Energy harvesting w zasilaniu czujników bezprzewodowych

Dotychczas czujniki bezprzewodowe zasilane były głównie z baterii. Dominacja źródeł energii tego typu w tym zastosowaniu jest jednak coraz bardziej zagrożona. Na rynku dostępne są już bowiem moduły sensorów bezprzewodowych, które pobierają moc w przedziale od zaledwie kilkudziesięciu μW do kilkudziesięciu mW. Jest to głównie zasługą postępu w zakresie technologii produkcji układów elektronicznych małej mocy.

Ponadto istotny wkład w obniżenie poboru mocy przez czujniki tego typu ma rozwój protokołów komunikacyjnych zoptymalizowanych energetycznie. Przykładem tych ostatnich jest ZigBee, który w warstwie fizycznej oraz łącza danych oparty jest na standardzie IEEE 802.15.4. W rezultacie sensory bezprzewodowe coraz częściej mogą być z powodzeniem zasilane z wykorzystaniem energii wolno dostępnej.

Energy harvesting

Udział różnych metod przetwarzania energii wolnodostępnej w różnych zastosowaniach w 2017 roku, TMPS to skrót określający czujniki ciśnienia powietrza w oponach pojazdów

Terminem tym określa się zbiór metod pozyskiwania energii elektrycznej ze źródeł energii wolno dostępnej (m.in. światła słonecznego, siły wiatru, energii fal elektromagnetycznych, wibracji, siły strumienia wody, energii cieplnej oraz biochemicznej) przy użyciu specjalnych przetworników. Przykładem tych ostatnich są przetworniki piezoelektryczne, które do produkcji prądu wykorzystują energię wibracji. Można je m.in. wykorzystać do zasilania sensorów mierzących tę wielkość, na przykład w celu kontroli stanu maszyn. Energią cieplną ludzkiego ciała można z kolei zasilić sensory wszywane w ubrania. Promieniowanie słoneczne przetwarzane w ogniwach fotowoltaicznych lub przetwornikach ciepła może natomiast zasilać czujniki ruchu systemu alarmowego zamontowane w oknach.

Zalety

Układy zasilające w technologii energy harvesting w porównaniu do "zwykłych" baterii mają kilka zalet. Są to m.in.: długa żywotność, brak chemicznych odpadów, małe koszty oraz bezpieczeństwo użytkowania. Ponadto nie trzeba ich ładować ani też wymieniać tak jak zużytych baterii. Są zatem całkowicie bezobsługowe.

Ostatnie trzy kwestie mają szczególne znaczenie w przypadku sieci czujników składających się z setek lub tysięcy sensorów, na przykład będących częścią systemu monitoringu rozległego kompleksu budynków. Ponadto dzięki rozwojowi technologii baterii cienkowarstwowych oraz superkondensatorów magazynowanie energii elektrycznej wyprodukowanej z energii wolno dostępnej jest coraz łatwiejsze.

Prognoza na przyszłość

Wartość rynku układów zasilających typu energy harvesting w latach 2012-2017

Według analityków Yole Developpement wartość rynku układów w technologii energy harvesting używanych do zasilania czujników bezprzewodowych wzrośnie z 19 mln dolarów w 2012 r. do 227 mln dolarów w 2017 r. Prognozowany średni roczny wzrost w tym okresie wyniesie 51%. Dzięki większemu zapotrzebowaniu na te urządzenia szybko i znacząco maleć będzie ich cena - średnio o 12% rocznie.

Najszybciej rozwijać się będą urządzenia oparte na przetwarzaniu energii mechanicznej, termicznej oraz słonecznej. W 2017 r. uzyskają one odpowiednio 39%, 25% oraz 36% udział w rynku technologii przetwarzania energii wolno dostępnej. Największy wzrost prognozowany jest dla układów przetwarzających energię termiczną, której obecny udział wynosi zaledwie kilka procent.

Aplikacje w budownictwie

Zasilanie w technologii energy harvesting cieszy się obecnie największą popularnością w budownictwie. W 2011 r. w tej branży wykorzystano milion sztuk układów zasilających tego typu, głównie przetwarzających energię słoneczną oraz opartych na zjawisku indukcji elektromagnetycznej. Przede wszystkim instalowano je w sieciach czujników parametrów środowiskowych (temperatury, wilgotności, ciśnienia, stężenia gazów, ruchu) oraz w bezprzewodowych przełącznikach oświetlenia wykorzystywanych w automatyce budynkowej.

Według Yole Developpement w ciągu najbliższych pięciu lat popyt na układy przetwarzające energię wolno dostępną w budownictwie wzrośnie dziesięciokrotnie w porównaniu do 2011r. W roku 2017 sektor budowlany będzie miał ponad 50% udział w rynku tych komponentów. Najczęściej w tej branży używane będą układy przetwarzające na prąd energię mechaniczną oraz energię promieniowania słonecznego.

Energy harvesting w przemyśle

W przemyśle układy energy harvesting są używane przede wszystkim do zasilania czujników monitorujących stan maszyn (na przykład akcelerometrów) oraz przebieg różnych procesów technologicznych. Ten sposób zasilania jest najodpowiedniejszy, gdy sensory będą pracować w trudnych warunkach, na przykład w sąsiedztwie źródeł wysokich temperatur.

Innym przykładem jest przemysł naftowy. Czujniki bezprzewodowe są w tym wypadku używane m.in. w systemach zdalnego monitoringu oraz sterowania rozległymi, trudno dostępnymi instalacjami. Przykładem są wielokilometrowe rurociągi, w przypadku których częsta wymiana baterii
może być uciążliwa. Zdaniem analityków szybki wzrost popytu na te urządzenia w przemyśle nastąpi około 2015 r. Największą popularność zyskają wówczas głównie układy przetwarzające na prąd energię wibracji oraz energię cieplną.

Medycyna i transport

Technologia energy harvesting jest również brana pod uwagę jako metoda zasilania przenośnych urządzeń oraz implantów medycznych. Przykładem są tu rozruszniki serca, w których być może w przyszłości będą instalowane takie źródła energii. Nie nastąpi do jednak zbyt szybko, ponieważ takie urządzenia wymagają długoletnich badań, które dadzą pewność, że zasilanie będzie pewne i nie zaszkodzi ludziom. Zdaniem analityków w tym zastosowaniu używane będą układy wykonane w technologii MEMS, nie nastąpi to jednak wcześniej niż w 2020 r.

Energia wolno dostępna jest również wykorzystywana do zasilania czujników instalowanych w różnych środkach transportu. Przykładem są sensory monitorujące położenie wagonów towarowych, na pokładzie których nie ma zasilania oraz czujniki mierzące obciążenie śmigieł helikoptera. Wartość rynku zasilania typu energy harvesting w transporcie wyniesie według Yole Developpement ponad 25 mln dolarów w 2017 r.

Najtrudniej tradycyjne baterie zastąpić będzie w zasilaniu czujników w systemach automatycznej kontroli ciśnienia w oponach samochodowych (tire pressure monitoring systems, TPMS). Analitycy przewidują, że w tym zastosowaniu układy przetwarzające energię wolno dostępną zyskają na znaczeniu w latach 2015-2020. Będą to głównie komponenty przetwarzające energię wibracji i wykonane w technologii MEMS. Takie układy znajdą również zastosowanie w zasilaniu czujników monitorujących zużycie paliwa. W ich przypadku wysoka temperatura otoczenia utrudnia korzystanie ze zwykłych baterii.

Monika Jaworowska