Batterifri smartenheder til at høste omgivende energi til IoT

Strømstyringssystemer, der høster omgivende energi, vil drive milliarder af små enheder på tingenes internet.

Små internetforbundne elektroniske enheder bliver allestedsnærværende. Det såkaldte Internet of Things (IoT) gør det muligt for smarte gadgets i hjemmet og bærbare teknologier som smarte ure at kommunikere og fungere sammen. IoT-enheder bruges i stigende grad på tværs af alle slags industrier til at drive sammenkobling og smart automatisering som en del af den "fjerde industrielle revolution."

Den fjerde industrielle revolution bygger på allerede udbredt digital teknologi såsom tilsluttede enheder, kunstig intelligens, robotteknologi og 3D-print. Det forventes at være en væsentlig faktor til at revolutionere samfundet, økonomien og kulturen.

Disse små, autonome, sammenkoblede og ofte trådløse enheder spiller allerede en nøglerolle i vores hverdag ved at hjælpe med at gøre os mere ressource- og energieffektive, organiserede, sikre, sikre og sunde.

Der er dog en vigtig udfordring - hvordan man kan drive disse små enheder. Det åbenlyse svar er "batterier." Men det er ikke helt så enkelt.

Små enheder

Mange af disse enheder er for små til at bruge et batteri med lang levetid, og de er placeret på fjerntliggende eller svært tilgængelige steder - for eksempel midt i havet og sporer en skibscontainer eller øverst i en kornsilo, overvågning niveauer af korn. Disse typer placeringer gør servicering af nogle IoT-enheder ekstremt udfordrende og kommercielt og logistisk umuligt.

Mike Hayes, leder af IKT for energieffektivitet ved Tyndall National Institute i Irland, opsummerer markedspladsen. "Det forventes, at vi vil have en billion sensorer i verden i 2025," sagde han, "det er tusind milliarder sensorer."

Det tal er ikke så tosset, som det umiddelbart ser ud til, ifølge Hayes, der er koordinator for EnABLES-projektet (European Infrastructure Powering the Internet of Things).

Hvis du tænker på sensorerne i teknologien, som nogen kan bære på deres person eller have i deres bil, hjem, kontor plus sensorerne indlejret i infrastrukturen omkring dem, såsom veje og jernbaner, kan du se, hvor det tal kommer fra, forklarede han. .

"I den forventede trillion IoT-sensorverden for 2025, kommer vi til at smide over 100 millioner batterier hver dag på lossepladser, medmindre vi forlænger batteriets levetid betydeligt," sagde Hayes.

Batteritid

Losseplads er ikke den eneste miljømæssige bekymring. Vi skal også overveje, hvor alt materialet til at fremstille batterierne skal komme fra. EnABLES-projektet opfordrer EU og industriledere til at tænke på batterilevetid fra starten, når de designer IoT-enheder for at sikre, at batterier ikke begrænser enheders levetid.

"Vi har ikke brug for, at enheden holder evigt," sagde Hayes. "Tricket er, at du skal overleve den applikation, du serverer. For eksempel, hvis du vil overvåge et stykke industrielt udstyr, vil du sandsynligvis have det til at holde i fem til 10 år. Og i nogle tilfælde, hvis du udføre en regelmæssig service hvert tredje år alligevel, når batteriet holder mere end tre eller fire år, er det nok godt nok."

Selvom mange enheder har en driftslevetid på mere end 10 år, er batterilevetiden for trådløse sensorer typisk kun et til to år.

Det første skridt til længere batterilevetid er at øge den energi, der leveres af batterier. Reduktion af strømforbruget for enheder vil også forlænge batteriet. Men EnABLES går endnu længere.

Projektet samler 11 førende europæiske forskningsinstitutter. Sammen med andre interessenter arbejder EnABLES på at udvikle innovative måder at høste små omgivende energier såsom lys, varme og vibrationer.

At høste sådanne energier vil forlænge batteriets levetid yderligere. Målet er at skabe selvopladede batterier, der holder længere eller i sidste ende kører autonomt.

Energihøster

Omgivende energihøstere, såsom en lille vibrationshøster eller indendørs solpanel, der producerer lave mængder strøm (i milliwatt-området), kan ifølge Hayes forlænge batterilevetiden betydeligt for mange enheder. Disse omfatter hverdagsting som ure, radiofrekvensidentifikationsmærker (RFID), høreapparater, kuldioxiddetektorer og temperatur-, lys- og fugtsensorer.

EnABLES designer også de andre nøgleteknologier, der er nødvendige for små IoT-enheder. Projektet er ikke tilfreds med at forbedre energieffektiviteten, men forsøger også at udvikle en ramme og standardiserede og interoperable teknologier til disse enheder.

En af de vigtigste udfordringer med selvstændigt drevne IoT-værktøjer er strømstyring. Energikilden kan være intermitterende og på meget lave niveauer (mikrowatt), og forskellige høstmetoder leverer forskellige former for strøm, der kræver forskellige teknikker for at konvertere til elektricitet.

Konstant rislen

Huw Davies, er administrerende direktør for Trameto, et firma, der udvikler strømstyring til piezoelektriske applikationer. Han påpeger, at energi fra fotovoltaiske enheder har en tendens til at komme i et støt siveløb, mens energien fra piezoelektriske enheder, som omdanner omgivende energi fra bevægelser (vibrationer) til elektrisk energi, generelt kommer i byger.

"Du har brug for en måde at opbevare den energi lokalt i en butik, før den leveres til en last, så du skal have måder at håndtere det på," sagde Davies.

Han er projektkoordinator for HarvestAll-projektet, som har udviklet et energiledelsessystem for omgivende energi kaldet OptiJoule.

OptiJoule arbejder med piezoelektriske materialer, fotovoltaik og termiske elektriske generatorer. Den kan fungere med enhver af disse kilder alene eller med flere energikilder på samme tid.

Målet er at gøre det muligt for autonome sensorer at være selvbærende. I princippet er det ret simpelt. "Det, vi taler om, er ultralavt drevne sensorer, der tager nogle digitale målinger," sagde Davies. "Temperatur, fugtighed, tryk, hvad end det er, med data fra det, der leveres til internettet."

Integrerede kredsløb

HarvestAll energistyrings integrerede kredsløbsenhed justeres for at matche de forskellige energihøstere. Den tager den anderledes og intermitterende energi, der skabes af disse mejetærskere, og lagrer den, for eksempel i et batteri eller en kondensator, og styrer derefter leveringen af ​​en konstant udgang af energi til sensoren.

I lighed med EnABLES-projektet er ideen at skabe standardiseret teknologi, der vil muliggøre den hurtige udvikling af lang batterilevetid/autonome IoT-enheder i Europa og verden.

Davies sagde, at energistyringskredsløbet fungerer fuldstændigt selvstændigt og automatisk. Den er designet, så den bare kan tilsluttes en energihøster, eller kombination af mejetærskere, og en sensor. Som erstatning for batteriet har det en væsentlig fordel, ifølge Davies, fordi "det vil bare fungere." + Udforsk yderligere

Op til 78 millioner batterier vil blive kasseret dagligt i 2025