Zbieranie energii termalnej i mechanicznej w systemach IoT

Zaawansowane zarządzanie energią jest niezbędne dla utrzymania szybkiego postępu technologii cyfrowej. Wykorzystanie nowoczesnych rozwiązań w zakresie pozyskiwania energii z otoczenia może stać się ważnym punktem zwrotnym w zakresie rozwiązań o ultraniskim poborze mocy w systemach Internetu Rzeczy (IoT).

Stworzenie tak zwanych czujników o zerowej pobieranej mocy będzie wymagało wykorzystania systemów pozyskiwania energii ze źródeł w środowisku pracy sensora. Po zawężeniu opcji do dostępnych obecnie źródeł, następnymi kryteriami jest ilość dostępnej energii i ilość potrzebnej energii. Parametry te pozwalają dobrać źródło mocy. Na przykład pozyskiwanie energii słonecznej czy wiatrowej może zapewnić solidne źródło zasilania dla rozwiązań dużej mocy. Jednakże nie jest to jedyne źródło energii w otoczeniu urządzeń Internetu Rzeczy.

Ciepło jest często dostępne jako odpadowy produkt uboczny z silników, maszyn i innych źródeł. Pozyskiwanie energii z gradientu termicznego to proces opierający się na wychwytywaniu ciepła z otoczenia i jego wykorzystaniu do produkcji energii elektrycznej. Wiele z wspomnianych elementów – mechanizmy, silniki itp. oprócz ciepła produkuje także wibracje, które również przekształcać można w energię elektryczną. Spośród wielu sposobów wykorzystania rozwiązań, zastosowanie urządzeń piezoelektrycznych do przekształcania wibracji w energię elektryczną jest szczególnie skuteczne, z możliwością wytworzenia setek mikrowatów (µW/cm²), w zależności od wielkości i konstrukcji generatora.

Gradient termiczny

Zbieranie energii przy wykorzystaniu gradientów temperatury odbywa się za pomocą systemów piroelektrycznych i termoelektrycznych. Zastosowanie piroelektryków jest ograniczone, ponieważ wymagają one zmiennej mocy wejściowej, podczas gdy inne systemy mogą zapewnić nieprzerwaną pracę przez setki tysięcy godzin, ale z kolei mają niską wydajność. Najbardziej typowe rozwiązania termoelektryczne są reprezentowane przez tak zwane ogniwa lub moduły Peltiera.

Alfred Piggott, założyciela i CTO Applied Thermoelectric Solutions tłumaczy budowę systemów termoelektrycznych: „Niektóre przykłady materiałów termoelektrycznych to tellurek bizmutu, tellurek ołowiu, triantimonid kobaltu i german krzemu. To materiały, które mogą zapewnić wysoką sprawność. Dzięki nim generator termoelektryczny może osiągnąć od 9 do 11% w idealnych warunkach, z odpowiednio zaprojektowanym układem. Wybór najlepszego materiału zależy od wielu czynników, ale przede wszystkim od zastosowania, budżetu i projektu samego generatora”.

Idealnie, materiały termoelektryczne powinny charakteryzować się niską przewodnością cieplną, wysoką przewodność elektryczną i wysokim współczynnikiem Seebecka.

Odkrycie efektu termoelektrycznego, będącego podstawą pozyskiwania energii elektrycznej z cieplnej w tego rodzaju systemach, przypisuje się Thomasowi Johannowi Seebeckowi. W urządzeniu termoelektrycznym napięcie powstaje na skutek występowania różnic temperatur. Analogicznie, różnica temperatur zostanie wytworzona w elemencie, przy przyłożeniu do niego napięcia. Zdolność materiału lub urządzenia do generowania napięcia na jednostkę temperatury charakteryzuje się z pomocą współczynnika Seebecka, a całe zjawisko to efekt Seebecka.

Materiał zwykle używany do tworzenia regionów domieszkowanych typu P oraz N (zazwyczaj jest to tellurek bizmutu - Bi2Te3) pozwala na uzyskanie napięć wyjściowych wynoszących do 0,2 mV/K na ogniwo. Aby zwiększyć uzyskiwane napięcie, wykorzystuje się wiele złącz PN połączonych ze sobą szeregowo (na przykład 10 złącz, połączonych szeregowo zaoferuje 2 mV/K). Należy pamiętać, że jest to napięcie rozwartego ogniwa – konieczne jest jego odpowiednie obciążenie, by dopasować odbiornik mocy do impedancji wyjściowej ogniwa termoelektrycznego, aby uzyskać optymalny układ. Impedancja ta zmienia się wraz z warunkami otoczenia, więc układ odbierający energię z tego źródła musi mieć możliwość adaptowania się do zmian źródła.

Różnica temperatur między dwoma punktami powoduje przepływ energii cieplnej z punktu o najwyższej temperaturze do punktu najzimniejszego. Przepływ ciepła będzie następował, dopóki nie zostanie osiągnięta równowaga termodynamiczna i temperatury się nie wyrównają. Przepływ ten można wykorzystać do gromadzenia energii w urządzeniu elektronicznym. Proces pozyskiwania energii z wymiany ciepła podlega oczywiście prawom termodynamiki i zachowania energii.

Jean Charles Athanase Peltier odkrył, że przepuszczając prąd elektryczny przez styk dwóch różnych przewodników, następować może ogrzewanie lub chłodzenie. Kierunek przepływu prądu determinuje kierunek zmiany temperatury. Wytworzone lub pochłonięte ciepło jest zależne od prądu elektrycznego, a stała tej proporcjonalności nazywana jest współczynnikiem Peltiera.

Efekt piezoelektryczny

Drgania mechaniczne to kolejne źródło, które może pozwolić na zapewnienie rozwiązania energetycznego dla systemów elektronicznych. Oscylacje przetwornika piezoelektrycznego generowane poprzez zastosowanie specjalnych drgających mas i innych systemów, które umożliwiają ruch elementu pod wpływem drgań otoczenia, są w ostatnich latach szeroko stosowane w systemach do pozyskiwania energii z otoczenia.

Generatory piezoelektryczne wykorzystują bezpośredni efekt piezoelektryczny, tj. właściwość niektórych kryształów do generowania różnicy potencjałów przy poddaniu ich obciążeniom mechanicznym. Ten efekt występuje również w nanoskali i jest w pełni odwracalny. Ostatnio opracowano materiały piezoelektryczne z matrycą z tworzywa sztucznego, a ciągłe prace nad znalezieniem nowych materiałów i coraz bardziej zaawansowanych procesów produkcyjnych pozwalają wierzyć, iż w przyszłości uda uzyskać się jeszcze lepsze materiały piezoelektryczne.

Efekt piezoelektryczny przekształca energię kinetyczną w postaci wibracji lub wstrząsu w energię elektryczną. Generatory piezoelektryczne (zbieracze energii) oferują solidne i niezawodne rozwiązania, przekształcając energię drgań - normalnie marnowaną w środowisku - na użyteczną energię elektryczną. Idealnie nadają się do aplikacji, które wymagają np. ładowania akumulatorów lub superkondensatora do zasilania systemów zdalnych czujników z bezpośrednim zasilaniem (patrz rysunek 1 po prawej stronie, gdzie zaprezentowano przykład takiego sensora).

Całkowita sprawność generatora piezoelektrycznego zależy od wielu czynników, takie jak charakter wibracji układu, geometria systemu i materiał z którego wykonano przetwornik czy masa powodująca wibracje. Istotny wpływ na sprawność ma także dołączony interfejs elektroniczny, który przetwarza napięcie z generatora na użyteczne dla systemu elektronicznego napięcie. Z tego powodu, nawet we wczesnych fazach projektowania, bardzo pożądana jest szybka i wiarygodna ocena ilościowa zachowania przetwornika i systemów przetwarzania napięcia, w celu zoptymalizowania systemu jako całości.

Analiza efektu piezoelektrycznego może być prowadzona z pomocą modelu pokazanego na rysunku 2 po lewej stronie.

Dławik LM reprezentuje równoważną masę bezwładności; pojemność CM odnosi się do elastyczności przetwornika; rezystor RM reprezentuje straty mechaniczne. Część mechaniczna jest zasilana przez generator siły FIN, któremu przeciwstawia się źródło siły αVP, sterowane napięciem na kondensatorze CP (odwrotny efekt piezoelektryczny). Jednocześnie prędkość mechaniczna ż wytwarza prąd βż, który dostarczany jest zarówno na pojemność CP (bezpośredni efekt piezoelektryczny), jak i inne możliwe obciążenia elektryczne podłączone do przetwornika. Identyfikacja i modelowanie układu piezoelektrycznego obejmuje estymację sześciu niezależnych parametrów: LM, CM, RM, CP oraz α i β.

Układy do zarządzania energią

Różnice temperatur można wykorzystać do wytworzenia elektryczności, wykorzystując w ten sposób nadmiar ciepła, który zostałby utracony w innych sytuacjach. Ciepło odpadowe z systemów energii słonecznej, cieplnej czy geotermalnej może zostać w całości zebrane i wykorzystane. Można zastosować nawet energię cieplną ze zwykłych urządzeń gospodarstwa domowego do zasilania rozproszonych sensorów w naszych domach.

Załóżmy, że używamy system zasilany z baterii, który komunikuje się bezprzewodowo z innymi urządzeniami. System IoT działa w środowisku gradientów temperatury, generowanych przez ludzkie ciało, piekarnik czy silnik. Bez pozyskiwania energii baterie takich urządzeń należy regularnie wymienić, ponieważ rozładowują się one wraz z pobieraniem energii przez urządzenie. Generuje to koszty operacyjne – koszty baterii i koszty ich wymiany, co jest problematyczne, szczególnie w środowisku przemysłowym, czy w przypadku sensorów umieszczonych w trudno dostępnych lokalizacjach. W zależności od dostępnych gradientów temperatury generatory termoelektryczne (TEG) mogą wytwarzać od 20 µW do 10 mW na cm² swojej powierzchni.

TEG czy przetworniki piezoelektryczne, w połączeniu z odpowiednim układami do zarządzania energią (PMIC) mogą ładować akumulatory w urządzeniach IoT. W ten sposób redukuje się szybkość ich rozładowania – w korzystnych warunkach urządzenie może być w pełni samowystarczalne energetycznie.

„Istnieje wiele aspektów, które należy wziąć pod uwagę, aby zaprojektować lepsze termoelektryczne systemy pozyskiwania energii. Rozważania te obejmują między innymi wymagania elektryczne i termiczne, zastosowanie odpowiednich materiałów, względy specyficzne dla konkretnego zastosowania, założenia dotyczące trwałości, ceny sprzedaży produktu i budżetu inżynieryjnego” - komentuje Alfred Piggott.

Wibracje są źródłem energii obecnym niemalże wszędzie. Każdy z samochodów, znajdujących się na drodze wytwarza wibracje na asfalcie, które przenoszą się także do wnętrza kokpitu. Jeśli weźmiemy pod uwagę średnią długość i częstotliwość tras wykonywanych autem, a także ilość samochodów na drogach, to okazuje się, że pozyskiwanie energii z wibracji – czy to energii przedostającej się do kokpitu w przypadku samochodowych systemów IoT (np. do śledzenia pozycji auta w systemach logistycznych) czy to wibracji samej drogi (np. w systemach monitorujących stan nawierzchni czy liczbę przejeżdżających aut w systemach zarządzania infrastrukturą miejską) – ma bardzo dużo sensu.

Układ MAX17710 to kompletny system do ładowania i ochrony ogniw elektrochemicznych, służących do magazynowania energii w systemach mikroprocesorowych. Kontroler ten może bez problemu zarządzać trudnymi w stabilizacji źródłami, takimi jak właśnie systemy do pozyskiwania energii elektrycznej ze środowiska. Doskonale radzi on sobie ze źródłami o niewielkich mocach, na poziomie od 1 µW do 100 mW. Na rysunku 3, po lewej stronie, pokazano uproszczony schemat aplikacji tego elementu w systemie elektronicznym.

Kolejnym PMIC, który można wykorzystać do podobnego celu jest AEM30940, którego schemat aplikacyjny pokazano na rysunku 4, po prawej stronie tekstu. Jest to zintegrowany podsystem do zarządzania energią, który pobiera energię z TEG, generatora piezoelektrycznego, generatora w postaci mikroturbiny lub sygnałów radiowych o wysokiej częstotliwości, aby jednocześnie magazynować energię w elemencie wielokrotnego ładowania (akumulatorze lub superkondensatorze) i zasilać system dwoma niezależnymi stabilizowanymi napięciami. Łączy on w sobie konwerter step-up o bardzo niskiej mocy do ładowania elementu, takiego jak akumulator litowo-jonowy, akumulator cienkowarstwowy lub super- lub konwencjonalny kondensator. Może zacząć działanie przy pustych elementach do magazynowania energii, przy napięciu wejściowym zaczynającym się już od 380 mV. Najniższa moc wejściowa, z jaką pracować może ten system to zaledwie 3 μW.

Układ scalony LTC3588-1 pokazany na rysunku 5 oferuje kompletne rozwiązanie do magazynowania energii, zoptymalizowane dla generatorów o wysokiej impedancji, takich jak przetworniki piezoelektryczne. Wyposażony jest on w pełnofalowy prostownik o wysokiej sprawności oraz synchroniczną przetwornicę o topologii buck, która charakteryzuje się wysoką sprawnością. Przetwornica ta przenosi energię z urządzenia magazynującego na wejściu (którym może być ogniwo lub kondensator) do stabilizowanego napięciowo wyjścia, zdolnego do dostarczenia prądu do 100 mA do obciążenia układu. Kontroler ten jest dostępny w kompaktowej obudowie DFN o wymiarach 3 mm × 3 mm lub 10-pinowej obudowie MSE.

Aby skutecznie zaprojektować w pełni autonomiczny system czujników z komunikacją bezprzewodową, potrzebne są mikrokontrolery i przetworniki o bardzo niskim zużyciu energii elektrycznej. Rozwiązanie zasilania takich systemów może polegać między innymi na magazynowaniu energii elektrycznej pochodzącej z energii mechanicznej, termicznej lub elektromagnetycznej dostępnej w lokalnym środowisku samych sensorów. Jej konwersja i magazynowanie pozwala na zwiększenie samowystarczalności energetycznej danego urządzenia.

Warunkiem technologicznym projektowania tego rodzaju systemów o wysokiej sprawności są superkondensatory. Elementy tego rodzaju charakteryzujące się bardzo wysoką pojemnością, a jednocześnie mają właściwości funkcjonalne typowych kondensatorów elektrolitycznych, jednakże mogą przechowywać od 10 do 100 razy więcej energii na jednostkę objętości lub masy niż typowy kondensator elektrolityczny. Dodatkowo, prędkość ich ładowania i rozładowania jest znacznie wyższa niż prędkość ładowania i rozładowania (maksymalny prąd wejściowy i wyjściowy) typowych ogniw elektrochemicznych wielorazowego użytku. Dodatkowo, mają one dłuższy czas życia – bez szwanku mogą przeżyć o wiele więcej cykli ładowania i rozładowania niż typowe akumulatory.

Źródło: https://www.eetimes.com/thermal-and-vibration-energy-harvesting-for-iot-devices