Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

Transkrypt

1 Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

2 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 mw/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) Zygmunt Kubiak 2

3 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.) Zygmunt Kubiak 3

4 Bio-energy Harvesting m.in..wykorzystanie metabolizmu drzew Zmiana ciśnienia atmosferycznego np. do zasilania zegarów mechanicznych Moc ludzka sportowiec do ok. 300 Wh, dorośli Wh, zdrowy robotnik średnio 75 W przez 8h 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 Zygmunt Kubiak 4

5 LTC Nanopower Energy Harvesting Power Supply Napięcie wyjściowe ustawiane cyfrowo: 1,8V, 2,5V, 3,3V, 3,6V Prąd wyjściowy do 100 ma Prąd spoczynkowy 950 na Napięcie wejściowe 2,7V do 20V Zygmunt Kubiak 5

6 LTC Nanopower Energy Harvesting Power Supply Zygmunt Kubiak 6

7 S6AE101A układ dla ogniw solarnych Układ do zasilania sensorów IoT oraz węzłów w sieci bezprzewodowych czujników um/topic html# Urządzenie widoczne na załączonej grafice to moduł węzła WSN (Wireless Sensor Node) składający się z ogniwa fotowoltaicznego 10x10mm, dwóch rezonatorów kwarcowych oraz układu Bluetooth Low Energy z ceramiczną anteną. Miniaturowym urządzeniem zarządza mikrokontroler z rdzeniem ARM Cortex-M0. Układ zaczyna pracować już przy 1,2µW energii zasilającej, która może zostać wygenerowana przez ogniwa solarne przy natężeniu 100lx. S6AE101A w trakcie spoczynku pobiera prąd rzędu 250nA Zygmunt Kubiak 7

8 Przykład ive/2014/12/19/how-can-you-deliver-1wpower-from-a-10-mw-coincell?dcmp=fc&hqs=tlead-power-dcdcpwr-alps-lpdc-myti-fullyc en Zygmunt Kubiak 8

9 Bateria litowa LiSOCl2 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.. 20mA Źle znoszą pracę przy wyższych prądach Na poprzednim slajdzie schemat blokowy przedstawia sprawdzoną koncepcję rozwiązania powyższego problemu zasilania z użyciem układu TPS62740 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

10 W przykładowej aplikacji dla potrzeb węzła wm-bus przyjęto założenia: Napięcie baterii = 3,6V Prąd maksymalny baterii = 3 ma Czas transmisji = 200ms Moc transmisji = 1000mW Aby dostarczyć energii do transmisji wybrano kondensator 0,47F (murata EDLC typu DMF3Z5R5H474M3DTA0) ładowany tylko do 2,7V (trwałość ponad 15 lat) Uzyskano sprawność powyżej 90% Zygmunt Kubiak 10

11 Charakterystyki rozładowania baterii litowej LiSOCL2 Czas pracy do 15 lat i więcej Zygmunt Kubiak 11

12 Ładowanie kondensatora ze źródła napięciowego Zygmunt Kubiak 12

13 Zygmunt Kubiak 13

14 Większość czasu napięcie jest utrzymywane na 1.9V, aby zminimalizować straty mikrokontrolera oraz innych prądów upływu w aplikacji (faza 1) Zygmunt Kubiak 14

15 Przed bezprzewodową transmisją danych, kondensator jest naładowany do 2.7V (faza 2) Zygmunt Kubiak 15

16 Podczas transmisji zmagazynowana energia w kondensatorze jest pobierana - spadek napięcia do 1.9V (faza 3) Zygmunt Kubiak 16

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

18 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

19 Porównanie przetworników Energy Harvesting Q2_2012/page8.html Zygmunt Kubiak 19

20 Porównanie przetworników Energy Harvesting Q2_2012/page8.html Zygmunt Kubiak 20

21 Porównanie przetworników Energy Harvesting Q2_2012/page8.html Zygmunt Kubiak 21

22 Małe ogniwa fotowoltaiczne ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Zygmunt Kubiak 22

23 Przykłady przetworników energii: a) moduł termoelektryczny TEG Ferrotec 9500, b) moduł fotoelektryczny Panasonic AM-1454, c) moduł piezoelektryczny Mide V25W, d) moduł elektromagnetyczny EnOcean ECO2000, e) elastyczny moduł fotoelektryczny 9W Brunton SolarRoll, f) moduł RF Powercast P2110 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Zygmunt Kubiak 23

24 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

25 Analog Devices ADP5090 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Zygmunt Kubiak 25

26 ADP5090 Układ klasy PMIC wejście: panel PV lub generator TEG; współpraca z akumulatorem lub superkondensatorem jako magazynem energii; Poprawny start układu od napięcia wejściowego 380mV Prąd spoczynkowy < 380 na Napięcie wyjściowe 2,2 V.. 5 V Moc pozyskiwana 10 μw 1 mw Wymiary 3 mm x 3 mm, obudowa LFCSP16 Możliwość wyłączenia przetwornicy np. na czas transmisji RF ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Zygmunt Kubiak 26

27 Cypress MB39C831 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Zygmunt Kubiak 27

28 Cypress MB39C831 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. S0 S2) Obciążenie do 100 ma Współpraca z akumulatorami Li-Po ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Zygmunt Kubiak 28

29 Powercast P1110 Konwerter RF / DC Wyspecjalizowane w przetwarzaniu energii o wysokiej częstotliwości pochodzącej z pól elektromagnetycznych Układ współpracuje z anteną o impedancji 50, w paśmie MHz ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Zygmunt Kubiak 29

30 Zygmunt Kubiak 30