에너지 하베스팅은 IoT에서 1조 개의 배터리가 필요 없는 센서를 활성화할 수 있습니다.

무선 IoT 감지 장치는 사람, 장비, 인프라 및 환경 위, 내부 또는 근처에 배치할 수 있습니다. 이것은 우리에게 21세기 세계의 가장 시급한 문제를 해결할 수 있는 새로운 도구를 제공합니다. 기후 변화에서 청정 에너지, 안전한 식품 보장, 그리고 무엇보다도 고령화 인구의 건강과 웰빙을 돌보는 것입니다. 그러나 이를 달성하려면 'IoT 강화' 격차를 해결해야 합니다. 즉, 솔루션은 전원을 공급하는 IoT 기기보다 오래 지속되는 배터리로 실행되어야 합니다.

이 기사에서는 에너지 수확(EH) 기반 솔루션이 IoT에 제공할 수 있는 중요한 기여를 살펴봅니다. 향후 몇 년 내에 배치될 수 있는 1조 개의 센서 중 대다수는 다양한 초저전력(ULP) 무선이 될 것입니다. 이들은 또한 외부 전원을 보완하거나 독립 전원 역할을 할 수 있는 EH의 가장 좋은 후보입니다.

IoT를 강화하기 위해 우리가 취하는 접근 방식은 매일 세상을 변화시키는 수많은 기술을 가능하게 하는 데 중요합니다. 예를 들어, 커넥티드 및 자율주행 차량(CAV)은 고대역폭 및 저대역폭 연결성을 모두 갖춘 안정적이고 유비쿼터스 센싱에 의존하게 되며, 이 모두에는 전력 밀도 증가와 무게 감소가 필요합니다. 네트워크 지원.

비용

EH의 주요 부가가치는 작동 환경에서 주변 에너지를 포착하여 소비 지점에서 시스템 에너지를 제공/보충하는 것입니다. 특히 총 소유 비용 측면에서 EH 구현의 정당성과 성공은 회수 계산 방법에 크게 의존합니다. 예를 들어, EH 기능을 위해 시스템 BOM에 $3 – $5를 추가하는 것은 볼륨당 약 $0.25의 비용이 드는 일회용 코인 셀과 비교할 때 미친 것처럼 보일 수 있습니다. 환경적 요인과 지속가능성 요인을 무시하더라도 재무분석에서 고려해야 할 사항이 많습니다. 해당 배터리를 교체해야 하는 경우 인건비/물류 비용만으로 코인 셀 절감액이 수십 배나 줄어들 수 있습니다. 해당 배터리가 콘크리트 벽과 같이 가혹하고/또는 접근할 수 없는 환경에 있는 경우에는 천국이 불가능합니다. 높은 천장, 인체 또는 깊은 유정.

주변 에너지

EH는 사용 가능한 주변 에너지(열, 진동, 빛)를 동력원으로 사용하는 것을 수반합니다. 약 1마이크로와트에서 수백 마이크로와트까지의 스위트 스팟이 있습니다. 여기에서 기존 전원에 대한 드레인이 훨씬 적고 합리적인 크기의 수확기에서 주변 에너지를 사용할 수 있는 가능성이 증가하는 '이중 영향'이 있습니다. 이는 배터리 수명을 크게 늘릴 수 있으며 경우에 따라 완전한 전원 자율성을 제공할 수도 있습니다. (이는 최근 EU 간행물에서 논의되었으며 그림 1에 설명되어 있습니다. ⁱ )

EH를 시스템 설계에 통합함으로써 발생하는 주요 과제는 본질적으로 매우 산발적일 수 있는 에너지원을 처리하는 것입니다. 그들은 에너지를 포착하고 나중에 사용할 수 있도록 하기 위해 에너지 저장 및 전력 관리 장치/회로가 필요합니다. 주변 청소에서 전력 추출을 해결하기 위해 수행해야 하는 고유한 엔지니어링 노력이 있을 뿐만 아니라 이러한 요구 사항 중 많은 부분이 EH의 각 방법에 따라 다를 수 있습니다. 다시 말해, EH 변환기에서 원시 에너지를 포착하고 전력 변환/관리/조절 요구 사항이 태양광(PV)에 대해 열전 발전기(TEG) 또는 진동 수확에 대한 것과 다릅니다. 다양한 PV 셀에 전력을 공급하는 경우에도 기술에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 일반적인 접근 방식은 DC(PV, TEG) 또는 AC(진동, 마찰 전기, RF)와 같이 수집된 원시 에너지의 특성에 의해 주도되는 경향이 있습니다.

PV 전지는 태양 및/또는 인공 소스의 빛 에너지를 직접 변환하는 반면 TEG는 온도 차이에서 에너지를 추출하여 전기 에너지를 생성합니다. 진동(전기역학 또는 압전) 및 마찰전기 소스는 물리적 움직임에서 파생됩니다. RF 캡처에는 일반적으로 정류 안테나(렉테나)와 밸런싱 네트워크를 사용한 다음 DC/DC 변환 블록에 공급하는 것이 포함됩니다.

최적의 EH 지원 시스템 솔루션은 최대 에너지 잠재력을 완전히 실현하기 위해 최대 전력점 추적(MPPT) 및/또는 신중하게 제어되는 임피던스 매칭이 필요할 수 있습니다. 또한 많은 주변 에너지가 매우 낮은 전력 및 전압 수준에 있습니다. 대부분의 상용 기성품(COTS) 전력 관리 IC(PMIC)는 10μW 및 100mV 미만의 에너지를 사용 가능한 전기로 변환할 수 없습니다. 이를 해결하기 위한 연구 커뮤니티 주도의 노력의 예는 Tyndall National Institute(아일랜드 코크)에서 개발 중인 MISCHIEF 플랫폼입니다. MISCHIEF는 특히 이전에는 사용할 수 없었던 10μW 미만 영역에서 전례 없는 범위의 주변 에너지를 처리할 수 있는 혁신적인 고효율, 낮은 대기 전류 PMIC입니다. 모듈식이며 고도로 구성 가능하므로 새 회로 블록을 추가하거나 설정점 범위를 쉽게 조정할 수 있습니다. 또한 다른 구성 요소와 상호 작용하여 작동 모드(절전, 대기, 감지, 전송, 처리)를 동적으로 조정할 수 있는 디지털 인터페이스가 있습니다. 이는 애플리케이션 요구 사항을 충족하면서 전력 소비를 최소화합니다.

에너지 저장은 피크 수요를 처리하기 위한 버퍼를 제공하기 때문에 간헐적 에너지 소스에 매우 중요합니다. 따라서 업스트림 전원은 최악의 경우 피크 전력 수요 대신 시스템 정상 상태 요구 사항만 제공하면 됩니다.

EH 생태계 조성

Power IoT 및 EH 커뮤니티의 기여자(개발자, 재료 및 장치 제조업체, 설치자, 통합자, 최종 사용자)는 사일로 환경에서 일하는 경향이 있습니다. 그러나 EH가 주류 애플리케이션에 성공적으로 보급되기 위해서는 EH 변환기 담당자가 다른 많은 저전력 시스템 구성 요소 공급자 및 최종 사용자는 물론이고 전력 관리 및 에너지 저장 담당자와 긴밀하게 협력해야 합니다. 이것은 이 기사에서 중점적으로 다루는 많은 센서 네트워크, 저전력 유형 애플리케이션에 특히 해당됩니다.

인 더 파워 .

참조:

나. https://www.enables-project.eu/wp-content/uploads/2021/02/EnABLES_ResearchInfrastructure_PositionPaper.pdf

ii. http://www.enerharv.com/

iii. https://www.psma.com/technical-forums/energy-harvesting

iv. M. Hayes 및 B. Zahnstecher, IEEE Power Electronics Magazine의 "5G, IoT 및 에너지 수확의 선순환" , 권. 8, 아니. 2021년 9월 3일