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 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) 05-2016 Zygmunt Kubiak 2
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
Bio-energy Harvesting m.in..wykorzystanie metabolizmu drzew Zmiana ciśnienia atmosferycznego np. do zasilania zegarów mechanicznych Moc ludzka sportowiec do ok. 300 Wh, dorośli 50-150Wh, 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 05-2016 Zygmunt Kubiak 4
LTC3588-1 - 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 05-2016 Zygmunt Kubiak 5
LTC3588-1 - Nanopower Energy Harvesting Power Supply 05-2016 Zygmunt Kubiak 6
S6AE101A układ dla ogniw solarnych Układ do zasilania sensorów IoT oraz węzłów w sieci bezprzewodowych czujników http://www.elektroda.pl/rtvfor um/topic3078198.html#14939 061 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. 05-2016 Zygmunt Kubiak 7
Przykład http://e2e.ti.com/blogs_/b/fullycharged/archive/ 2014/12/19/how-can-you-deliver-1w-powerfrom-a-10-mw-coincell?DCMP=fc&HQS=tlead-power-dcdc-pwralps-lpdc-myti-fullyc-20141219-en Zygmunt Kubiak 8
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
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
Charakterystyki rozładowania baterii litowej LiSOCL2 Czas pracy do 15 lat i więcej Zygmunt Kubiak 11
Ładowanie kondensatora ze źródła napięciowego Zygmunt Kubiak 12
Zygmunt Kubiak 13
Większość czasu napięcie jest utrzymywane na 1.9V, aby zminimalizować straty mikrokontrolera oraz innych prądów upływu w aplikacji (faza 1) Zygmunt Kubiak 14
Przed bezprzewodową transmisją danych, kondensator jest naładowany do 2.7V (faza 2) Zygmunt Kubiak 15
Podczas transmisji zmagazynowana energia w kondensatorze jest pobierana - spadek napięcia do 1.9V (faza 3) Zygmunt Kubiak 16
Przykładowy pobór prądu w inteligentnym czujniku bezprzewodowym ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 1/2012 Zygmunt Kubiak 17
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
Porównanie przetworników Energy Harvesting http://www.psma.com/html/newsletter/q2 _2012/page8.html Zygmunt Kubiak 19
Porównanie przetworników Energy Harvesting http://www.psma.com/html/newsletter/q2 _2012/page8.html Zygmunt Kubiak 20
Porównanie przetworników Energy Harvesting http://www.psma.com/html/newsletter/q2 _2012/page8.html Zygmunt Kubiak 21
Małe ogniwa fotowoltaiczne ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Zygmunt Kubiak 22
Zygmunt Kubiak 23
Dziękuję Zygmunt Kubiak 24 09-200 6