آیا برداشت انرژی به معنی رشد اینترنت اشیاء خواهد بود؟

09:0540

این مقاله به جستجوی چالش تامین دائمی توان برای میلیاردها ابزاری است که IOT (اینترنت اشیاء) را شکل می­دهند، می­پردازد و این­که چگونه برداشت انرژی،راه­حلی موثر است.

چالش تامین دائمی توان برای میلیاردها ابزاری که اینترنت اشیا را شکل می­دهند اغلب در بحث­های رشد عنوان می­شود. این مقاله در مورد برداشت انرژی به عنوان راه­ حلی موثر، بحث می­کند.

با گسترش سریع و هوشمندانه بسیاری از اشیاء پیرامون ما – از لامپ­ های برق، وسایل خانگی و خودرو تا حسگرهای پزشکی، ماشین آلات صنعتی و حتی تمامی شهرها- اینترنت اشیاء (IOT) به وضوح در راه است. بر اساس Gartner، انتظار می­رود که تعداد اشیاء IOT متصل به 20.4 میلیارد، یعنی بسیار بیشتر از انسان­هایی که در حال حاضر بر روی زمین زندگی می­کنند، برسد.

با این حال، رشد IOT با چالش­هایی همراه است. یکی از این چالش­ها، تامین انرژی برای این میلیاردها ابزار IOT صرف نظر از موقعیت و کاربردشان است. همچنین تاثیر این حجم از تقاضای انرژی بر محیط باید در نظر گرفته شود.

راه ­حلی که هم ­اکنون می­تواند بر این محدودیت­ها غلبه کند، برداشت انرژی است. با استفاده از این فناوری، انرژی از محیط پیرامون گرفته شده و به الکتریسیته تبدیل می­شود. این انرژی می­تواند از منابع زیادی دریافت شود (مانند لامپ اطراف، ارتعاشات، حرارت یا امواج رادیویی) که در صورت استفاده نشدن از آنها، هدر می­روند.

در IOT، هدف از برداشت انرژی، تولید مقادیر زیاد توان نیست، بلکه جمع ­آوری مقادیر کم توان در هر جایی که یافت شود، است. به عنوان مثال، توان برداشتی از لامپ پیرامون بسته به اینکه منبع نور خارجی با داخلی باشد، معمولاً بین 10µW/cm2 تا 10mW/cm2 است. انرژی تولیدی از حرکت در حدود 10µW/cm2 تا 100µW/cm2 بسته به منبع است ( یعنی بسته به این­که منبع آن انسان یا ماشین باشد). همچنین انرژی حرارتی که می­تواند از بدن انسان جذب شود، حدود 30µW/cm2 و انرژی امواج رادیویی حدود 0.1µW/cm2 است.

به صورت ساده، برداشت انرژی به کسب­ و­کارها اجازه می­دهد که توان IOT را تامین کنند، در حالی که در هزینه و زمانی که باید صرف باتری­ها می­شد، صرفه­جویی می­شود. بر اساس موسسه تحقیقاتی IDTechEx، برداشت انرژی سالانه از کسب ­و­کارهای سراسر جهان از 5 میلیارد دلار تا سال 2022 تجاوز کرده است. اما فناوری چگونه با در نظر گرفتن مسیر رشد پیش رو، شکل می‌گیرد؟

اجزای سازنده سیستم برداشت انرژی

اساساً برداشت انرژی یک فرایند سه­ مرحله ­ایی است: جمع­ آوری، شایسته ­سازی و ذخیره. یک مبدل، انرژی را از منابع (مانند لامپ پیرامون، حرارت، اتعاشات، فشار، امواج رادیویی و غیره) می­گیرد و به انرژی الکتریکی تبدیل می­کند. سپس یک مدار مجتمع (IC) مدیریت توان، ولتاژ الکتریکی ورودی را قبل از ارسال به وسیله ذخیره ­سازی –که معمولاً یک اَبَرخازن است و به عنوان بافر بین توان پایین، منبع انرژی گسسته اولیه، توان بالا و بار پیوسته است، کنترل می­کند تا برای بار مناسب باشد.

بسته به منبع انرژی اولیه، سیستم­های برداشت انرژی از انواع مختلفی از مبدل­ها استفاده می­کنند. به عنوان مثال، برداشت­ کننده­ های انرژی فتوولتائیک، انرژی نور داخلی و خارجی را جذب می­کنند تا کار باتری­ها را تکمیل کنند و حتی آنها را از کاربردهای مصرف­کننده و کاربردهای صنعتی حذف کنند. همچنین مبدل­های پیزوالکتریک هنگامی که یک فشار مکانیکی در اثر فشار یا حرکت به آنها اعمال میشود، ولتاژ تولید می­کنند. با ایجاد لرزش در اتومبیل، هواپیما، تجهیزات خودکار و حتی بدن انسان، این مبدل­ها می­توانند تعداد زیادی از وسایل IOT را تغذیه کنند. PPA-1021 از Mide یک مبدل پیزوالکتریک 0.74 میلی­متری است که با گرفتن انرژی ارتعاشی، توان DC برابر با 4.5mW با ولتاژ 28.2V تولید می­کند.

هنگامی که اختلاف دما در محل اتصال دو فلز غیرمشابه وجود دارد، مبدل­های ترموالکتریک با استفاده از حرارت ناشی از تلفات، توان تولید می­کنند- پدیده­ای که با عنوان اثر سیبک شناخته می­شود. ماژول برداشت­ کننده حرارتی TE-CORE برای دریافت حرارت حاصل از تلفات موضعی، طراحی شده و حرارت را به الکتریسیته تبدیل می­کند. این ماژول با اختلاف دمای کمتر از 10 درجه سانتیگراد کار می­کند و خروجی بین 1.8 ولت تا 4.5 ولت تولید می­کند.

مدیریت توان برداشت­شده (جمع­آوری­شده)

برای آماده نمودن انرژی برداشت­ شده و حفظ منبع توان پایدار برای بار متصل­ شده، ابزار برداشت انرژی نیاز به برخی مدارات مجتمع مدیریت توان (PMIC) دارد. مدار مجتمع مدیریت توان (PMIC) برداشت انرژی S6AE101A  از شرکت Cypress نیاز به جریان و توان شروع به کار به ترتیب 250 nA و 1.2 µW  دارد.

با استفاده از این تراشه، سلول­های خورشیدی فشرده در شرایط نور کم حدود 100lx (100 لوکس) می­توانند توان کافی برای راه­ اندازی ابزارهای IOT را فراهم کنند. همان­طور که در شکل 1 نشان داده شده است، این تراشه، توان تولیدی را با استفاده از یک کلید کنترلی، در یک خازن خروجی ذخیره می­کند. اگر توان سلول­های خورشیدی برای بار متصل­ شده کافی نباشد، این تراشه، توان را از ذخیره باتری، تامین می­کند. به عنوان یک حسگر بی­سیم فاقد باتری با قابلیت محافظت در برابر ولتاژ بالا (OVP)، کاربردهای این تراشه شامل حسگرهای بیسیم برای HVAC، سیستم­های نوردهی و امنیت، حسگرهای هوشمند دارای بلوتوث است.

شکل 1. سیستم مدیریت توان برای برداشت­کننده توان خورشیدی بر اساس یک مدار مجتمع مدیریت توان S6AE101A از شرکت Cypress. تصویر از شرکت Cypress گرفته شده است.

LTC3588-2 که دارای فناوری خطی است، مدار مجتمع مدیریت توان برداشت ­کننده انرژی دیگری است که برای ارتباط مستقیم با مبدل های پیزوالکتریک، خورشیدی یا مغناطیسی طراحی شده است. این تراشه می­تواند شکل موج­های ولتاژ را تقویت کرده و انرژی جمع­آوری­شده را در خازنی خارجی ذخیره کند. این تراشه هر گونه توان اضافی را توسط یک تنظیم ­کننده موازی داخلی می­گیرد، در حالی که ولتاژ خروجی را توسط یک تنظیم ­کننده سنکرون توان پایین با بازدهی بالا، تنظیم می­کند. این تراشه با چهار ولتاژ قابل گزینش خروجی 3.45 ولت، 4.1 ولت، 4.5 ولت و 5.0 ولت، می­تواند جریان خروجی پیوسته 100mA را تامین کند. برای حفاظت در برابر اضافه ولتاژ، این تراشه دارای یک مقاومت موازی محافظ ورودی است که ولتاژ آن 20 ولت است. از جمله کاربردهای بالقوه این تراشه، حسگرهای فشار تایر و ردیابی ابزار همراه را می­توان نام برد.

برای شارژ و محافظت از سلول­های ذخیره­ سازی توان پایین، شرکت سازنده مدارات مجتمع Maxim، مدار مجتمع مدیریت توان MAX17710 را با یک مدار تنظیم ­کننده تقویت ­کننده عرضه می­کند. این تراشه که در یک بسته UTDFN با 12 پایه تعبیه شده، برای منابعی که به خوبی تنظیم نشده ­اند، مانند منابعی که معمولاً در سناریوهای برداشت انرژی با سطوح ولتاژ پایین 0.75 ولت استفاده می­شوند، کاربرد دارد. MAX17710 که محدوده توان خروجی آن از 1µW تا 100mW است، شامل یک تنظیم ­کننده داخلی برای محافظت در برابر اضافه ولتاژ نیز است. ولتاژهای خروجی که برای کاربردهای هدف استفاده می­شوند، با استفاده از تنظیم­ کننده خطی با خروجی پایین (LDO) با ولتاژهای قابل انتخاب 3.3 ولت، 2.3 ولت یا 1.8 ولت، تنظیم می­شوند. تنظیم ­کننده خروجی با توان قابل انتخاب پایین یا بسیار پایین کار می­کند تا کشیدن توان از سلول، حداقل شود.

شکل 2. برداشت انرژی برای شارژ سلول­های ذخیره توان پایین با استفاده از MAX17710 از شرکت Maxim. تصویر از شرکت مدار مجتمع Maxim گرفته شده است.

توان مناسب دائمی

اَبَرخازن­ ها با ظرفیت ­های ذخیره توان بالا، بسته به برداشت انرژی، توان ثابتی را برای بارهای پیوسته موجود در وسایل فراهم می­کنند. ابرخازن­های سری DMH که توسط Murata تولید می­شوند، با عرضه سطوح ظرفیتی بالا، هم به عنوان بافر انرژی و هم کمک­ کننده به تامین حداکثر توان برای چنین وسایلی هستند. این ابرخازن­ ها با ظرفیت 35mF، ولتاژ نامی 4.5V و مقاومت الکترواستاتیکی (ESR) 300m Ω  با ابعاد بسته 20mm x 20mm x 0.4mm برای مواردی که کمبود فضا و طول عمر باتری کم است، مناسب هستند. این خازن ها با شکل ظریف کاغذی مانند، می­توانند زیر سلول باتری سکه­ ایی درون یک کارت هوشمند یا پشت صفحه نمایش یک دستگاه قرار گیرند. کاربردهای مهم این خازن شامل فناوری قابل پوشش، سیستم­های کوچک، قرائت ­کننده­ های الکترونیکی و ابزار هوشمند ورودی/خروجی کوچک است.

ایجاد محصولات جدید

eZ430-RF2500-SHE که یک وسیله برداشت­کننده انرژی خورشیدی از شرکت ابزار Texas است، به مهندسان طراح اجازه می­دهد که یک شبکه حسگر بی­سیم با تغذیه دائمی را ایجاد و آزمایش کنند. این وسیله که توسط یک MCU با توان بسیار پایین کار می­کند، دارای صفحه خورشیدی با بازدهی بالا است که توان لازم برای کار یک حسگر بی­سیم را بدون نیاز به باتری اضافه، حتی در شرایط نوردهی داخلی فراهم می­کند.

تراشه ارائه شده توسط Wurth Electronics نیز با عرضه برداشت انرژی، مدیریت انرژی و ذخیره انرژی در یک بسته، وسیله­ ای کامل است. این تراشه شامل سلول خورشیدی (32mm x 50mm) و مولد حرارتی (40mm x 40mm) به عنوان دو منبع برداشت انرژی بوده و شامل یک MCU از نوع EFM32 Giant Gecko است که از یک هسته 48MHz ARM CortexTM M3 استفاده می­کند.

با استفاده از فناوری­ های برداشت انرژی که نویدبخش استفاده از انرژی پاک در همه جا است، محققان مشغول بررسی امکانات کاربردی جدید هستند. در یکی از این موارد، دانشمندان دانشگاه میشیگان (Michigan) با ساخت وسیله­ ای که انرژی را از ضربان قلب انسان برداشت می­کند، به قلب فناوری دست یافته­ اند، در نتیجه می­توان یک دستگاه تنظیم ضربان­ قلب یا الکتروشوک تعبیه­ شده را فعال کرد. ساخت این دستگاه می­تواند به صورت بالقوه هم خطر و هم دردسر مربوط به باتری­های جایگزین دوره­ای برای تجهیزات پزشکی مهم را از بین ببرد. همچنین محققان بر روی برداشت انرژی از حرارت، حرکت و ارتعاش بدن انسان برای تامین توان دستگاههای IOT قابل کشت، کار می­کنند. انرژی به وفور در همه جا وجود دارد، اما در حال حاضر، این انرژی به صورت توان، قابل استفاده نیست. برداشت انرژی، این شکاف را پر می­کند و در نتیجه نقش مهمی در تمام تلاش­های آینده ما ایفا خواهد کرد. 


73 نوشته

بدون دیدگاه

پاسخ دهید

فیلدهای مورد نیاز با * علامت گذاری شده اند