Energy Harvesting kann 1 Billion batterielose Sensoren im IoT ermöglichen

Drahtlose IoT-Sensorgeräte können auf, in oder in der Nähe von Menschen, Geräten, Infrastruktur und unserer Umgebung platziert werden. Dies gibt uns neue Werkzeuge an die Hand, um die dringendsten Herausforderungen unserer Welt des 21. Jahrhunderts anzugehen:vom Klimawandel über die Gewährleistung sauberer Energie und sicherer Lebensmittel bis hin zur Sorge um die Gesundheit und das Wohlbefinden einer alternden Bevölkerung. Um dies zu erreichen, müssen wir jedoch die Lücke „Powering the IoT“ schließen. Das heißt, Lösungen müssen mit Batterien betrieben werden, die die IoT-Geräte, die sie mit Strom versorgen, überleben.

Dieser Artikel untersucht den entscheidenden Beitrag, den Energy Harvesting (EH)-betriebene Lösungen für das IoT leisten können. Von den Billionen Sensoren, die in den nächsten Jahren eingesetzt werden könnten, wird eine deutliche Mehrheit drahtlose Ultra-Low-Power-Sensoren (ULP) sein. Dies sind auch die besten Kandidaten für EH, die entweder die externe Stromversorgung ergänzen oder als unabhängige Stromquellen dienen können.

Der Ansatz, den wir für die Stromversorgung des IoT verfolgen, ist entscheidend, um so viele der Technologien zu ermöglichen, die unsere Welt jeden Tag verändern. Beispielsweise werden vernetzte und autonome Fahrzeuge (CAV) auf eine zuverlässige und allgegenwärtige Sensorik mit Konnektivität sowohl mit hoher als auch mit niedriger Bandbreite angewiesen sein, was alles eine erhöhte Leistungsdichte und Gewichtsreduzierung erfordert – zwei Dinge, die ein energieautarker, drahtloser Sensor haben Netzwerkunterstützung.

Kosten

Ein großer Mehrwert von EH besteht darin, Systemenergie am Verbrauchsort bereitzustellen/zu ergänzen, indem Umgebungsenergie in der Betriebsumgebung erfasst wird. Die Berechtigung und der Erfolg von EH-Implementierungen, insbesondere in Bezug auf die Gesamtbetriebskosten, hängen stark von der Methode zur Berechnung der Amortisation ab. Beispielsweise könnte das Hinzufügen von 3 bis 5 US-Dollar zu einer Systemstückliste für EH-Funktionen verrückt erscheinen, wenn man es mit einer Einweg-Knopfzelle vergleicht, die ungefähr 0,25 US-Dollar kostet. Auch wenn Umwelt- und Nachhaltigkeitsfaktoren vernachlässigt werden, gibt es bei der Finanzanalyse einiges zu beachten. Wenn diese Batterie jemals ersetzt werden muss, dann können allein die Arbeits-/Zugangslogistikkosten die Einsparungen der Knopfzellen um Größenordnungen zunichte machen – Gott bewahre, wenn sich diese Batterie in einer rauen und/oder unzugänglichen Umgebung befindet, wie z. B. einer Betonwand, hohe Decke, menschlicher Körper oder tiefe Ölquelle.

Umgebungsenergie

EH beinhaltet die Nutzung verfügbarer Umgebungsenergien – Wärme, Vibrationen, Licht – für Energiequellen. Es gibt einen Sweet Spot, von etwa einem Mikrowatt bis zu einigen hundert Mikrowatt, wo es die „doppelte Auswirkung“ einer deutlich geringeren Belastung der vorhandenen Stromquelle und einer erhöhten Realisierbarkeit für die Nutzung von Umgebungsenergien von Erntemaschinen angemessener Größe gibt. Dies kann die Batterielebensdauer erheblich verlängern und in einigen Fällen sogar zu vollständiger Energieautonomie führen. (Dies wird in einer kürzlich erschienenen EU-Veröffentlichung diskutiert und ist in Abbildung 1 dargestellt. ⁱ )

Eine zentrale Herausforderung bei der Integration von EH in das Systemdesign ist der Umgang mit Energiequellen, die von Natur aus ziemlich sporadisch sein können. Sie benötigen Energiespeicher- und Energieverwaltungsgeräte/Schaltkreise, um die Energie einzufangen und für eine spätere Nutzung verfügbar zu machen. Es müssen nicht nur einzigartige technische Anstrengungen unternommen werden, um die Leistungsentnahme aus der Umgebungsspülung zu bewältigen, sondern viele dieser Anforderungen können für jede EH-Methode unterschiedlich sein. Mit anderen Worten, die Erfassung von Rohenergie aus dem EH-Wandler und die Anforderungen an die Energieumwandlung/-verwaltung/-regulierung sind für Photovoltaik (PV) anders als für thermoelektrische Generatoren (TEG) oder Vibrationsernte. Selbst die Stromversorgung verschiedener Arten von PV-Zellen kann je nach Technologie stark variieren. Der allgemeine Ansatz wird in der Regel von der Art der rohen, geernteten Energie bestimmt, sei es Gleichstrom (PV, TEG) oder Wechselstrom (Vibration, triboelektrisch, HF).

PV-Zellen wandeln direkt Lichtenergie von der Sonne und/oder künstlichen Quellen um, während ein TEG Energie aus einem Temperaturunterschied extrahiert, um elektrische Energie zu erzeugen. Vibrations- (elektrodynamische oder piezoelektrische) und triboelektrische Quellen werden von physikalischen Bewegungen abgeleitet. Die HF-Erfassung beinhaltet typischerweise die Verwendung einer Gleichrichterantenne (Rectenna) und eines Ausgleichsnetzwerks und dann, wie üblich, die Einspeisung in einen DC/DC-Wandlungsblock.

Eine optimale, EH-fähige Systemlösung kann ein Maximum Power Point Tracking (MPPT) und/oder eine sorgfältig kontrollierte Impedanzanpassung erfordern, um ihr maximales Energiepotenzial voll auszuschöpfen. Außerdem liegen viele Umgebungsenergien auf sehr niedrigen Leistungs- und Spannungsniveaus. Die meisten handelsüblichen (COTS) Power-Management-ICs (PMICs) sind nicht in der Lage, Energien unter 10 μW und 100 mV in nutzbare Elektrizität umzuwandeln. Ein Beispiel für Bemühungen der Forschungsgemeinschaft, dieses Problem zu lösen, ist die MISCHIEF-Plattform, die vom Tyndall National Institute (Cork, Irland) entwickelt wird. MISCHIEF ist ein innovativer hocheffizienter PMIC mit niedrigem Ruhestrom, der in der Lage ist, einen beispiellosen Bereich von Umgebungsenergien zu bewältigen, insbesondere im Sub-10-μW-Bereich, der bisher unbrauchbar war. Es ist modular und hochgradig konfigurierbar, so dass es einfach ist, neue Schaltungsblöcke hinzuzufügen und/oder Sollwertbereiche anzupassen. Es verfügt auch über eine digitale Schnittstelle, die es ihm ermöglicht, mit anderen Komponenten zu interagieren, um deren Betriebsmodus (Schlafen, Standby, Erfassen, Übertragen, Verarbeiten) dynamisch anzupassen. Dies minimiert ihren Stromverbrauch und erfüllt gleichzeitig die Anforderungen der Anwendung.

Die Energiespeicherung ist für intermittierende Energiequellen von entscheidender Bedeutung, da sie einen Puffer zur Bewältigung des Spitzenbedarfs bietet, sodass die vorgeschaltete Stromquelle nur den Dauerzustand des Systems und nicht den Spitzenleistungsbedarf im schlimmsten Fall decken muss.

Erstellen eines EH-Ökosystems

Mitwirkende in den Power IoT- und EH-Communities – Entwickler, Hersteller von Materialien und Geräten sowie Installateure, Integratoren und Endbenutzer – haben in der Regel in isolierten Umgebungen gearbeitet. Damit EH jedoch erfolgreich in Mainstream-Anwendungen vordringen kann, müssen EH-Wandler-Leute eng mit Power-Management- und Energiespeicher-Leuten zusammenarbeiten, geschweige denn mit den vielen anderen Anbietern und Endbenutzern von Low-Power-Systemkomponenten. Dies gilt insbesondere für viele Sensornetzwerk-Anwendungen mit geringem Stromverbrauch, auf die sich dieser Artikel konzentriert.

An der Macht .

Referenzen:

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

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

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

iv. M. Hayes und B. Zahnstecher, „The Virtuous Circle of 5G, IoT and Energy Harvesting“, in IEEE Power Electronics Magazine , Bd. 8, Nr. 3. September 2021