Документ описывает технологии абсорбции энергии для автономных устройств, включая использование солнечной, тепловой и вибрационной энергии. Обсуждаются технологические разрывы и решения, направленные на оптимизацию энергообеспечения для IoT-систем. Приведены примеры комбинированных источников энергии и систем сбора данных с учетом ограничений по потреблению энергии.

1. Абсорбция энергии
для электропитания
автономных устройств
Андрей Дюсьмикеев

2. Андрей Дюсьмикеев
Директор компании МедиуМ, математик, инновационный
предприниматель, солнечный инженер
Национальный эксперт по солнечной энергетике для
Программы развития ООН в Беларуси
Facebook: Andrei Dusmikeev
Компания SolarEnrg, Минск, Беларусь
Опыт работы в возобновляемой энергетике с 2011г,
более 150 проектов - в солнечной энергетике
http://solarenrg.by/
Инженерные решения возобновляемой энергетики

3. мечта!
19-й век: Кто виноват? Что делать?
20-й век: Почему так медленно?
21-й век: Где здесь розетка?

4. Технологический разрыв
Противоречие: точность показаний vs энергозатрат
Поверочный срок
счетчика – 6 лет,
а стандартного
аккумулятора хватает
на 1,5-2 года

5. Технологический разрыв
Противоречие:
Автономность энергопитания походная
– до 24 часов,
автономность боевая – до 12 часов
vs
около половины веса снаряжения –
вес аккумуляторов
vs
нужно как-то выжить

6. Самсунг выпустил метку контроля,
которая определяет, вне помещения
она находится или внутри на батарейках.
Аккумуляторы вместо 10 анонсируемых лет
проработали в сети NB-IoT 7 дней!!!
из свежего (4-й квартал 2017) обзора https://iot-analytics.com/!
Почему и что делать?

7. Технологический разрыв
Закон Мура:
2х/ежегодно миниатюризации и производительности процессоров
Повышение плотности энергии аккумуляторов – 4х/20 лет

8. Плотность энергии аккумуляторов

9. абсорбцияэнергии
абсорбцияэнергии

10. Абсорбция энергии (energy harvesting) – процесс захвата
окружающей энергии и хранение ее в виде электричества.
Это самый важный сектор для питания устройств IoT.
Технология Плотность энергии
солнечные элементы PV 100 mW/cm2
термоэлектрические 10 mW/cm2
электромагнитные 0,1 microW/cm2
вибрация 1 nanoW/cm2
и прочие электростатические и микроволновые
преобразования

12. • Кинетическая энергия (перемещение, вращение или вибрация) давно
используется для генерации электрической энергии с использованием
электромагнитных или пьезоэлектрических принципов. Для большинства
применений электромагнитный harvester является лучшим выбором,
поскольку он обеспечивает более стабильную выходную мощность при
более длительном жизненном цикле без эффектов старения.
• Солнечная энергия. Многие датчики питаются от миниатюрных
солнечных батарей. Они хорошо подходят для применений с достаточным
освещением (как внутри, так и снаружи) и часто используются для сенсоров
температуры, влажности, освещения или датчиков CO2. Подачу энергии
можно масштабировать, регулируя размер солнечного элемента.
• Тепловая энергия. Температурные разности используются для генерации
энергии на основе элементов Пельтье. Выходные мощности малы,
поэтому для генерации энергии могут использоваться только
попутные процессы теплообмена.
Часто используемые виды энергии

13. Функциональная схема абсорберов энергии
Energy harvesters

14. Пьезо – генераторы. Эффект
Обувь со встроенным пьезо-генератором.
Потенциал снятия мощности –
до 25Вт с каждого ботинка
Ограничения: нестабильность источника,
низкие токи заряда

15. Пьезо – генераторы. Плитка.

16. «Умный текстиль». Эффект
Smart Textile – основная литература
https://issuu.com/dumblesong/docs/smarttextiles
https://www.amazon.com/Triboelectric-Nanogenerators-Green-Energy-Technology/dp/331940038X

17. Статическое электричество. Triblegenerator

18. Микро -гидро-генераторы
Гидро-генераторы типа
крыльчатки и гидро-турбины,
мощностью 1-10 Вт

19. Комбинирование источников абсорбции энергии
Неравномерность заряда требует дополнения и
комбинирования источников энергии.
Предпочтительны комбинации взаимно-
дополняющих решений:
- солнце + тепло;
- вращение + вибрация;
- все типы волновых колебаний;
- вибрация + пьезо;
- электромагнитные источники нескольких
диапазонов
SolGate power kit – комбинированный
(солнце + тепло) источник энергии

20. Наиболее
оптимальные
сочетания при
комбинировании
источников
абсорбции
энергии

21. Компания SolarEnrg, Минск, Беларусь
Опыт работы в возобновляемой
энергетике с 2011г,
более 150 проектов - в солнечной
энергетике
http://solarenrg.by/
Инженерные решения возобновляемой
энергетики
SolGate power kit – комбинированный
(солнце + тепло) источник энергии

22. Мощность 1.5Вт,
на широте 50-53
Производительность солнечного модуля (/месяц)

24. Карта инсоляции России. Потенциал солнечной энергии

25. Мощность 1.5Вт, на широте 50-53
Производительность солнечного модуля (/месяц)

26. Наш продукт – SolGate 1.X thermo
• Размеры: 120х70х30мм
• Solar + thermal
• IP65
• Емкость АКБ от 100 до 400 мАч
• Выработка 0,6-1,2 Вт*ч/день
• Стоимость - xx.xx$
• 100% автономность устройства

27. Совмещение: solar + thermal
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
POWER,W
CURRENT, А
Электрическая мощность генератора Peltier
Рабочая разница температур
при эксплуатации
солнечного модуля:
dT = 65С – 25С
Генератор Peltier работает
на разнице температур:
dT = 40C
dT = 50C
dT = 40C
dT = 25C

28. Эффект совмещения: solar + thermal
0.48 0.48
0.41
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
Photovoltaic Photovoltaic+Peltier
Power,W
Photovoltaic+Peltier Photovoltaic
Выигрыш +90%
мощности (зимой)

29. Функциональная схема

30. комплект сбора солнечной энергии
и питания беспроводных сенсоров,
микроконтроллер MSP430
http://www.ti.com/tool/EZ430-RF2500-SEH#1
Texas Instruments EZ430-RF2500-SEH

31. Для систем автоматизации и контроля зданий.
Harvesters 3 типов:
свет (40 мкВт), тепло (100 мкВт), вибро (около 240 мкВт).
Передача данных в диапазоне 863 МГц низкого потребления
НЕ полноценные IoT-устройства:
соединяются со шлюзом, а шлюз - c интернетом
Радиус около 100 метров.
Подробнее в статье
https://www.electronicsweekly.com/uncategorised/sensors-
powered-by-energy-harvesting-key-to-iot-success-2015-08/
EnOcean –
группа производителей IoT-устройств

32. Принцип расчета энергонезависимого IoT-устройства
Суммарная поступающая энергия от Harvesters
должна быть больше потребляемой:

33. Ключевые задачи энергообеспечения:
- генерация (сбор) требуемой энергии;
- определение и обработка данных сенсоров;
- беспроводная передача собранной информации;
- поддержка неактивного (спящего) состояния
Оптимизация алгоритмов работы устройства:
1) Использование последних версий микропроцессоров и чипов
2) Гибкая настройка частоты передачи и величины пакетов данных
3) Использование спящих режимов процессоров
и модулей связи
4) Адаптивное энергопотребление
Все задачи должны быть комплексно оптимизированы для
обеспечения жизнеспособных решений
Задачи энергетического дизайна

34. Уличный датчик для мониторинга качества воздуха в сети NB-IoT
Дано: Бюджет энергии: солнечная панель мощность 1.5 Вт ( 150 см2),
термогенератор на элементах Пельтье.
Задача: измерение содержание углекислого газа,
сравнение с заданными целевыми параметрами.
Необходимо сконструировать сенсорную систему с потреблением
<= 10 мА (U=3,7V) в активном и <= 0,2 мА в спящем режиме.
Решение:
1) доступная энергия распределяется по 3-м основным задачам:
для измерений, беспроводной передачи и режима сна
2) измерение параметров, обмен данными между датчиком и процессором
и начальная обработка данных потребует 10 мА тока (в интервале dt=10 мс);
процессор
тепло
периферия процессор связь периферия
солнце
связь
Спящий режим Активный Собранная энергия

35. Выводы
Задача системного дизайна – спроектировать сбалансированную
энергетическую систему
1. Вероятно строить системы и платформы IoT на базе сенсоров с
использованием устройств для сбора энергии (energy harvesting) по
принципу «установил и забыл» при условии балансирования
выработки и потребления энергии
2. Баланс может быть установлен в 2-х направлениях:
- функциональность системы (требуемая мощность)
фиксирована, а источник (харвестер) масштабируется;
- подача энергии харвестера фиксирована,
а функциональность системы должна быть оптимизирована
https://www.electronicsweekly.com/uncategorised/sensors-powered-by-
energy-harvesting-key-to-iot-success-2015-08/

36. Дюсьмикеев Андрей - директор компании МедиуМ
Facebook: Andrei Dusmikeev
Dusmikeev@solarenrg.by
Tel/viber/telegram/whatsapp: +37529 7703334
Илья Хрущ – директор компании AmperTeam
Инженерные решения абсорбции энергии
engineer@solarenrg.by
http://solarenrg.by/ Facebook: SolaEnrg
http://devenergy.me/ Facebook: SolGate
Контакты

37. Комнатный датчик на солнечном harvester
Дано: Бюджет энергии ограничен размером солнечной батареи (5 см2) и стандартной освещенностью(200Lux*6час)
Задача: измерение температуры и влажности в помещении, сравнение с заданными целевыми параметрами.
Необходимо сконструировать сенсорную систему с потреблением <= 1 мкА (U=3V)
Решение:
1) доступная энергия распределяется по 3-м основным задачам равномерно:
по 300 нА - для измерений, беспроводной передачи и режима сна
2) измерение параметров, обмен данными между датчиком и процессором
и начальная обработка данных потребует 1 мА тока (в интервале dt=10 мс);
3) вычисляем максимальное количество измерений в день, сравнивая имеющуюся энергию
в день (300nA x 86.4s) с требуемой энергией на измерение (1 мА x 10 мс)
Исходный бюджет энергии позволит получить 2 592 измерения/день
Уточнение:
- температура и влажность изменяются медленно;
- необходимо экономить энергии - устанавливаем скорость 1 измерение/минуту (1440/ день)
4) Для радиопередачи предполагаем средний ток 25 мА для форматирования и передачи данных
со скоростью 125 кбит/с. Время передачи составит чуть более 1 секунды/ день
5) Учитывая количество (1440/ день) измерений, мы должны ограничить общую длину сообщения
до 10 байт, чтобы передавать каждый результат за 1 сеанс
Примечание: Необходимо оптимизировать как протокол радиосвязи, так и объем передачи данных
Оптимизированный протокол должен максимально ограничивать служебные данные передачи (управление, преамбула, синхронизация, проверка ошибок)
при сохранении высоконадежной связи - более 50 байтов служебных данных.
Вывод: использование протокола IPV6 обычно невозможно в комплексе harvester+sensor
Оптимизированный по мощности протокол ISO/IEC 14543-3-1X, требует всего 12 байтов для передачи
1 байта данных. Использование такого протокола в сочетании с интеллектуальной стратегией (только
значительные изменения) позволяет использовать даже избыточные уточняющие сеансы передачи