Energy Harvesting Membuka Potensi 1 Triliun Sensor IoT Tanpa Baterai

Perangkat sensing nirkabel IoT dapat ditempelkan pada, di dalam, 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: dari perubahan iklim, hingga memastikan energi bersih, makanan aman, dan terpenting, merawat kesehatan dan kesejahteraan populasi yang tua. Namun, untuk mencapai ini, kita perlu mengatasi kesenjangan ‘menyalakan IoT’. Itu, solusi perlu berjalan pada baterai yang lebih lama hidup dari perangkat IoT yang mereka daya.

Artikel ini menjelajahi kontribusi kritis yang dapat disediakan solusi yang didayai oleh energi harvesting (EH) untuk IoT. Dari triliun sensor yang dapat diterapkan dalam beberapa tahun mendatang, mayoritas signifikan akan menjadi jenis wireless ultra-daya rendah (ULP). Ini juga adalah kandidat terbaik untuk EH, yang dapat menyumbangkan daya eksternal atau berfungsi sebagai sumber daya independen.

Pendekatan yang kita ambil untuk menyalakan IoT sangat penting untuk mengaktifkan begitu banyak teknologi yang mengubah dunia kita setiap hari. Misalnya, kendaraan terhubung dan otonom (CAV), akan bergantung pada sensing yang andal dan luas dengan konektivitas bandwidth tinggi dan rendah, semuanya yang membutuhkan densitas daya yang meningkat dan pengurangan bobot — dua hal yang didukung oleh jaringan sensor nirkabel yang berdaya sendiri.

Biaya

Nilai tambah utama dari EH adalah menyediakan/menyumbang energi sistem di titik konsumsi dengan menangkap energi lingkungan di lingkungan operasi. Justifikasi dan sukses implementasi EH, terutama dalam hal total biaya kepemilikan, sangat bergantung pada metode perhitungan pengembalian investasi. Misalnya, menambahkan $3 – $5 ke daftar bahan sistem untuk kemampuan EH mungkin terlihat gila saat membandingkannya dengan baterai koin sekali pakai yang berkira $0,25 pada volume. Bahkan mengabaikan faktor lingkungan dan keberlanjutan, ada banyak yang perlu dipertimbangkan dalam analisis keuangan. Jika baterai itu pernah perlu diganti, maka biaya kerja/akses-logistik sendirinya dapat menghancurkan penghematan baterai koin dengan orde magnitudo — sayangnya jika baterai itu di lingkungan yang keras dan/atau tidak dapat diakses, seperti dinding beton, langit-langit tinggi, tubuh manusia, atau sumur minyak dalam.

Energi Lingkungan

EH melibatkan penggunaan energi lingkungan yang tersedia — panas, getaran, cahaya — sebagai sumber daya. Ada titik optimal, dari sekitar satu mikrowatt hingga beberapa ratus mikrowatt, di mana ada ‘dampak ganda’ dari drain yang jauh lebih kecil pada sumber daya yang ada dan daya guna yang lebih besar untuk menggunakan energi lingkungan dari penangkap yang berukuran wajar. Ini dapat secara signifikan meningkatkan umur baterai, dalam beberapa kasus bahkan mengarah pada otonomi daya penuh. (Ini dibahas dalam publikasi EU terbaru dan diilustrasikan dalam Gambar 1. ⁱ)

Tantangan kunci yang dipicu oleh integrasi EH ke dalam desain sistem adalah menangani sumber energi yang bisa cukup spontan dalam alamnya. Mereka memerlukan perangkat/ rangkaian penyimpanan energi dan manajemen daya untuk menangkap energi dan membuatnya tersedia untuk penggunaan kemudian. Tidak hanya ada upaya teknik unik yang harus dilakukan untuk menangani ekstraksi daya dari scavanging lingkungan, tetapi banyak dari kebutuhan tersebut bisa berbeda untuk setiap metode EH. Dengan kata lain, penangkap energi mentah dari transduser EH dan kebutuhan konversi daya/pengaturan/pengaturan berbeda untuk fotovoltaik (PV) daripada generator termolistrik (TEG) atau penangan getaran. Bahkan daya untuk berbagai jenis sel PV, dapat bervariasi sangat besar berdasarkan teknologi. Pendekatan umum cenderung didorong oleh sifat energi mentah yang dipanen, apakah DC (PV, TEG) atau AC (getaran, triboelektrik, RF).

Sel PV secara langsung mengubah energi cahaya dari matahari dan/atau sumber buatan, sedangkan TEG mengekstrak energi dari selisih suhu untuk menghasilkan energi listrik. Sumber getaran (elektrodinamik atau piezoelektrik) dan triboelektrik berasal dari gerakan fisik. Tangkapan RF biasanya melibatkan penggunaan antena perbaikan (rectenna) dan jaringan seimbang, dan kemudian, seperti biasa, memberi makannya ke blok konversi DC/DC.

Solusi sistem EH yang optimal mungkin memerlukan pelacakan titik daya maksimum (MPPT) dan/atau pencocokan impedansi yang dikontrol dengan hati-hati untuk sepenuhnya merealisasikan potensi energi maksimum. Selain itu, banyak energi lingkungan berada pada tingkat daya dan tegangan yang sangat rendah. Sebagian besar IC manajemen daya siap pakai (PMIC) tidak mampu mengubah energi di bawah 10 μW dan 100 mV menjadi listrik yang dapat digunakan. Contoh upaya yang didorong oleh komunitas penelitian untuk menyelesaikan ini adalah platform MISCHIEF yang sedang dikembangkan oleh Tyndall National Institute (Cork, Irlandia). MISCHIEF adalah PMIC inovatif tinggi efisiensi, arus istirahat rendah yang mampu menangani rentang energi lingkungan yang tak pernah terdahulu terutama di domain sub 10 μW yang sebelumnya tidak dapat digunakan. Ini modular dan sangat konfigural sehingga mudah untuk menambahkan blok rangkaian baru dan/atau menyesuaikan rentang titik set. Ini juga memiliki antarmuka digital yang memungkinkan untuk berinteraksi dengan komponen lain untuk secara dinamis menyesuaikan mode operasinya (tidur, standby, merasakan, mentransmisikan, memproses). Ini meminimalkan konsumsi daya sambil memenuhi kebutuhan aplikasi.

Penyimpanan energi sangat penting untuk sumber energi yang tidak teratur, karena memberikan penampung untuk menangani permintaan puncak, sehingga sumber daya upstream hanya perlu menyediakan kebutuhan keadaan stabil sistem daripada permintaan daya puncak terburuk.

Membuat Ekosistem EH

Kontributor komunitas Power IoT dan EH — pengembang, produsen material dan perangkat, serta penginstal, integrator, dan pengguna akhir — cenderung bekerja di lingkungan yang terisolasi. Namun, untuk EH berhasil memiliki penetrasi besar ke dalam aplikasi mainstream, penyalur transduser EH akan harus bekerja sama erat dengan pengelola daya dan penyimpanan energi, terlepas dari banyak penyedia komponen sistem daya rendah lainnya dan pengguna akhir. Ini sangat benar untuk banyak aplikasi jaringan sensor, daya rendah yang difokuskan oleh artikel ini.

Referensi:

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

ii. https://www.enerharv.com/

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

iv. 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