Energy Harvesting Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznaska

Energy Harvesting Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

Energy Harvesting (EH) – technika pozyskiwania energii z otoczenia (samozasilanie) EH jest wykorzystywana do tworzenia autonomicznych, elektronicznych systemów z własnym zasilaniem pozyskiwanym z otoczenia, nie wymagających użycia baterii Największą wartością współczynnika gęstości energii charakteryzują się baterie słoneczne (źródła fotowoltaiczne) – 15 m. W/cm³, ale jest problem pochmurnych dni i nocy – spadek do 10 μW/cm³ Drgania mechaniczne – 300 μW/cm³ Siła wiatru Energia cieplna (gradient temperatury) Energia kinetyczna Energia gradientów zasolenia Energia elektromagnetyczna (liczne nadajniki RTV) 05 -2016 Zygmunt Kubiak 2

Energy Harvesting Inne źródła energii: ruch fal – urządzenia oceaniczne, ruch ramienia – zegarki: energia gromadzona przez nawijanie sprężyny powrotnej lub ruch magnesu w cewce – indukowanie SEM Źródła energii elektromagnetycznej: istniejące źródła RF i celowe źródła RF (w RFID) Ogniwo fotowoltaiczne (ang. Photovoltaic, PV): rozpowszechnione rozwiązania – krzem amorficzny (ASI), nowe rozwiązania – ogniwa słoneczne uczulane barwnikiem (ang. dyesensitized solar cell, DSSC, DSC lub DYSC) to cienkowarstwowe, przezroczyste ogniwa, w których główną rolę odgrywa barwnik (analogia liścia) – trwają badania nad DSSC w ciałach stałych z wykorzystaniem perwoskitu; rekord prototypów – sprawność 15% Utlenianie glukozy we krwi – mikrobiologiczne ogniwa paliwowe mogą one być wykorzystywane do zasilania wszczepianych urządzeń elektronicznych (np. rozruszniki serca, wszczepione biosensory dla diabetyków, wszczepione aktywnych urządzeń RFID, etc. ) 05 -2016 Zygmunt Kubiak 3

Energy Harvesting Bio-energy Harvesting – m. in. . wykorzystanie metabolizmu drzew Zmiana ciśnienia atmosferycznego – np. do zasilania zegarów mechanicznych Moc ludzka – sportowiec do ok. 300 Wh, dorośli 50 -150 Wh, zdrowy robotnik średnio 75 W przez 8 h Energia biomechaniczna – opaska na kolanie może dostarczyć moc ok. 2, 5 W Polimery elektroaktywne (EAP) – wysoka wydajność konwersji energii – ocenia się, że masa układów opartych na EAP jest znacznie niższa niż opartych na materiałach piezoelektrycznych 05 -2016 Zygmunt Kubiak 4

Energy Harvesting LTC 3588 -1 - Nanopower Energy Harvesting Power Supply Napięcie wyjściowe ustawiane cyfrowo: 1, 8 V, 2, 5 V, 3, 3 V, 3, 6 V Prąd wyjściowy do 100 m. A Prąd spoczynkowy 950 n. A Napięcie wejściowe 2, 7 V do 20 V 05 -2016 Zygmunt Kubiak 5

Energy Harvesting LTC 3588 -1 - Nanopower Energy Harvesting Power Supply 05 -2016 Zygmunt Kubiak 6

Energy Harvesting S 6 AE 101 A – układ dla ogniw solarnych Układ do zasilania sensorów Io. T oraz węzłów w sieci bezprzewodowych czujników http: //www. elektroda. pl/rtvfor um/topic 3078198. html#1493 9061 Urządzenie widoczne na załączonej grafice to moduł węzła WSN (Wireless Sensor Node) składający się z ogniwa fotowoltaicznego 10 x 10 mm, dwóch rezonatorów kwarcowych oraz układu Bluetooth Low Energy z ceramiczną anteną. Miniaturowym urządzeniem zarządza mikrokontroler z rdzeniem ARM Cortex-M 0. Układ zaczyna pracować już przy 1, 2µW energii zasilającej, która może zostać wygenerowana przez ogniwa solarne przy natężeniu 100 lx. S 6 AE 101 A w trakcie spoczynku pobiera prąd rzędu 250 n. A. 05 -2016 Zygmunt Kubiak 7

Energy Harvesting � Przykład http: //e 2 e. ti. com/blogs_/b/fullycharged/archive/2014/12/19/how-can-you-deliver-1 w-power-from-a-10 -mw-coincell? DCMP=fc&HQS=tlead-power-dcdc-pwr-alps-lpdc-myti-fullyc-20141219 -en Zygmunt Kubiak 8

Energy Harvesting � Bateria litowa Li. SOCl 2 charakteryzuje się długą żywotnością – 15 lat i więcej � Ma bardzo wysoką wydajność energetyczna (Wh /kg), ale nie jest w stanie dostarczyć prądu o wartości większej niż np. . 20 m. A � Źle znoszą pracę przy wyższych prądach � Na poprzednim slajdzie schemat blokowy przedstawia sprawdzoną koncepcję rozwiązania powyższego problemu zasilania z użyciem układu TPS 62740 i superkondensatora co znacznie przedłuża życie baterii � Kondensator ładowany jest z baterii niskim (kontrolowanym) prądem a sam może dostarczyć dużego prądu obciążenia Zygmunt Kubiak 9

Energy Harvesting �W przykładowej aplikacji dla potrzeb węzła w. M-Bus przyjęto założenia: � Napięcie baterii = 3, 6 V � Prąd maksymalny baterii = 3 m. A � Czas transmisji = 200 ms � Moc transmisji = 1000 m. W Aby dostarczyć energii do transmisji wybrano kondensator 0, 47 F (mu. Rata EDLC typu DMF 3 Z 5 R 5 H 474 M 3 DTA 0) ładowany tylko do 2, 7 V (trwałość ponad 15 lat) Uzyskano sprawność powyżej 90% Zygmunt Kubiak 10

Energy Harvesting � Charakterystyki rozładowania baterii litowej Li. SOCL 2 � Czas pracy do 15 lat i więcej Zygmunt Kubiak 11

Energy Harvesting � Ładowanie kondensatora ze źródła napięciowego Zygmunt Kubiak 12

Energy Harvesting � Zygmunt Kubiak 13

Energy Harvesting � Większość czasu napięcie jest utrzymywane na 1. 9 V, aby zminimalizować straty mikrokontrolera oraz innych prądów upływu w aplikacji (faza 1) Zygmunt Kubiak 14

Energy Harvesting � Przed bezprzewodową transmisją danych, kondensator jest naładowany do 2. 7 V (faza 2) Zygmunt Kubiak 15

Energy Harvesting � Podczas transmisji zmagazynowana energia w kondensatorze jest pobierana - spadek napięcia do 1. 9 V (faza 3) Zygmunt Kubiak 16

Energy Harvesting � Przykładowy pobór prądu w inteligentnym czujniku bezprzewodowym ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 1/2012 Zygmunt Kubiak 17

Energy Harvesting � Japońskie linie lotnicze, Japan Airlines zainstalowały 13 nadajników BLE (BLE Beacons), które nie wymagają baterii. Dzięki technologii firmy Spansion, opartej o układy scalone zarządzające energią (PMIC), które zbierają energię z otoczenia, nadajniki te – w teorii – nie będą wymagać nigdy ładowania ani baterii. Zygmunt Kubiak 18

Energy Harvesting � Porównanie przetworników Energy Harvesting http: //www. psma. com/HTML/newsletter/ Q 2_2012/page 8. html Zygmunt Kubiak 19

Energy Harvesting � Porównanie przetworników Energy Harvesting http: //www. psma. com/HTML/newsletter/ Q 2_2012/page 8. html Zygmunt Kubiak 20

Energy Harvesting � Porównanie przetworników Energy Harvesting http: //www. psma. com/HTML/newsletter/ Q 2_2012/page 8. html Zygmunt Kubiak 21

Energy Harvesting � Małe ogniwa fotowoltaiczne ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Zygmunt Kubiak 22

Energy Harvesting � Przykłady przetworników energii: a) moduł termoelektryczny TEG Ferrotec 9500, b) moduł fotoelektryczny Panasonic AM-1454, c) moduł piezoelektryczny Mide V 25 W, d) moduł elektromagnetyczny En. Ocean ECO 2000, e) elastyczny moduł fotoelektryczny 9 W Brunton Solar. Roll, f) moduł RF Powercast P 2110 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Zygmunt Kubiak 23

Energy Harvesting � Jakość źródeł energii �Problem charakterystyk obciążenia �Źródła fotowoltaiczne (PV): napięcie stałe od ułamków wolta do kliku woltów, nieliniowa charakterystyka obciążenia z optymalnym punktem wydajności, wydajność zależna od temperatury i wieku ogniwa, charakterystyka zbliżona do źródła prądowego �Moduły piezoelektryczne: napięcie przemienne od kilku do kilkudziesięciu woltów oraz bardzo duża rezystancja wewnętrzna �Bardzo duże wymagania i często sprzeczne dla przetwornic: napięcie stałe, napięcie przemienne, szeroki zakres napięcia wejściowego, zmienna wydajność prądowa, różne kształty przebiegów wejściowych ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Zygmunt Kubiak 24

Energy Harvesting � Analog Devices ADP 5090 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Zygmunt Kubiak 25

Energy Harvesting ADP 5090 � Układ klasy PMIC – wejście: panel PV lub generator TEG; współpraca z akumulatorem lub superkondensatorem jako magazynem energii; � Poprawny start układu od napięcia wejściowego 380 m. V � Prąd spoczynkowy < 380 n. A � Napięcie wyjściowe 2, 2 V. . 5 V � Moc pozyskiwana 10 μW … 1 m. W � Wymiary 3 mm x 3 mm, obudowa LFCSP 16 � Możliwość wyłączenia przetwornicy np. na czas transmisji RF ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Zygmunt Kubiak 26

Energy Harvesting Cypress MB 39 C 831 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Zygmunt Kubiak 27

Energy Harvesting Cypress MB 39 C 831 � Współpraca z panelami PV (łączonymi szeregowo) oraz generatorami piezo � Zakres napięcia wejściowego 2, 6 V do 23 V � Prąd spoczynkowy 1, 5 μA przy Vin = 4, 5 V � Napięcie wyjściowe definiowane cyfrowo 1, 5 v. . 5, 0 V (wej. S 0…S 2) � Obciążenie do 100 m. A � Współpraca z akumulatorami Li-Po ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Zygmunt Kubiak 28

Energy Harvesting Powercast P 1110 Konwerter RF / DC Wyspecjalizowane w przetwarzaniu energii o wysokiej częstotliwości pochodzącej z pól elektromagnetycznych Układ współpracuje z anteną o impedancji 50 , w paśmie 840. . 960 MHz ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Zygmunt Kubiak 29

ę g a w u a z ę j u k Dzię Zygmunt Kubiak 30