Colheita de Energia Viabiliza 1 Trilhão de Sensores IoT Sem Bateria

Dispositivos de sensoriamento 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 nosso mundo do século 21: desde mudanças climáticas, até garantir energia limpa, alimentos seguros e, principalmente, cuidar da saúde e bem-estar de uma população envelhecida. No entanto, para alcançar isso, precisamos resolver a lacuna de 'alimentação do IoT'. Ou seja, as soluções precisam funcionar com baterias que sobrevivam aos dispositivos IoT que alimentam.

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

Custo

Um grande valor agregado da EH é fornecer/suplementar energia do sistema no ponto de consumo, capturando energia ambiente no ambiente operacional. A justificativa e o sucesso de implementações de EH, particularmente em termos de custo total de propriedade, dependem altamente do método de cálculo de retorno. Por exemplo, adicionar $3 – $5 a um custo de material do sistema para capacidades de EH pode parecer louco quando comparado a uma célula de moeda descartável custando aproximadamente $0,25 em volume. Mesmo negligenciando fatores ambientais e de sustentabilidade, há muito a considerar na análise financeira. Se aquela bateria precisar ser substituída, então os custos de logística/acesso de mão de obra sozinhos podem obliterar a economia da célula de moeda por ordens de magnitude — que o céu nos livre se aquela 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 usar energias ambientes disponíveis — calor, vibrações, luz — como fontes de energia. Existe um ponto ideal, de cerca de um microwatt a algumas centenas de microwatts, onde há o 'duplo impacto' de drenagem significativamente menor na fonte de energia existente e maior viabilidade para usar energias ambientes de coletores de tamanho razoável. Isso pode aumentar significativamente a vida da bateria, em alguns casos até levando à autonomia completa de energia. (Isso é discutido em uma publicação recente da UE e ilustrado na Figura 1.)

Um desafio chave impulsionado pela integração de EH no design de sistemas é lidar com fontes de energia que podem ser bastante esporádicas na natureza. Elas precisam de armazenamento de energia e dispositivos/circuitos de gerenciamento de potência para capturar a energia e torná-la disponível para uso posterior. Não apenas existem esforços únicos de engenharia que devem ser feitos para abordar extração de energia de coleta 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 necessidades de conversão/gerenciamento/regulação de potência são diferentes para fotovoltaicos (PV) do que para geradores termoelétricos (TEG) ou colheita vibracional. Mesmo alimentar diferentes tipos de células PV pode variar muito baseado na tecnologia. A abordagem geral tende a ser impulsionada pela natureza da energia bruta colhida, seja DC (PV, TEG) ou AC (vibracional, triboelétrica, RF).

Células PV convertem diretamente energia luminosa do sol e/ou fontes artificiais, enquanto um TEG extrai energia de um diferencial de temperatura para gerar energia elétrica. Fontes vibracionais (eletrodinâmicas ou piezoelétricas) e triboelétricas são derivadas de movimento físico. Captura RF tipicamente envolve o uso de uma antena retificadora (rectenna) e rede de balanceamento, e então, como é comum, alimentando-a em um bloco de conversão DC/DC.

Uma solução de sistema otimizada e habilitada para EH pode requerer rastreamento de ponto de potência máxima (MPPT) e/ou correspondência de impedância cuidadosamente controlada para realizar plenamente seu potencial energético máximo. Além disso, muitas energias ambientes estão em níveis muito baixos de potência e tensão. A maioria dos CIs de gerenciamento de potência (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 impulsionados pela comunidade de pesquisa para resolver isso é a plataforma MISCHIEF sendo desenvolvida pelo Tyndall National Institute (Cork, Irlanda). MISCHIEF é um PMIC inovador de alta eficiência, corrente de quiescência baixa, capaz de lidar com uma gama sem precedentes de energias ambientes, 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 ponto de ajuste. Também tem uma interface digital permitindo que interaja com outros componentes para ajustar dinamicamente seu modo de operação (sleep, standby, sense, transmit, process). Isso minimiza seu consumo de energia enquanto atende às necessidades da aplicação.

Armazenamento de energia é crítico para fontes de energia intermitentes, pois fornece um buffer para lidar com demanda de pico, então a fonte de energia a montante só precisa prover para as necessidades de estado estacionário do sistema em vez de demandas de potência de pico no pior caso.

Criando um Ecossistema EH

Contribuintes para as comunidades de IoT de Potência e EH — desenvolvedores, fabricantes de materiais e dispositivos, bem como instaladores, integradores e usuários finais — tendem a trabalhar em ambientes isolados. No entanto, para EH ter penetração majoritária em aplicações mainstream, pessoal de transdutores EH terá que trabalhar de perto com pessoal de gerenciamento de potência e armazenamento de energia, sem mencionar os muitos outros provedores de componentes de sistemas de baixa potência e usuários finais. Isso é particularmente verdadeiro para muitas das aplicações de rede de sensores, tipo baixa potência em que este artigo foca.

Na Potência...

Referências

1. EnABLES Research Infrastructure Position Paper
2. Energy Harvesting
3. PSMA Energy Harvesting Forum
4. M. Hayes and B. Zahnstecher, "The Virtuous Circle of 5G, IoT and Energy Harvesting," in IEEE Power Electronics Magazine, vol. 8, no. 3, Sept. 2021