Проектирование мощности Интернета вещей (IoT) всегда представляет собой сложную задачу. Поскольку устройства IoT в основном развернуты в удаленных местах, частая замена батареи не всегда целесообразна. Разработчики должны найти альтернативные способы их портативного питания. Минимизация энергопотребления обычно является Святым Граалем; однако это достигается за счет компромисса между функциями, подключением, диапазоном и даже встроенными возможностями безопасности (такими как криптография).

Несмотря на варианты подключения с низким энергопотреблением (такие как LoRa, LPWAN), энергоэффективные схемы и усовершенствования конструкции аккумуляторов, срок службы устройств в большинстве случаев превышает срок службы аккумуляторов. Что, если вместо того, чтобы полагаться исключительно на статический источник питания, устройства IoT могут динамически генерировать энергию? Сбор энергии — многообещающий вариант, который появится на горизонте, чтобы сделать это возможным.

Изучение сбора энергии для Интернета вещей
Количество датчиков и устройств IoT, развернутых в удаленных местах, может легко увеличиваться до тысяч. Частые выезды грузовиков для замены аккумуляторов не только влияют на размер прибыли и кривую рентабельности инвестиций, но также несут риск потери данных.

Возможность перекачивать энергию из окружающей среды высоко ценится в случаях использования IoT. Сбор энергии из источников окружающей среды, таких как солнечный свет, движение, окружающее радиочастотное излучение, тепло, ветер, вибрация и т. д., не является совершенно новой концепцией. Но растущий спрос на энергоэффективные, безопасные и долговечные системы, требующие минимального обслуживания или вообще не требующие его обслуживания, стимулирует спрос.

Согласно исследованию IDTechEx, размер рынка сбора энергии вырастет с 400 миллионов долларов в 2017 году до 2,6 миллиардов долларов (долларов США) в 2024 году. Растущее внедрение IoT и сетей беспроводных датчиков связано с этими прогнозами.

Сбор энергии включает преобразователи для преобразования энергии из окружающих источников в электричество для питания электроники. В зависимости от источников энергии технология преобразователя может быть пьезоэлектрической, термоэлектрической, электромагнитной, фотогальванической, радиочастотной и т. д.    

В настоящее время фотогальванические элементы обычно используются для питания игрушек, гаджетов и даже бытовой техники путем преобразования солнечной энергии в электричество. В случае RFID исправляются сильные локальные сигналы, направленные непосредственно на датчик. Powercast P2110 RF Powerharvester — еще один пример, который преобразует низкочастотные радиочастотные сигналы в электричество постоянного тока (5,25 В, до 50 мА). P2110 можно использовать для разработки безбатарейных беспроводных сенсорных узлов, которые могут работать с очень низким входным радиочастотным сигналом (-11,5 дБм) в различных промышленных приложениях, таких как интеллектуальные сети, автоматизация зданий, военные, сельское хозяйство и т. д.

Обещания и проблемы сбора энергии для IoT
Самое большое обещание сбора энергии — продлить срок службы батареи IoT, если не полностью отказаться от нее. Технологии сбора энергии прошли долгий путь за последнее десятилетие. Тем не менее, барьеры стоимости и сложности для установки и интеграции все еще существуют, и их необходимо тщательно учитывать. Это должно быть разумно по сравнению с общим решением IoT.  

Еще одним соображением является разница в энергопотреблении при межмашинном (M2M) обмене данными. Например, сельскохозяйственный датчик может отправлять/принимать данные пакетами в разные периоды дня. Кроме того, он в основном работает вхолостую, потребляя очень мало энергии. Энергопотребление резко возрастает при отправке пакетов данных. Сборщик энергии должен справляться с требованиями к выбросу энергии M2M с точки зрения тока пиковой нагрузки (ампер) и требований к рабочему напряжению (вольт).

Сбор энергии для IoT Истории успеха
Хотя технологии сбора энергии IoT все еще находятся в стадии инкубации в лабораториях по всему миру, уже есть несколько обнадеживающих историй успеха.

Rectenna: сбор энергии Wi-Fi исследователями Массачусетского технологического института
Rectenna — это устройство, использующее гибкую антенну для улавливания электромагнитных волн переменного тока (включая вездесущие сигналы Wi-Fi) и преобразования их в электричество постоянного тока. Антенна подключается к двумерному полупроводнику толщиной в несколько атомов. Когда сигнал переменного тока поступает в полупроводник, генерируется постоянное напряжение, которое можно использовать для питания электронных схем, PMIC или для перезарядки аккумуляторов.

При воздействии обычных уровней мощности Wi-Fi (примерно 150 мкВт [микроватт]) во время лабораторных испытаний ректенна выдавала около 40 мкВт. Скорость преобразования довольно хорошая, а мощности достаточно, чтобы управлять кремниевым чипсетом или зажечь светодиод.

Солнечно-ветровая гибридная платформа для сбора урожая
Ученые из Национального центра нанонауки и технологий (NCNT) в Пекине смогли разработать единую платформу для сбора как солнечной, так и ветровой энергии ( рис. 1 ). Он объединяет трибоэлектрический наногенератор (для преобразования энергии ветра в электричество) с высокоэффективным солнечным элементом. Компонент был протестирован на выработку 8 мВт на солнечной стороне и до 26 мВт на ветрогенераторе, что соответствует высокой плотности мощности для платформы 120 мм × 22 мм × 2 мм.

Этот гибридный наногенератор был разработан в основном как источник возобновляемой энергии для умных городов. Однако он также может питать встроенные устройства и устройства IoT.

 

Рисунок 1 : Иллюстрация гибридных солнечных и ветряных батарей. (Источник: NCNT)

Сборщик радиочастотной энергии
E-peas AEM40904 представляет собой малогабаритную (5 мм × 5 мм) PMIC, которая извлекает мощность переменного тока из окружающих источников радиочастот. Повышающий преобразователь имеет КПД 94% и поддерживает запуск с очень низким энергопотреблением (380 мВ/3 мкВт) и низкими уровнями входной ВЧ-мощности (от -18,5 дБм до 10 дБм).

Собранная энергия может одновременно питать широкий спектр IoT и встроенных систем, а также хранить избыточную энергию в перезаряжаемых батареях и конденсаторах. Разработчики систем могут использовать эту возможность в беспроводных приложениях IoT, таких как носимые устройства, домашняя автоматизация, промышленный мониторинг и т. д., чтобы продлить срок службы батареи.

Последние мысли
Системы сбора энергии (EHS) способствуют слиянию сбора энергии и хранения аккумуляторов, а не замене. При рассмотрении EHS для проектирования системы основное внимание уделяется соотношению стоимости и ценности. По мере развития модулей EHS можно ожидать, что непомерно высокая стоимость компонента будет снижаться. Также важно взвесить императивы вариантов использования, например, управление питанием для заводского оборудования сильно отличается от сельскохозяйственных датчиков.

Некоторые эксперты по EHS считают, что фотогальваника, фоновое радиочастотное излучение и вибрация являются «большой тройкой» вариантов сбора урожая из-за их относительно низкой стоимости и простоты установки.

Электронный дизайн должен по-прежнему ориентироваться на низкое энергопотребление. Разработчики могут выбрать сбор энергии для удовлетворения потребностей конкретных вариантов использования IoT. Когда мощность не является ограничением, можно предложить множество привлекательных функций и возможностей безопасности.