karmaşık sistemler için bu analizin parçalarını otomatikleştirebilir.
2. Güç durumu ve maksimum Power Point İzleme
Atıklar genellikle düşük gerilim ve dalgalanıyor. Yüksek verimli bir güçlendiricisi veya bir tamponad dönüştürücü, stabil bir tedarik gerilimi (e.g.3 V) gibi stabilize edilebilir bir şekilde, dönüştürücü, yüksek çözünürlükte bir şarj cihazını kullanarak, otomatikleştirilmiş enerji toplayıcısı ve otomatik olarak otomatik olarak şarj cihazı ile otomatik olarak şarj edilebilir.
3. Enerji Depolama Seçiciliği
Çevre enerjisi geçicidir, depolama elementleri yük talebini azaltır ve sınırlı döngüler (EDLCs) neredeyse sınırsız döngü yaşamı ve yüksek enerji yoğunluğu, balometrik hızları ele almak için ideal, böylece batarya ömrünü uzatmak için. İnce film-enerji bataryaları, yüksek enerji yoğunlukları sağlayarak daha yüksek enerji aralıkları sağlar.
4. Mikrokontroller ve Sensör Güç Yönetimi
Ultradlow mikrokontroller (MCUs) enerji harcama düğümleri kalbidir. ARM Cortex-M0+ ve RISCV temelli MCUs şimdi 1 μA'nın altında uyku akımları sunar ve kısa sürede işletim sistemleri tespit edilene kadar sistemin geri kalanını da tutabilir.
Yüksek Verimlilik için Gelişen Malzemeler ve Transducers
Daha büyük enerji yoğunluğu ve esnekliğin peşinde, malzemeler bilimi alanında atılımlar sürüyor. Bu gelişmeler araştırma prototipleri ve ticari mechatronic ürünleri arasındaki boşluğu kısayor.
[FONT:0]Flexible Organic and Perovskite Photovoltaics: Organik PV ve perovskite güneş hücreleri, drone kanatları veya robot konutları gibi esnek yüzeylerde baskılanabilir. Perovskite Photovoltaics: (% 25'in üzerinde etkililiğe ulaştı, silikonu rakipler, düşük ışık performansına sahipken, 100 g /m2'den daha az ağırlıkta test edilebilir.
[FONT:0) Tek-Crystal Piezoelektrikler ve Metamalzemeler: PMN-PT gibi rahatlanmış tek kristaller, geleneksel PZT'den 10 kat daha yüksek performans gösterir, küçük ve daha hassas olan hasatçılara odaklanabilir. Metamalzeme yapıları, geniş bantlı makinelerde daha dar bant genişliğine sahip olduğundan daha yoğun bir şekilde yüksek çözünürlükte bulunan küçük bir jiyonel kontrol için tasarlanmıştır.
[[Düzücüler:0)Zizpeli Triboelektrik ve Hibrit Nanojeneratörleri: Vücutta mechatronics, tekstil destekli triboelektrik jeneratörleri, kol hızlarında veya ayak grevlerinden enerji üretebilir. Hybrid cihazlar aynı anda birden fazla hareket modları yakalar.
Mechatronic Platformlara Entegrasyon
Enerji hasat makineleri, araçlar veya altyapı, hasatın ötesinde uzatılan mekanik, elektrik ve güvenlik sorunlarının fiziksel entegrasyonu, sualtı performansı olmadan titreşim amplifikasyonu, termal şok, toz ve nezminasyonunu azaltmalıdır.Çalış ve kontraseptif kaplama ile çelik, elektrik ve güvenlik sorunları için.
Elektromanyetik uyumluluk (EMC) ayrıca dikkati hak eder. Anahtarlama dönüştürücüler gürültüyü hassas analog sensör devrelerine enjekte edebilir; enerji tasarrufu düğümleri için kılavuzluk içeren basit bir sistem yapısına sahip olmak önemlidir. Haberleşme protokolleri BLE 5.0 gibi, LoRaWAN ve NBI-oT, kontrolde toplam sistem gücü ile daha fazla tasarlanmıştır.
Uygulamaların Araba Kabuli
Kendi güçlü mechatronic sensörleri, yüksek hacimli dağıtımlara karşı kanıtların ötesine geçiyor. Aşağıda değer önermesinin en güçlü olduğu temsil uygulamalardır.
Endüstri 4.0'da Öngörücü Bakım
Fabrika motorları, pompalar ve kompresörler, titreşim, sıcaklık ve akustiklar üretime son vermeden önce başarısızlıkları tahmin etmek için izlenirler. binlerce makinede çalışan sensörler, bu tür sistemleri dağıtmadan önce beklenmedik bir şekilde% 40 azaltımı sağlar. Gelişmiş analitik platformları şimdi 50 mg titreşimleri üretmek için 300 μW üretmek, hızlı bir şekilde kontrol etmek için güvenli bir şekilde ayarlayıcı bir şekilde ayarlayıcı.
İnşaat Altyapısının Yapısal Sağlık İzlemesi
Köprüler, barajlar ve rüzgar türbinleri güvenlik ve bakım için uzun vadeli izleme talep ediyor.Bir kilometre boyunca güç kabloları pahalı ve hava kirliliğine karşı savunmasız. Piezoelektrik yamaları, çok gelişmiş enerji enerji güçlerinden kaynaklanan titreşimlere karşı enerji tasarrufu sağlıyor. Rüzgar türbinlerinde, LoRaWAN aracılığıyla gelen teleskopları bükmek için zemine doğru sürüklenmek için pompalanan enerji dinamikleri ve sabit bir şekilde ısıtmak için pompalayabilir.
Beable Mechatronics ve Sağlık
Exoskeletonlar, akıllı prosthetics ve fitness monitörleri, büyük ve kullanıcı uyumunu azaltmak için kendi güçlerinden yararlanır. Termoelektrikkkkbandlar vücut ısısını artırır; tek kristal toplayıcılar protez eklemleri, gevrekli bir enerji haptik geri bildirime dönüştürür ve ortak bir açıdan şarj edilebilir bir şekilde şarj edilebilir.Bu vücut ısısını birleştirir ve sürekli olarak optimize eder ve bu hastayı sürekli olarak optimize eder.
Akıllı Tarım ve Çevre İzleme
Soil ne sensörleri, hava istasyonları ve büyük alanlarda yerleştirilen hayvan parçaları telsiz olamaz ve kaynakları azaltırken verimleri artırmak için pahalıya mal olur. Küçük bir lityum iyon bataryası, düğümleri bulutlu haftalarda bile canlı tutar. hassas tarımda, enerji tasarrufu istasyonları, uzaktan sualtında veya ormanlar, yüksek enerji ayak izlerini ölçen düğümleri ölçen enerji ayak izlerinin üzerindeki uzatılması için yüksek enerji ayak izlerinin arttırılmasına olanak sağlar.
Test, Geçerlilik ve Güvenilirlik Standartları
Bir ürünün ömrünün üzerindeki güvenilir işlem, gerçek dünya enerji profillerini çoğaltmak, sadece kontrollü laboratuvar koşullarını sağlamak için, ortak bir uygulama, hedef ortamda enerji nötritesini kaydetmek ve onları titrek masalara veya güneş simülatörüne geri getirmektir.
Hızlandırılmış yaşam testleri, sualtı ekipmanı için yaygın olarak kabul edilen çevresel test yöntemleri, pastatik elementlerin ve ilkbahar malzemesinin yorulması kritiktir; Fiber takviyeli polimerler bazen standart olmayan enerji binalarının altında tutulması için standartlaştırılmıştır.
Scalability, Cost, and Manufacturing Thinkations
Prototipden toplu üretime geçmek, maliyet, tekrarlanabilirlik ve montaj kolaylığı gerektirir. MEMS pastazoelektrik hasatçıları, sistem bütünleyicileri tarafından onaylanmış olan 3 V veya 5 V demiryolu satıcısı şimdi, ortak transdüserleri ile çiftleştirin, kısa gelişim döngülerinin önemli ölçüde azaltıldığı referans tasarımları sunar.
Ekonomi, toplam mülk maliyeti dikkate alındığında caziptir. $ 5 bataryasını 10 yıllık operasyonel bir yaşam üzerinde ortadan kaldıran 5 adet titreşim hasat modülü, belirli bir güç aralıklarında 150 $ maliyetle, küçük ve orta işletmelerde yatırıma giriş engellerin daha düşük olması. Esnek enerji dönüşüm çipleri hacminde 1 $ 'ın altında düşüşe yol açıyor, satın alınan eğim, endüstriyel IoT'de tamamen yenilenen enerji kaynakları ile birlikte baskılanmış enerji kaynakları birleştiriliyor.
Yol Ahead: AI-Enhanced Energy Management ve Multi-Kaynak Fusion
Gelecekteki benlikli mechatronic sistemleri, enerji yetersizliğini öngörmek ve sensör davranışını tahmin etmek için yapay zekadan yararlanacaktır. Mikrokontroller günlük ışık desenlerini veya makine görev döngülerini öğrenen hafif bir sinir ağı çalıştırabilir ve enerji bolluğu sırasında yüksek enerji tasarrufu elde edebilir.
PV, termal ve vibasyon girişlerini tek bir çip üzerinde birleştiren çok kaynak hasatçılar araştırma laboratuvarlarından hareket ederler. Paylaşma gücü sistemleri akıllı kaynak çoklulama ile daha büyük toplam hasat edilmiş güç sunabilir ve tam güç kaybı riskini azaltır. Tüm enerji depolamasını sağlam bir mikro-devlet mikro-konuşturucuları veya yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte kullanarak teşvik eder.
Özetle, enerji üretme sensörlerini kendi güçlü mechatronic uygulamaları için geliştirir, tek bir batarya değişikliği olmadan onlarca yıldır faaliyet gösteren disiplinler arası bir çabadır ve düşük güç elektronikleri ve sağlam mekanik tasarım. Dikkatli enerji bütçeleme, iyi güç yönetimi ve uygun teknoloji seçimi ile, sensör düğümlerinin kurulabileceği ve unutulabileceği bir döneme gireriz, güvenilirlik, ve operasyonel verimlilikte elde edilen kazanımlar her sektöre güvenen her türlü akıllı makine ve altyapıya bağlanır.