A captação de energia pode permitir 1 trilhão de sensores sem bateria na IoT

Os dispositivos de detecção de IoT sem fio podem ser colocados em, dentro ou perto de pessoas, equipamentos, infraestrutura e nosso ambiente. Isso nos dá novas ferramentas para enfrentar os desafios mais urgentes do mundo do século 21:das mudanças climáticas à garantia de energia limpa, alimentos seguros e, acima de tudo, cuidar da saúde e do bem-estar de uma população em envelhecimento. No entanto, para conseguir isso, precisamos abordar a lacuna de 'alimentar a IoT'. Ou seja, as soluções precisam funcionar com baterias que sobrevivem aos dispositivos de IoT que alimentam.

Este artigo explora a contribuição crítica que as soluções alimentadas por colheita de energia (EH) podem fornecer para a IoT. Dos trilhões de sensores que podem ser implantados nos próximos anos, uma maioria significativa será da variedade sem fio de ultrabaixa potência (ULP). Esses também são os melhores candidatos para EH, que podem complementar a energia externa ou servir como fontes de energia independentes.

A abordagem que adotamos para alimentar a IoT é fundamental para permitir tantas das tecnologias que mudam nosso mundo todos os dias. Por exemplo, veículos conectados e autônomos (CAV), serão dependentes de sensores confiáveis ​​e onipresentes com conectividade de alta e baixa largura de banda, o que requer maior densidade de energia e redução de peso - duas coisas que o sensor sem fio autoalimentado suporte de redes.

Custo

Um grande valor agregado do EH é fornecer/complementar a energia do sistema no ponto de consumo, capturando a energia ambiente no ambiente operacional. A justificativa e o sucesso das implementações de EH, principalmente em termos de custo total de propriedade, são altamente dependentes do método de cálculo do retorno. Por exemplo, adicionar US$ 3 a US$ 5 a uma lista de materiais do sistema para recursos de EH pode parecer loucura ao compará-la a uma célula de moeda descartável que custa aproximadamente US$ 0,25 em volume. Mesmo negligenciando os fatores ambientais e de sustentabilidade, há muito a se considerar na análise financeira. Se essa bateria precisar ser substituída, os custos de mão-de-obra/logística de acesso por si só podem obliterar a economia da célula de moeda em ordens de magnitude - Deus me livre se essa bateria estiver em um ambiente hostil e/ou inacessível, como uma parede de concreto, teto alto, corpo humano ou poço de petróleo profundo.

Energia Ambiente

EH envolve o uso de energias ambientais disponíveis – calor, vibrações, luz – para fontes de energia. Há um ponto ideal, de cerca de um microwatt a algumas centenas de microwatts, onde há o “duplo impacto” de uma drenagem significativamente menor na fonte de energia existente e maior viabilidade para o uso de energias ambientais de colheitadeiras de tamanho razoável. Isso pode aumentar significativamente a vida útil da bateria, em alguns casos até levando a uma autonomia total de energia. (Isso é discutido em uma publicação recente da UE e ilustrado na Figura 1. ⁱ )

Um dos principais desafios impulsionados pela integração de EH no projeto do sistema é lidar com fontes de energia que podem ser bastante esporádicas por natureza. Eles precisam de dispositivos/circuitos de armazenamento de energia e gerenciamento de energia para capturar a energia e disponibilizá-la para uso posterior. Não apenas existem esforços de engenharia exclusivos que devem ser feitos para lidar com a extração de energia da eliminação do ambiente, mas muitas dessas necessidades podem ser diferentes para cada método de EH. Em outras palavras, a captura de energia bruta do transdutor EH e as necessidades de conversão/gestão/regulação de energia são diferentes para energia fotovoltaica (PV) do que para geradores termoelétricos (TEG) ou colheita vibracional. Mesmo alimentando diferentes tipos de células fotovoltaicas, pode variar muito com base na tecnologia. A abordagem geral tende a ser orientada pela natureza da energia bruta colhida, seja DC (PV, TEG) ou AC (vibracional, triboelétrica, RF).

As células fotovoltaicas convertem diretamente a energia luminosa do sol e/ou de fontes artificiais, enquanto um TEG extrai energia de um diferencial de temperatura para gerar energia elétrica. As fontes vibracionais (eletrodinâmicas ou piezoelétricas) e triboelétricas são derivadas do movimento físico. A captura de RF normalmente envolve o uso de uma antena retificadora (retena) e rede de balanceamento e, em seguida, como é comum, alimentando-a em um bloco de conversão DC/DC.

Uma solução de sistema otimizada e habilitada para EH pode exigir rastreamento de ponto de potência máxima (MPPT) e/ou correspondência de impedância cuidadosamente controlada para realizar totalmente seu potencial máximo de energia. Além disso, muitas energias ambientais estão em níveis de potência e tensão muito baixos. A maioria dos CIs de gerenciamento de energia (PMICs) comerciais prontos para uso (COTS) são incapazes de converter energias abaixo de 10 μW e 100 mV em eletricidade utilizável. Um exemplo de esforços da comunidade de pesquisa para resolver isso é a plataforma MISCHIEF que está sendo desenvolvida pelo Tyndall National Institute (Cork, Irlanda). MISCHIEF é um PMIC inovador de alta eficiência e baixa corrente quiescente capaz de lidar com uma gama sem precedentes de energias ambientais, particularmente no domínio sub 10 μW que até então eram inutilizáveis. É modular e altamente configurável para que seja fácil adicionar novos blocos de circuito e/ou ajustar faixas de pontos de ajuste. Ele também possui uma interface digital que permite interagir com outros componentes para ajustar dinamicamente seu modo de operação (suspensão, espera, detecção, transmissão, processo). Isso minimiza o consumo de energia e atende às necessidades da aplicação.

O armazenamento de energia é fundamental para fontes de energia intermitentes, pois fornece um buffer para lidar com a demanda de pico, de modo que a fonte de energia upstream só precisa fornecer as necessidades de estado estacionário do sistema, em vez das demandas de energia de pico do pior caso.

Criando um ecossistema EH

Os colaboradores das comunidades Power IoT e EH — desenvolvedores, fabricantes de materiais e dispositivos, bem como instaladores, integradores e usuários finais — tendem a trabalhar em ambientes isolados. No entanto, para que o EH tenha uma grande penetração nas aplicações convencionais, o pessoal do transdutor EH terá que trabalhar em estreita colaboração com o pessoal de gerenciamento de energia e armazenamento de energia, e muito menos com muitos outros fornecedores de componentes de sistema de baixo consumo e usuários finais. Isso é particularmente verdadeiro para muitos aplicativos de rede de sensores, de baixa potência, nos quais este artigo se concentra.

No poder .

Referências:

eu. https://www.enables-project.eu/wp-content/uploads/2021/02/EnABLES_ResearchInfrastructure_PositionPaper.pdf

ii. http://www.enerharv.com/

iii. https://www.psma.com/technical-forums/energy-harvesting

4. M. Hayes e B. Zahnstecher, "O Círculo Virtuoso de 5G, IoT e Colheita de Energia", na IEEE Power Electronics Magazine , vol. 8, não. 3 de setembro de 2021