Ekologiczne budynki napędzają rynek aplikacji IoT zasilanych energią wolnodostępną
| TechnikaKoncepcja zasilania urządzeń energią wolnodostępną (tzw. energy harvesting) liczy sobie już ponad dziesięć lat, jednak wdrażanie systemów tego typu jest niestety uciążliwe, złożone, kosztowne i rozwój rynku cały czas się ślimaczy. Niemniej jednak da się podać przykłady rynków, na których z powodzeniem zastosowano takie źródła. Obejmują one infrastrukturę transportową, bezprzewodowe urządzenia medyczne, systemy monitoringu ciśnienia w oponach oraz automatykę budynkową. W szczególności, w przypadku inteligentnych budynków, komponenty takie, jak czujniki obecności, termostaty, a nawet włączniki światła zasilane energią wolnodostępną, pozwoliły na wyeliminowanie okablowania zasilającego lub sterującego bez uszczerbku na funkcjonalności i charakteryzują się dużą funkcjonalnością.
Inteligentne budynki to termin obejmujący zarówno obiekty komercyjne, jak i mieszkalne, w których nacisk na minimum kosztów jest coraz bardziej widoczny. Uczynienie obiektu inteligentnym może mieć kluczowe znaczenie dla organizacji, która się w nim mieści, ponieważ posiadanie budynku, który jest energooszczędny i zoptymalizowany pod kątem poboru mediów, pomaga obniżyć koszty eksploatacji, a jednocześnie zapewnia korzystne środowisko dla pracowników. Jednak dotarcie do tego punktu nie jest pozbawione wad. Na przykład budynki te będą wymagały infrastruktury, która może zapewnić niezbędne informacje zwrotne, aby umożliwić wydajne działanie systemów ogrzewania i chłodzenia, sterowanie oświetleniem i efektywne wykorzystanie przestrzeni. Najprawdopodobniej będzie to wymagało wykorzystania Internetu Rzeczy (IoT) jako medium do monitorowania i kontrolowania środowiska oraz zwiększy ich zależność od alternatywnych źródeł zasilania, którymi trzeba skutecznie zarządzać i je kontrolować.
IoT w inteligentnych budynkach
Inteligentne budynki będą nieustannie dopasowywać swoje działania do tego, w jaki sposób ludzie wykonują swoje codzienne czynności i tym samym pomogą zaoszczędzić pieniądze. Już teraz kształtują się trendy w inteligentnym budownictwie IoT, aby umożliwić tę transformację.
Dobrym przykładem możliwości jest konserwacja predykcyjna, która wykorzystuje czujniki (IoT) i inny sprzęt w celu uzyskania raportu o stanie urządzeń i wyposażenia. Informacja taka umożliwia zaplanowanie wszelkich niezbędnych prac konserwacyjnych, zanim pojawią się problemy, w sposób terminowy i skuteczny. Awarie, które zwykle pojawiają się w złożonych instalacjach i systemach, można wyeliminować, stosując takie rozwiązania i w ostatnich latach tematyka ta stała się niezwykle popularna. Innym przykładem może być zapewnienie wysokiej jakości powietrza, po to, aby nie miało ono negatywnego wpływu na wydajność pracowników. Badania branżowe w tej dziedzinie wykazały, że pracownicy wykonują swoje obowiązki o 10% wydajniej, gdy pracują w budynkach o dobrej jakości środowiska wewnętrznego w porównaniu z bardziej konwencjonalnymi budynkami. Ponownie czujniki IoT pracujące w sieci mesh mogą być używane do realizacji pomiarów, a także określania poziomów dwutlenku węgla. Połączenie w sieci o rozproszonej architekturze pozwala na dotarcie do wszystkich obszarów infrastruktury budynku, umożliwiając w ten sposób utrzymanie spójnego środowiska i wszystkich znajdujących się w nim osób w zdrowiu.
Kolejnym nowym trendem, który w przyszłości ma stać się istotny, jest wykorzystanie aplikacji IoT do bezkontaktowej i zdalnej kontroli temperatury. Zastosowanie obrazowania termicznego ma umożliwić kierownikom sprawdzenie, czy działający sprzęt się nie przegrzewa. Podwyższoną temperaturę można dzisiaj łatwo wykryć, umożliwiając w ten sposób konserwację, zanim sprzęt się zepsuje, nawet dla urządzeń instalowanych w niedostępnych miejscach, do których wcześniej zbyt trudno było się dostać.
Ponadto IoT umożliwi uzyskanie budynków samowystarczalnych energetycznie, a więc zasilanych ze źródeł odnawialnych. Co więcej, te inteligentne systemy budynkowe mogą być zdalnie zarządzane z dowolnego miejsca.
Wreszcie jedną z najważniejszych korzyści, jakie IoT może przynieść w automatyce budynkowej, jest poprawa efektywności energetycznej. To dlatego, że sieci czujników dostarczają informacji, które pomagają skuteczniej kontrolować zasoby, jednocześnie zmniejszając ilość odpadów. Przykładowe rozwiązania w tym obszarze to:
- stosowanie czujników do kontroli i regulacji temperatury,
- stosowanie siłowników do sterowania systemami klimatyzacji i wentylacji,
- złożone aplikacje sterujące odbiornikami energii,
- uwzględnianie prognoz pogody w celu zaoszczędzenia kosztów energii w czasie rzeczywistym.
Czujniki bezprzewodowe – kluczowa aplikacja typu energy harvesting
Kluczowym zastosowaniem dla systemów zasilania energią wolnodostępną są czujniki z komunikacją radiową używane w systemach automatyki budynkowej. Sieć bezprzewodowa z takimi sensorami może zawierać dowolną ich liczbę rozproszonych po całym w budynku. Bezprzewodowość i brak baterii są tutaj istotnym czynnikiem kosztowym, bo cena takiego czujnika jest często mniejsza niż koszt prowadzenia przewodów zasilających w ścianach lub wydatki na konserwację związaną z wymianą akumulatorów. Dlatego zastosowanie energy harvesting przynosi wyraźne korzyści ekonomiczne. Niemniej jednak wiele zalet bezprzewodowych sieci czujnikowych znika, jeśli każdy węzeł wymaga własnego zewnętrznego źródła zasilania.
Chociaż ciągły rozwój zarządzania energią umożliwił układom elektronicznym znacznie dłuższą pracę dla danego źródła zasilania, nadal dostępnej energii jest często za mało. Dlatego wykorzystanie źródeł wolnodostępnych stanowi cenne uzupełnienie. Źródła takie obejmują promieniowanie świetlne, różnice temperatur, wibracje mechaniczne, energię pola w.cz. lub naprężenia i siły mechaniczne. Takie zasoby energii są wszędzie i można je przekształcić na moc elektryczną za pomocą odpowiedniego przetwornika, takiego jak generator termoelektryczny działający w oparciu o efekt Sebeecka (TEG), element piezoelektryczny reagujący na wibracje, ogniwo fotowoltaiczne konwertujące na prąd światło słoneczne lub oświetlenie wewnętrzne albo antenę i odbiornik detektorowy pobierający energię z pola EM. Są nawet rozwiązania, gdzie energię czerpie się z wilgoci. Te "darmowe" źródła energii mogą być wykorzystywane do autonomicznego zasilania elementów i układów elektronicznych. Nowoczesne rozwiązania bezprzewodowych czujników IoT pobierają na tyle małą moc, przy średnim poziomie rzędu mikrowatów, że możliwe jest całkowite zasilanie z takich źródeł.
Typowy układ zasilania klasy energy harvesting składa się z czterech bloków, jak pokazano na rysunku 1. Są to:
- źródła energii wolnodostępnej,
- przetwornik i obwód konwersji mocy do zasilania dalszej elektroniki,
- element czujnikowy, który łączy węzeł IoT ze światem fizycznym oraz element obliczeniowy składający się z mikroprocesora lub mikrokontrolera, który przetwarza dane pomiarowe i przechowuje je w pamięci,
- moduł komunikacyjny składający się z transceivera do bezprzewodowej komunikacji z sąsiednimi węzłami i światem zewnętrznym.
Popularne rozwiązania bazują na generatorze termoelektrycznym TEG przymocowanym do ciepłej powierzchni, takiej jak kanał systemu wentylacji lub na przetworniku piezoelektrycznym przymocowanym do wibrującego źródła mechanicznego, takiego jak szyba lub silnik. Po przechwyceniu energii elektrycznej z otoczenia można ją następnie przekształcić do odpowiedniego poziomu, aby zasilać dalszą elektronikę. Dzięki temu mikrokontroler może zostać wybudzony w celu wykonania pomiaru, konwersji na postać cyfrową i dalej transmisji przez bezprzewodowy nadajnik-odbiornik o bardzo małej mocy.
Oczywiście wielkość dostępnej energii zależy w tych aplikacjach od wydajności źródła i czasu, w jakim jest ona gromadzona. Dlatego podstawową miarą porównywania takich źródeł jest gęstość mocy, a nie gęstość energii. Ponieważ jest to źródło o małej wydajności, zmiennej wydajności i nieprzewidywalne, często stosowana jest konstrukcja hybrydowa, gdzie harwester łączy się z magazynem mocy (kondensatorem) i ew. drugim źródłem innego typu.
Istniejące implementacje takich bloków odbiorników energii zazwyczaj składają się z około 30 dyskretnych elementów. Takie konstrukcje charakteryzują się małą wydajnością konwersji i wysoką wartością prądu jałowego, które skutkują pogorszeniem wydajności systemu końkońcowego. Szczególnie istotna jest wartość prądu spoczynkowego (jałowego), a więc pobieranego przez układ na własne potrzeby. Jego wartość ogranicza znacząco wydajność, bo źródło musi najpierw "pokonać" wymagany poziom prądu potrzebny do jego własnej pracy, zanim będzie mógł dostarczyć jakąkolwiek nadwyżkę mocy na wyjście. W tym miejscu oferta produktów Power by Linear (PbL) fi rmy ADI przynosi w branży nową jakość i prostotę implementacji.
Przykład systemu pozyskiwania energii wolnodostępnej
LTC3109 to zintegrowany konwerter DC-DC i układ zarządzania zasilaniem. Może bezpośrednio współpracować z generatorem energy harvesting o bardzo niskim napięciu wejściowym, takich jak TEG, a nawet z małymi ogniwami słonecznymi. Jego unikatowa, opatentowana topologia autopolaryzacji pozwala na współpracę ze źródłami o niskim napięciu nawet 30 mV, niezależnie od biegunowości.
Układ z rysunku 2 wykorzystuje dwa miniaturowe transformatory podwyższające napięcie z TEG, zanim zostanie ono podane na wejście LTC3109. Ich uzwojenia pierwotne są przełączane tak, aby stałe napięcie dostarczane przez TEG zostało zamienione na przemienne i dalej mogło zostać przetransformowane. Jest to realizowane za pomocą wewnętrznych obwodów LTC3109. Dalej to napięcie przemienne, wytwarzane na uzwojeniu wtórnym każdego transformatora, jest prostowane i podawane na pin VAUX i dołączony do niego zewnętrzny kondensator gromadzący. Wewnętrzny regulator LDO 2,2 V może współpracować z oszczędnym energetycznie procesorem lub innymi układami wymagającymi zasilania.
LTC3109 może pozyskiwać energię z prawie każdego źródła wolnodostępnego, co zapewnia uniwersalność zastosowań. Pobiera jedynie 7 μA prądu jałowego.
Tony Armstrong
Business Development Director
Analog Devices
Arrow Electronics Poland
tel. 22 558 82 66, www.arrow.com
