Pengumpulan Energi Dapat Mengaktifkan 1 Triliun Sensor Bebas Baterai di IoT

Perangkat penginderaan IoT nirkabel dapat ditempatkan di, di, atau di dekat orang, peralatan, infrastruktur, dan lingkungan kita. Ini memberi kita alat baru untuk mengatasi tantangan paling mendesak di dunia abad ke-21 kita:mulai dari perubahan iklim, hingga memastikan energi bersih, makanan yang aman, dan yang terpenting, merawat kesehatan dan kesejahteraan populasi yang menua. Namun, untuk mencapai ini, kita perlu mengatasi kesenjangan 'memberdayakan IoT'. Artinya, solusi harus berjalan dengan baterai yang lebih lama dari perangkat IoT yang mereka gunakan.

Artikel ini membahas kontribusi penting yang dapat diberikan oleh solusi bertenaga pemanenan energi (EH) untuk IoT. Dari triliunan sensor yang dapat digunakan dalam beberapa tahun ke depan, sebagian besar akan menjadi jenis nirkabel ultra-low power (ULP). Ini juga merupakan kandidat terbaik untuk EH, yang dapat melengkapi daya eksternal atau berfungsi sebagai sumber daya independen.

Pendekatan yang kami ambil untuk memberdayakan IoT sangat penting untuk memungkinkan begitu banyak teknologi mengubah dunia kita setiap hari. Misalnya, kendaraan yang terhubung dan otonom (CAV), akan bergantung pada penginderaan yang andal dan di mana-mana dengan konektivitas bandwidth tinggi dan rendah, yang semuanya membutuhkan peningkatan kepadatan daya dan pengurangan berat — dua hal yang self-powered, sensor nirkabel dukungan jaringan.

Biaya

Nilai tambah utama dari EH adalah menyediakan/melengkapi energi sistem pada titik konsumsi dengan menangkap energi ambien di lingkungan operasi. Pembenaran dan keberhasilan implementasi EH, khususnya dalam hal total biaya kepemilikan, sangat bergantung pada metode penghitungan pengembalian. Misalnya, menambahkan $3 – $5 ke tagihan sistem material untuk kemampuan EH mungkin tampak gila ketika membandingkannya dengan sel koin sekali pakai dengan biaya sekitar $0,25 pada volume. Bahkan mengabaikan faktor lingkungan dan keberlanjutan, ada banyak hal yang perlu dipertimbangkan dalam analisis keuangan. Jika baterai itu perlu diganti, maka biaya tenaga kerja/akses-logistik saja dapat melenyapkan penghematan sel koin dengan urutan besarnya — surga melarang jika baterai itu berada di lingkungan yang keras dan/atau tidak dapat diakses, seperti dinding beton, langit-langit tinggi, tubuh manusia, atau sumur minyak dalam.

Energi Sekitar

EH memerlukan penggunaan energi sekitar yang tersedia — panas, getaran, cahaya — untuk sumber daya. Ada titik manis, dari sekitar satu mikrowatt hingga beberapa ratus mikrowatt, di mana ada 'dampak ganda' dari pengurasan yang jauh lebih sedikit pada sumber daya yang ada dan peningkatan kelayakan untuk menggunakan energi sekitar dari pemanen berukuran wajar. Ini secara signifikan dapat meningkatkan masa pakai baterai, dalam beberapa kasus bahkan mengarah ke otonomi daya penuh. (Hal ini dibahas dalam publikasi UE baru-baru ini dan diilustrasikan pada Gambar 1. ⁱ )

Tantangan utama yang didorong dengan mengintegrasikan EH ke dalam desain sistem adalah berurusan dengan sumber energi yang sifatnya sangat sporadis. Mereka membutuhkan penyimpanan energi dan perangkat/sirkuit manajemen daya untuk menangkap energi dan membuatnya tersedia untuk digunakan nanti. Tidak hanya ada upaya rekayasa unik yang harus dilakukan untuk mengatasi ekstraksi daya dari scavenging ambien, tetapi banyak dari kebutuhan tersebut dapat berbeda untuk setiap metode EH. Dengan kata lain, penangkapan energi mentah dari transduser EH dan kebutuhan konversi/manajemen/regulasi daya berbeda untuk fotovoltaik (PV) dibandingkan untuk generator termoelektrik (TEG) atau pemanenan getaran. Bahkan menyalakan berbagai rasa sel PV, dapat sangat bervariasi berdasarkan teknologi. Pendekatan umum cenderung didorong oleh sifat energi mentah yang dipanen, baik itu DC (PV, TEG) atau AC (getaran, triboelektrik, RF).

Sel PV secara langsung mengubah energi cahaya dari matahari dan/atau sumber buatan manusia, sedangkan TEG mengekstrak energi dari perbedaan suhu untuk menghasilkan energi listrik. Sumber getaran (elektrodinamik atau piezoelektrik) dan triboelektrik berasal dari gerakan fisik. Pengambilan RF biasanya melibatkan penggunaan antena penyearah (rectenna) dan jaringan penyeimbang, dan kemudian, seperti biasa, memasukkannya ke dalam blok konversi DC/DC.

Solusi sistem EH-enabled yang optimal mungkin memerlukan pelacakan titik daya maksimum (MPPT) dan/atau pencocokan impedansi yang dikontrol dengan hati-hati untuk sepenuhnya mewujudkan potensi energi maksimalnya. Selain itu, banyak energi ambien berada pada tingkat daya dan tegangan yang sangat rendah. Sebagian besar IC manajemen daya (PMIC) komersial-off-the-shelf (COTS) tidak mampu mengubah energi di bawah 10 W dan 100 mV menjadi listrik yang dapat digunakan. Contoh upaya penelitian berbasis komunitas untuk menyelesaikan ini adalah platform MISCHIEF yang dikembangkan oleh Tyndall National Institute (Cork, Irlandia). MISCHIEF adalah efisiensi tinggi yang inovatif, PMIC arus diam rendah yang mampu menangani rentang energi ambien yang belum pernah ada sebelumnya, khususnya di domain sub 10 W yang sebelumnya tidak dapat digunakan. Ini modular dan sangat dapat dikonfigurasi sehingga mudah untuk menambahkan blok sirkuit baru dan/atau menyesuaikan rentang titik setel. Ini juga memiliki antarmuka digital yang memungkinkannya berinteraksi dengan komponen lain untuk menyesuaikan mode operasinya secara dinamis (tidur, siaga, indera, transmisi, proses). Ini meminimalkan konsumsi daya mereka sekaligus memenuhi kebutuhan aplikasi.

Penyimpanan energi sangat penting untuk sumber energi intermiten, karena menyediakan penyangga untuk menangani permintaan puncak, sehingga sumber daya hulu hanya perlu menyediakan kebutuhan kondisi mapan sistem, bukan permintaan daya puncak kasus terburuk.

Membuat Ekosistem EH

Kontributor untuk komunitas Power IoT dan EH — pengembang, produsen material dan perangkat, serta penginstal, integrator, dan pengguna akhir — cenderung bekerja di lingkungan yang tertutup. Namun, agar EH berhasil melakukan penetrasi besar ke dalam aplikasi arus utama, orang-orang transduser EH harus bekerja sama dengan orang-orang manajemen daya dan penyimpanan energi, apalagi dengan banyak penyedia komponen sistem daya rendah dan pengguna akhir lainnya. Hal ini terutama berlaku untuk banyak jaringan sensor, aplikasi jenis daya rendah yang menjadi fokus artikel ini.

Dalam Kekuasaan .

Referensi:

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

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

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

iv. M. Hayes dan B. Zahnstecher, "Lingkaran Virtuous 5G, IoT, dan Pemanenan Energi," di IEEE Power Electronics Magazine , jilid. 8, tidak. 3, September 2021