Технология сбора энергии вызывает большой интерес и привлекает внимание многих конструкторов, особенно в индустрии Интернета вещей (IoT). Перспектива сбора энергии из окружающей среды кажется интригующей, во многих устройствах она позволяет исключить внешний источник питания, что упрощает конструкцию и эксплуатацию. На текущем этапе развития этой технологии можно собирать энергию из множества различных источников, таких как электромагнитное излучение, свет, тепло или вибрации, а затем преобразовывать ее в электричество. Давайте познакомимся с доступными сегодня решениями.
В концепции сбора энергии из окружающей среды, с последующим преобразованием ее в электричество нет ничего нового – она широко используется во всех типах возобновляемых источников энергии, таких как ветряные турбины, солнечные батареи или гидроэлектростанции. В данном случае идея сбора энергии предполагает сбор в гораздо меньших масштабах для питания одного конкретного устройства. В результате система не нуждается в каких-либо других источниках энергии для работы, например батарейках или электросети 220 В.
Концепция сбора энергии хорошо сочетается с развитием технологии Интернета вещей и всех типов мобильных и носимых устройств. Обширные интеллектуальные системы состоят из растущего числа независимых датчиков с батарейным питанием. По мере увеличения размеров этих систем становится все более и более проблематичным периодически обслуживать их, например заменять или перезаряжать источники питания. В некоторых устройствах, таких как медицинские имплантаты, это вообще невозможно сделать неинвазивным способом. Поэтому разработка и внедрение эффективных методов сбора энергии из окружающей среды является не столько возможностью, сколько необходимостью, вызванной постепенным распространением электронных систем в окружающей среде и их миниатюризацией.
Весь процесс сбора и использования энергии можно разделить на 4 основных этапа:
- Сбор доступной энергии в непосредственной близости от устройства;
- Преобразование собранной энергии в электричество;
- Преобразование энергии в схеме питания устройства;
- Использование собранной энергии для питания.
В настоящее время наиболее популярным способом сбора электроэнергии является использование фотоэлектрических элементов. Но во многих случаях их использование невозможно, например из-за отсутствия солнечного света или небольшого размера схемы. Другими популярными и доступными методами являются использование электромагнитного излучения, вибраций или термоэлектрических процессов.
Для устройств Интернета вещей одним из основных требований к конструкции обычно будет небольшой размер микросхемы. Кроме того, важны устойчивость к условиям окружающей среды, эксплуатационная надежность и низкая стоимость. По этой причине невозможно использовать решения на основе энергии ветра в системах IoT.
Энергия вибрации
Кинетическая энергия колебаний возникающих в среде системы, может быть использована в качестве источника электричества. Есть 3 метода преобразования этой энергии: электромагнитный, электростатический и пьезоэлектрический.
Электромагнитный метод использует явление электромагнитной индукции и т.н. эффект Виллари, или обратное явление магнитострикции. Этот эффект заключается в изменении магнитных параметров ферромагнетика из-за его деформации. В результате механическая энергия колебаний преобразуется в энергию магнитного поля, которая затем преобразуется в электрическую энергию с помощью катушки.
Электростатический метод требует использования электретов, то есть материалов с постоянной дипольной поляризацией, которые являются электрическим эквивалентом постоянного магнита. Вибрации передаются на поверхность электрета, генерируя заряд за счет так называемого трибоэлектрический эффект – явление генерации электрического заряда за счет трения или деформации материалов с электростатическими свойствами.
Пьезоэлектрический метод использует пьезоэффект. Электрические заряды возникают на поверхности некоторых материалов (пьезоэлектриков) под действием механических напряжений. Эти напряжения могут быть вызваны вибрациями, распространяющимися в окружающей среде, что приводит к прямому преобразованию механической энергии в электрическую.
Для каждого из этих методов важным элементом конструкции системы является прогнозируемая модель вибраций, воспринимаемых устройством. Частота колебаний, возникающих в окружающей среде, обычно довольно низкая, обычно не превышает 200 Гц. В случае вибрации элементов инфраструктуры, таких как мосты или другие элементы конструкции, а также вибраций, создаваемых человеческим телом, частота обычно составляет менее 5 Гц. Амплитуда таких колебаний также не слишком велика. Кроме того, значения частоты и ускорения могут значительно изменяться случайным образом со временем.
Для эффективного проектирования систем необходимо использовать технологию MEMS, которая позволяет создавать и интегрировать микроскопические механические структуры (например конденсатор) в электрические цепи, способные преобразовывать энергию колебаний в электрическую.
Развитие методов получения энергии от вибрации также связано с работами по усовершенствованию и производству материалов, необходимых для построения систем этого типа. Каждый из описанных методов требует использования материалов с соответствующими электрическими или магнитными свойствами. Эти вещества часто относятся к группе редкоземельных элементов, что значительно увеличивает стоимость. Но работа по получению новых материалов с улучшенными свойствами ведется, и большие надежды возлагаются на нанотехнологии.
От систем сбора энергии требуется высокая устойчивость к условиям окружающей среды и надежная работа. Но в случае схем преобразования энергии вибрации свойства используемых материалов могут неблагоприятно измениться в процессе производства системы или на этапе ее дальнейшей эксплуатации. Например пьезоэлектрик может потерять значительную часть своих свойств в результате микроскопических трещин или повреждения кристаллической структуры, из которой состоит материал. Это, в свою очередь, приведет к снижению количества электроэнергии вырабатываемой этим элементом. Чтобы эффективно противодействовать этому типу эффектов, все же необходимо углубить понимание сущности процессов и явлений, происходящих в этих материалах, в том числе на теоретической основе.
Для эффективного внедрения этого типа методов в больших масштабах необходимо также получить высокую повторяемость характеристик материалов, производимых с целью проектирования систем, а также разработать эффективные и стандартизированные методы их тестирования. Работа над документами по стандартизации в настоящее время ведется одним из комитетов Международной электротехнической комиссии (IEC). Такая стандартизация не только позволит разработать механизмы объективной оценки систем от разных производителей, но также позволит распространять передовой производственный опыт и прогресс в исследованиях и разработках этой технологии.
Энергия радиоволн
Радиоволны это один из видов электромагнитного излучения – большинство нормативных актов и публикаций классифицируют их как излучение с частотой ниже 3000 ГГц (3 ТГц). Современный уровень развития цивилизации привел к значительному увеличению различных видов электромагнитного излучения. Каждый из таких выбросов связан с передачей энергии, которая может быть получена и преобразована соответствующими принимающими системами для дальнейшего использования.
Одним из наиболее распространенных примеров использования радиоволн для передачи энергии и питания устройства является процесс беспроводной зарядки телефонов. Там радиоволны специально генерируются для питания схемы, а расстояние между передатчиком и приемником невелико. Но случайные излучения имеющиеся в окружающей среде также могут быть успешно использованы для получения электроэнергии, например из обычно используемых диапазонов GSM или ISM.
Высокая частота принимаемого сигнала способствует миниатюризации схем сбора энергии, в частности размера приемных антенн. Это несомненное преимущество, потому что в большинстве устройств размер и вес являются критическими факторами, имеющими большое значение для конструкторов. Цепи для преобразования энергии, получаемой от радиоволн, в принципе аналогичны схемам, рассмотренным в предыдущем разделе преобразования энергии из вибраций, но они требуют решения проблем связанных с высокой частотой принимаемого сигнала, таких как низкая эффективность преобразования напряжения. Правда с развитием технологии 5G сбор энергии радиоволн с более высокими частотами будет становиться все более привлекательным решением, позволяющим еще больше уменьшить размер.
Выпрямительные антенны – это антенны, оборудованные интегрированными схемами обработки и выпрямления сигналов, генерирующими на выходе постоянное напряжение в результате преобразования энергии электромагнитной волны, принятой схемой. Выпрямительная антенна обычно состоит из трех блоков: антенны, согласующего сопротивления и выпрямителя. Почти всегда (особенно при низком уровне генерируемой мощности) энергия доступна только периодически или ее недостаточно для прямого питания цепей нагрузки, используются дополнительные аккумуляторы энергии, чаще всего конденсаторы или суперконденсаторы.
Эффективность процесса сбора и преобразования энергии радиоволн зависит в первую очередь от эффективности двух элементов: антенны и схемы преобразования напряжения (выпрямителя). Еще предстоит большая работа по повышению эффективности обоих этих элементов, но одно из перспективных направлений – использование новых типов полупроводниковых материалов (например, арсенида галлия) при создании выпрямительных диодов. В настоящее время эта тема представляет интерес для многих исследовательских групп и предприятий электронной промышленности, поэтому в ближайшем будущем следует ожидать значительного прогресса в ее развитии.
Термальная энергия
Анализы показывают, что до 70% общего количества энергии, полученной и произведенной человеческой цивилизацией, в конечном итоге рассеивается в виде тепла, что очень часто приводит к потерям и снижению энергоэффективности выбранных систем. В большинстве случаев полученная таким образом температура не превышает 100 ° C, поэтому не представляет угрозы для электронных схем. Выделяемая в виде тепла энергия может быть преобразована обратно в электричество с помощью подходящих систем преобразования.
Одной из основ этой концепции является эффект Зеебека, который заключается в развитии электродвижущей силы в цепи, содержащей два металла или полупроводника, когда их соединения находятся при разных температурах. Это явление используется и в термопаре. Если существует разница температур между двумя концами проводника, существует также разница в электрическом потенциале или напряжении, пропорциональная температуре. Каждый из материалов характеризуется разной величиной увеличения напряжения в зависимости от разницы температур – эта пропорция известна как коэффициент Зеебека.
Для практического применения в системах накопления энергии лучше всего подходят материалы с самым высоким коэффициентом Зеебека. Среди природных металлов и их соединений трудно найти достаточно хорошие, поэтому необходимо разработать новые вещества. С этой целью ведется большая работа в области материаловедения и нанотехнологий.
Эластичные материалы органического происхождения также привлекают большое внимание, поскольку они, как правило, являются особенно привлекательным решением для носимых устройств. Одно из их самых больших преимуществ – способность свободно менять форму, что увеличивает эффективную площадь накопления энергии.
На практике аккумулятор тепловой энергии реализован в виде параллельного включения ряда термопар, что позволяет увеличить величину генерируемого выходного напряжения. Один из концов схемы, так называемый холодный спай, обычно прикрепляется к радиатору для увеличения температурного градиента. Так называемые теплый спай ставится как можно ближе к источнику тепла. На эффективность влияет не только тип материалов используемых в конструкции термопар, но и их геометрия (количество, толщина и длина термопар), что позволяет оптимизировать как значения теплопроводности, так и сопротивления.
Большинству электронных схем для правильной работы требуется стабильное напряжение питания не менее 1 В. Выходное напряжение аккумулятора тепловой энергии пропорционально разнице температур на его переходах, поэтому желательно получить как можно большую эту разницу. Но на практике это значение обычно мало, что фактически препятствует прямому использованию выходного сигнала. Кроме того, изменение температурного градиента со временем приведет к нестабильности получаемого напряжения питания. Поэтому для правильной работы такого типа системы необходимо использовать схему повышения и стабилизации напряжения. Каждая схема преобразования напряжения имеет минимальное значение входного напряжения, необходимое для ее правильной работы, она также характеризуется определенной эффективностью преобразования. Таким образом, основные проблемы при разработке системы аккумулирования тепловой энергии состоят в том, чтобы удовлетворить эти минимальные требованиям и получить необходимую выходную мощность для питания устройства.
Как и в случае с другими системами накопления энергии, когда невозможно обеспечить прямое, стабильное и непрерывное питание, необходимо использовать схему накопления энергии в виде конденсатора или батареи.
Сбор энергии – одно из самых перспективных направлений современной электроники. С миниатюризацией схем и уменьшением их спроса на ток становится все проще и легче получить необходимое электропитание путем преобразования световой, механической или тепловой энергии с помощью схем, встроенных в устройство. Эффективная реализация этого решения дает множество преимуществ – уменьшение размера, веса и стоимости устройства, упрощение эксплуатации и продление срока службы. Разработка систем, способных собирать и преобразовывать энергию из различных источников, несомненно будет способствовать дальнейшей популяризации систем IoT.
Независимо от типа используемой энергии каждая система, предназначенная для ее сбора, должна состоять из преобразователя, то есть элемента, преобразующего выбранную энергию в электричество, и схемы обработки сигнала, которая генерирует выходной сигнал, полезный для питания устройства. Эффективность всего процесса зависит от эффективности этих двух элементов. Постоянно идёт работа по разработке новых технологий и материалов, повышающих эффективность процесса преобразования и преобразования энергии, что в ближайшем будущем должно привести к дальнейшему увеличению возможностей систем этого типа.
Важнейшим аспектом проектирования такой системы является правильное управление доступной энергией. Для этого необходимо определить потребности устройства, а также доступные объемы хранения. Пример такого расчета показан на рисунке. Тут показана диаграмма энергопотребления гипотетического устройства с солнечным питанием. Предполагалось, что представленная система сбора энергии способна обеспечить ток питания 50 мкА при наличии солнечного света. Средняя потребляемая мощность системы 10 мкА. Таким образом, в течение дня устройство имеет избыток тока в 40 мкА, который можно использовать для зарядки накопителя энергии. Разряжается он в ночное время при среднем токе 10 мкА.
Этот пример показывает одну из основных проблем с которыми сталкиваются разработчики устройств использующие концепцию сбора энергии. Количество энергии, собираемой из окружающей среды, должно быть достаточным для удовлетворения потребностей схемы. Необходимо учитывать дополнительные факторы, такие как ограниченная емкость накопления энергии, потери при накоплении и изменения старения.
Еще один важный аспект – минимизация потребления энергии устройствами. Для этого необходимо объединить аппаратные меры, то есть выбор энергоэффективных компонентов и программного обеспечения, отключив неиспользуемые системные ресурсы и используя режимы низкого энергопотребления процессора.
Два класса схем сбора
Существует два основных класса систем, которые используют доступную в окружающей среде энергию, различающуюся способом ее хранения.
- Первый тип способен накапливать энергию в течение продолжительного периода времени с использованием устройств хранения с низкими потерями и относительно большой емкости, таких как тонкопленочные литиевые элементы. Непрерывная работа достигается за счет достижения баланса между периодами заряда и разряда как показано ранее на рисунке. Эта концепция очень гибкая, позволяя использовать даже энергоемкие схемы в течение коротких периодов времени. Такие системы проводят значительно больше своего рабочего времени в глубоком сне, просыпаясь в ответ на внешние раздражители или выполняя определенную задачу.
- Другой тип систем большую часть времени остается в отключенном состоянии. Получив прилив энергии, он включается, выполняет свою задачу на основе доступных ресурсов и снова переходит в выключенное состояние. В этих типах устройств используются складские помещения с малым временем зарядки и разрядки, например конденсаторы и суперконденсаторы. Непрерывная работа осуществляется путем уравновешивания количества энергии, накопленной за короткий период, чаще всего в результате события запускающего работу системы и энергии, необходимой для выполнения задачи. Примером этого типа устройства является беспроводной выключатель света, который использует энергию, генерируемую вибрацией механического переключателя, для передачи радиосигнала.
Перезагрузка после запуска
Одна из проблем которую необходимо решить при разработке устройства, использующего концепцию сбора энергии, связана с процедурой запуска системы после ее предыдущего отключения. Способность пережить перезагрузку, которая может возникнуть, в частности, из-за от случайных падений напряжения питания, важна для долгосрочной надежности устройства.
Большинство встроенных систем требуют надлежащего хранения и транспортировки, прежде чем они попадут в руки конечного пользователя и будут введены в эксплуатацию конечным пользователем. Во время этих действий эти системы обычно не могут накапливать энергию, которая могла бы поддерживать их работу. Если бы они были включены, это быстро истощило бы всю накопленную энергию, что могло бы привести к повреждению элементов хранения, таких как батареи.
Решением этой проблемы является создание «режима хранения» – состояния, в котором компонент накопления энергии отключен от остальной системы до тех пор, пока он не будет запущен. Для этого можно использовать шунтирующую цепь, которая может быть элементом системы управления аккумулятором.
Большинство встроенных систем потребляют намного больше энергии во время процедуры ввода в эксплуатацию, чем при нормальной работе позже. Система сбора энергии обычно не может обеспечить достаточный уровень энергозатрат для обеспечения процесса запуска. Поэтому часто бывает необходимо отложить отправную точку до тех пор, пока на складе не будет собрано достаточное количество энергоресурсов.
В случае отключения электроэнергии накопитель энергии остается отделенным от остальной схемы схемой защиты аккумулятора. Собранная энергия заряжает конденсатор, который затем будет использоваться для выработки энергии во время процедуры запуска. Монитор напряжения питания и стабилизатор будут обеспечивать питание схемы, позволяя ей запускаться только после того, как конденсатор достигнет соответствующего уровня заряда, обозначенного определенным значением напряжения. При достижении этого значения запуск дополнительно задерживается программируемой схемой задержки. После запуска схема переходит в режим пониженного энергопотребления. После определения соответствующего напряжения на конденсаторе схема защиты батареи подключает накопитель энергии к остальной части, обеспечивая непрерывную бесперебойную работу.
Продление срока службы микросхем
Даже самый лучший чип имеет ограниченный срок службы, по истечении которого он перестанет работать. Это событие может быть вызвано одной или несколькими потенциальными причинами. Наиболее важные это старение компонентов и связанное с ним снижение эффективности сбора энергии из окружающей среды, а также снижение емкости накопления энергии. Осведомленность об этих рисках позволяет вводить более эффективные меры противодействия на этапе проектирования и продлевать срок службы.
Для защиты аккумуляторов важно обеспечить им соответствующие условия работы, например, избегая чрезмерной разрядки. Одним из популярных методов является подключение разделительного конденсатора параллельно с батареями, что позволяет исключить кратковременные колебания зарядного тока.
Большинство систем также подвержены механическим повреждениям, поэтому рекомендуется снабдить их соответствующим защитным кожухом, защищающим от вредного воздействия окружающей среды. Конечно важно провести обширные системные тесты, которые позволят обнаружить и устранить многие потенциальные программные и аппаратные ошибки еще до стадии производства.
Выбор батарей питания
Обычные батареи, такие как литиевые элементы или AA, уже много лет используются во встроенных схемах. Недавно на рынке появилась новая альтернатива – тонкопленочные элементы. Выбор правильного накопителя энергии означает для проектировщиков необходимость найти компромисс между размером, стоимостью и безопасностью. С ценовой точки зрения наиболее привлекательным решением являются небольшие ячейки (типа таблетки). Но их использование влечет за собой скрытые затраты связанные с коротким сроком службы и, как следствие, частой заменой компонента. Если принять во внимание, что срок службы тонкопленочного элемента примерно в 30 раз больше, чем у элемента CR2032, первоначальная более высокая стоимость покупки быстро окупится.
Тонкопленочные элементы также отличаются лучшей емкостью и небольшими габаритами (толщина менее 1 мм). Они не представляют угрозы для безопасности схемы, так как небольшое количество лития, которое они содержат, не представляет опасности в плане взрыва или пожара.
В общем технология сбора энергии уже приобрела популярность, и в ближайшие годы ожидается ее дальнейшее распространение. Правильно спроектированные встроенные системы, благодаря сбору энергии из окружающей среды, способны непрерывно выполнять свои функции в течение нескольких десятков лет. Но конструкция этого типа системы требует решения проблем, в первую очередь связанных с управлением и обработкой накопленной энергии, а также с ее эффективным хранением с малыми потерями.
