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(IOT) 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.
برای خواندن مطالب بیشتر در این زمینه میتوانید به مقالات چرا فناوری اينترنت اشيا مي‌تواند بازه وسيعي از را‌ه‌حل‌ها را ارائه كند؟ و
تاثير فناوری های اينترنت اشيا و 5G بر روي بلاك‌چين را مطالعه بفرمایید.
همچنین لطفا مارا در شبکه اجتماعی لینکدین همراهی بفرمایید.
