Извлечение энергии из окружающей среды

Подробности

Опубликовано 17.04.2013 19:46

Радиодатчики, питающиеся энергией окружающей среды: странная идея на массовом рынке.

Еще 10 лет назад идея множества различных радиодатчиков, надежно работающих исключительно на окружающей энергии, казалась нереальной. Интересная тема для изобретателей, мечтающих о вечном двигателе ...

В наши дни, однако, если ввести в строке интернет-поиска термин "собирающие энергию", то можно получить около полумиллиона хитов. Нет сомнений, что тема стала больше, чем просто еще одна тема для разговора. Удивительно, однако, лишь очень немногие продукты, существующие на рынке, обладают таким значительным потенциалом практического применения. В статье изложены серьезные технические проблемы и пути их решения на пути к производству энергетически независимых радио датчиков в больших масштабах, используя продукты EnOcean в качестве примеров. Таким образом, становится ясно, что инновационные технические концепции часто заставляют заново "изобретать", стимулируя этим дальнейшее ускорение технического прогресса.

Давно уже известны примеры устройств, использующих энергию окружающей среды - ветра и воды. Но есть примеры редких, удивительных инженерных решений.

Часы Atmos производятся швейцарской компанией Jaeger-LeCoultre с 1936 года. У этих часов есть расширительная камера, заполненная этилхлоридом, которая, заменяя пружину, расширяется и сжимается при колебаниях температуры. Изменение температуры всего на 1 ⁰C обеспечивают часы необходимой энергией на два дня работы. Для эффективного использования малого количества энергии были применены новые подходы. Так частота кручения вибрирующей массы была сокращена до двух колебаний в минуту, были разработаны сухие подшипники с особенно низким коэффициентом трения. Все части находятся в постоянном равновесии, так что никакие силы, кроме гравитации, не действуют.

Этот способ питания часов энергией колебаний температуры окружающей среды отличный пример приложения инновационных технологий для создания автаркических (энергетически самодостаточных) устройств, к которым относятся беспроводные радиодатчики.

Сравнение характеристик различных преобразователей энергии окружающей среды по конструктивным размерам, стоимости и надежности, это первый важный шаг в оценке потенциала их применения на рынке.

Самые интересные источники внешней энергии для беспроводных датчиков:

1. Линейные движения, например, нажатие кнопки.
2. Солнечная энергия.
3. Вибрация, например, вибрирующие детали устройств.
4. Температурный градиент, например, горячего устройства и холодной окружающей среды.

Специалисты компании EnOcean разработали демонстрационный стенд беспроводного датчика, работающего на разнице температур. Основным компонентом этой разработки является дискретный DC / DC конвертер, который способен запускаться при напряжении около 100 mV, что примерно на порядок ниже величин известных ранее решений. Это позволило использовать в качестве сборщика окружающей энергии стандартные элементы Пельтье. При градиенте температуры выше 3 Кельвин между двумя сторонами элемента Пельтье, система, состоящая из элемента Пельтье, EnOcean-модуля STM100 и DC / DC конвертера - запускает и передает значения датчиков каждую секунду. Стенд имеет встроенный датчик температуры и измеритель напряжения питания. Третий аналоговый вход и четыре цифровых входа могут использоваться в конкретных приложениях.

Требования к технологии радиосвязи и управлению энергией.

1. Хранение энергии и рациональное ее использование.

Сравнение средней доступной энергии с энергией, требуемой системе радиосвязи, которая должна обеспечивать дальность устойчивой связи в несколько десятков метров в зданиях, даже через несколько стен, показывает, что непрерывная работа радиопередающих или приемных устройств не представляется возможным. Однако это и не нужно, так как многие системы датчиков предназначены только для передачи относительно небольших объемов данных с относительно большим интервалом (по сравнению со временем передачи).

Технологии хранения энергии сильно влияет на производительность системы.

Наиболее важными требованиями являются:

• большое количество циклов заряд-разряд;
• простой процесс зарядки, который сам не потребляет много энергии;
• высокая плотность энергии, чтобы сохранить небольшой размер источника;
• низкая утечка для преодоления длительных интервалов без энергоснабжения.

В таблице показаны сильные и слабые стороны существующих технологий хранения данных.

Ультраконденсаторы оказались бы лучшим решением для большинства приложений. Так как количество циклов заряд-разряд - самое важное требование, поскольку оно напрямую связано со временем жизни устройств. Наибольшая экономия энергии может быть достигнута за счет обработки всех процедур в кратчайшие сроки. В то время как эффективность работы например, высокочастотных модулей может быть увеличена только минимально и с большим усилием. Поэтому, основную долю энергии можно сэкономить, если выполнить все операции очень быстро.

Напряжение и ток как функции времени, во время запуска

Во время пауз передачи данных некоторая часть схемы может быть полностью отключена, другая часть схемы должна работать постоянно. Это пороговые переключатели, которые активируют передачу данных, и таймеры, которые вызывают определенные периодические мероприятия. Например, чтение датчиков, когда происходит изменение определенного напряжения или состояния сигнала. Доля потребления энергии этих схем доминирует над всей потребностью в энергии и поэтому должны подвергаться особенно агрессивной оптимизации. Таймеры сенсорных модулей СТМ100 или STM250, разработанных EnOcean, которые потребляют лишь около 20 nA, являются хорошим примером экономии энергии.

Таймер, который реализуется аналоговой технологией, полностью отключает все компоненты во время спящей фазы. Эта крайняя оптимизации позволяет, даже в полной темноте, до одной недели использовать запас энергии накопительного конденсатора, расположенного на печатной плате. Быстрое включение и последующее отключение датчиков так же позволяет экономить энергию. Этот подход особенно эффективен в отношении измерения параметров, которые меняются медленно. Как показано на рисунке, можно достичь среднего тока потребления блоков, которое лишь немного выше потребления в спящем режиме.

Если должны быть проанализированы очень динамичные процессы, то для снижения потока передаваемых данных следует применить их предварительную обработку. В этом случае, данные измерений не передаются, а передается только статус, результат обработки или предупреждение. Сенсорный модуль STM 100, к примеру, передает результат измерения только, если его значение изменилось по сравнению с последним переданным результатом измерений, т.к. передача требует значительно больше энергии, чем измерение.

2. Выбор рабочей частоты.

Частота радиосигнала также сильно влияет на производительность системы. Затухания сигнала сильно зависит от частоты, как показано на графике.

Существует разница приблизительно на 8 dB в производительности между частотой 2,4 GHz (ZigBee,Wi-Fi) и 868 MHz, которую использует EnOcean для применения в Европе. Т.е. при равной мощности передатчиков досягаемость более чем в два раза выше для 868 MHz. Это означает, что на частоте 2,4 GHz необходимо в 4 раза больше узлов для достижения равной зоны покрытия. Это значительно увеличивает число компонентов и стоимость установки.

Беспроводные сенсорные сети.

В беспроводных сенсорных сетях на основе энергетически автономных EnOcean радио датчиков подключены к сети питания только повторителей и оконечные узлы. Для жилого дома обычного подхода до двух уровней ретрансляторов бывает достаточно. Это концепция "Умного повтора" продолжает установку "plug & play", сложная конфигурация системы не требуется.

Концепция "Умный повтор" от EnOcean

Для больших зданий, где двухуровневых повторителей не достаточно, EnOcean развивает концепцию "Сотовой маршрутизации", которая адаптирована к требованиям узлов энергетически автономных датчиков. Принципы маршрутизации основаны на двусторонней связи между всеми компонентами. Эта задача решается уже не за счет энергетического бюджета окружающих EnOcean устройств. Концепция маршрутизации также оптимизирована для простой установки. Дополнительные аппаратные средства не используются, сеть построена на принципах самоорганизации.

Концепция "Сотовая маршрутизация" от EnOcean

Прогноз.

EnOcean продукты, доступные ранее, в значительной степени были разработаны в виде отдельных решений, не высоко интегрированных компонентов, доступных на рынке, которые поддерживают все требуемые основные характеристики. Развитие ASIC (СБИС) привело к тому, что с конца 2005г. стало происходить объединение всех специфических требований энергетически автономных радио сенсорных модулей в однокристальные решения. Это дало значительное снижение размеров и стоимости, параллельно с улучшением производительности и гибкости.

Dr. Wolfgang Heller, Product Line Manager, and Frank Schmidt, CTO