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#1493 9061 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/arch ive/2014/12/19/how-can-you-deliver-1wpower-from-a-10-mw-coincell?dcmp=fc&hqs=tlead-power-dcdcpwr-alps-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

Małe ogniwa fotowoltaiczne ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Zygmunt Kubiak 22

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

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

Analog Devices ADP5090 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Zygmunt Kubiak 25

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

Cypress MB39C831 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Zygmunt Kubiak 27

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

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 840..960 MHz ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Zygmunt Kubiak 29

Zygmunt Kubiak 30