Dążenie człowieka do budowania urządzeń perpetuum mobile ostatnio przybiera nieoczekiwany obrót, w miarę jak producenci elektroniczni i nowopowstające firmy rozpoczynają współpracę nad nową generacją produktów klasy ultra-low-power, które potencjalnie mogą działać, no … prawie bez końca.
Warto zaznaczyć, że te nowe zastosowania nie naruszają Pierwszego Prawa Termodynamiki. Ani też Drugiego, jeśli o to chodzi. Jednak mimo wszystko istnieją i zbierają wystarczającą ilość mocy z drgań mechanicznych, gradientów temperatury, światła słonecznego, a nawet ciepła ciała ludzkiego, że mogą dokonywać rzeczy, które wcześniej nie byłyby możliwe.
Technologie dojrzewają do momentu, w którym stają się uzasadnione z punktu widzenia handlowego – twierdzi John Perzow, dyrektor marketingu w Analog Devices’ Power Management Group. Jeśli chodzi o zaawansowane przekazywanie energii, w chwili obecnej mamy najkorzystniejszą z możliwych sytuacji.
Koncept sił umożliwiających pobieranie energii z otoczenia wydaje się być na razie zjawiskiem niemal nadprzyrodzonym. Nawet w dzisiejszych trudnych czasach ekonomicznych, firmy inwestycyjne i wytwórcy elektroniki inwestują ogromne nakłady pieniężne w nowe firmy o nazwach takich, jak np. AdaptivEnergy, EnOcean, Cymbet i Perpetuum, żeby wymienić jedynie kilka z setek takich firm. Natomiast ogromne elektroniczne firmy wytwórcze , jak Texas Instruments (TI) oraz Analog Devices Inc. (ADI), budują mikrosterowniki, procesory sygnału cyfrowego i czujniki dla nowej generacji zastosowań o niskim zasilaniu.
W wyniku całej tej wspólnej pracy, na horyzoncie może się pojawić cała nowa klasa zastosowań opartych na źródłach odnawialnych. Mosty i budowle mogą monitorować stan konstrukcyjny przy pomocy bezbateryjnych czujników zasilanych ogniwami fotowoltaicznymi. Rolnicy mogą sprawdzać wilgotność gleby przy wykorzystaniu urządzeń zasilanych energią słoneczną. Drgania mechaniczne mogą służyć jako źródło energii dla rozmaitych urządzeń monitorujących, od przełączników drzwiowych w samochodach do silników elektrycznych.
Czujniki MEMS firmy Analog Devices pobierają jedynie 120 μA. Mogą być stosowane to dokonywania pomiarów drgań w turbinach wiatrowych albo do skuteczniejszego śledzenia słońca w ogniwach słonecznych.
Zdaniem inżynierów prawdziwą zaletą wszystkich takich zastosowań jest to, że stają się one możliwe bez konieczności stosowania do tego celu przewodów czy baterii, jednocześnie umożliwiając oszczędzanie energii. Tego rodzaju systemy energetyczne stanowią kluczową kwestię w dzisiejszych czasach – dodaje Perzow. Udaje im się uzyskiwać niewiarygodne zainteresowanie i ogromne doinwestowanie — w dolarach, funtach, euro, drachmach— do wyboru. Angażuje się w to każdy kraj zindustrializowany.
Układ sterujący o niskiej mocy
Pytanie brzmi: W jaki sposób inżynierowie urzeczywistnią takie scenariusze?
Na razie wydaje się, że nie ma jednej spójnej odpowiedzi. Aby to urzeczywistnić, dostawcy elektroniki już podjęli pierwszy krok, tworząc mikrosterowniki, procesory DSP, transceivery RF i czujniki MEMS działające na podstawie prądów elektrycznych tak małych, że mierzalne są w milionowych częściach ampera. Na przykład MSP430, mikrosterownik firmy TI, zużywa jedynie 160 μA/ MHz w stanie aktywnym oraz 1,5 μA/MHz w stanie gotowości. Ponadto firma ADI stworzyła czujnik MEMS klasy ultra-low-power, urządzenie ADXL345, które może pobierać jedynie 120 μA w pełnym zakresie dynamicznym oraz 25 μA w trybie uśpienia. Takie produkty mogłyby być mniejsze niż codziennie stosowane mikrosterowniki i czujniki, które na ogół pobierają prąd raczej w miliamperach, niż w mikroamperach.
Zintegrowane systemy cyfrowe firmy Analog Devices obejmują czujniki, procesory DSP, konwertery i transceivery dla zastosowań pomiaru mediów, w których wykorzystywane jest pobieranie energii z otoczenia.
Ideałem jest przeprowadzanie różnych zastosowań autonomicznie, zdalnie, być może bez baterii … bez końca – nadmienia Perzow – stosując pewnego rodzaju przesadę, która jest powszechna w kręgach zajmujących się pobieraniem energii z otoczenia.
Do chwili obecnej inżynierowie mający potencjalnie wspaniałe pomysły związane z pobieraniem energii z otoczenia byli ograniczani, w dużej mierze ze względu na fakt, że prąd z krzemowych ogniw słonecznych i innych urządzeń pobierających energię z otoczenia nie wystarczał do napędzania mikrosterownika lub przyspieszeniomierza. Inżynierowie twierdzą, że obecnie to się zmienia. Urządzenia pobierania mocy z otoczenia ulepszają swoje możliwości konwersji energii, natomiast produkty elektroniczne zmniejszają swoje zapotrzebowanie na zasilanie.
To wszystko jest napędzane przez układy elektroniczne zasilane niewielką mocą – twierdzi Troy Tanner, główny technolog firmy AdaptivEnergy, producenta urządzeń piezoelektrycznych, które przekształcają drgania na energię elektryczną. Dzięki temu, że nasza moc wzrasta, a ich zasilanie maleje, możemy w końcu zacząć robić coś pożytecznego.
Świt ‘wszechobecnej mocy’
Rzeczywiście działania te są pożyteczne. Szkoła podstawowa St. Joseph Elementary School w Lacolle, Quebec w Kanadzie niedawno skorzystała z możliwości pobierania energii z otoczenia; zamontowała w swojej klasie sterowniki temperatury przy wykorzystaniu systemu opracowanego przez firmę EnOcean and Regulvar, producenta produktów HVAC. Sterowniki, które są bezprzewodowe i bezbateryjne, pobierają moc z ogniw fotowoltaicznych. Prąd elektryczny z ogniw napędza mikrosterownik oraz transceiver RF, który przekazuje dane dotyczące temperatury do systemu architektury HVAC, który następnie wydaje potrzebne ilości ciepła.
Podobnie zrobiła inna firma z siedzibą w Bostonie. Zainstalowała bezprzewodowe czujniki ruchu oraz przełączniki światła w ramach zmniejszania zużycia energii . Czujniki obecności pobierają energię ze światła w otoczeniu, podczas gdy przełączniki pobierają energię z energii mechanicznej, która jest generowana, gdy ludzie naciskają przycisk włączania światła. Sygnały bezprzewodowe są przekazywane przez częstotliwość RF, przy 315 MHz, przy wykorzystaniu protokołu EnOcean.
Tego rodzaju zastosowania są przełomowe, nie dlatego, że opierają się na konwersji fotowoltaicznej, lecz ze względu na to, w jaki sposób wykorzystują ‘sączący się’ prąd z tych ogniw fotowoltaicznych. Dzięki takim niewielkim wartościom prądu, czujniki mogą widzieć, procesory mogą myśleć, a transceivery mogą się komunikować.
Ponadto lista możliwości stale się powiększa. Firma Texas Instruments połączyła swoje wysiłki z firmą Cymbet w celu zrealizowania technologii “battery-on-a-chip” (bateria na strukturze półprzewodnikowej) dla zestawu pobierania energii z otoczenia. EnerChip firmy Cymbet to zasadniczo cienko powłokowa bateria na podłożu krzemowym. Opierając się na tym pomyśle, wytwórcy systemów pobierania energii z otoczenia będą w stanie przechowywać energię pobraną z otaczającego światła lub światła słonecznego. W rezultacie, gdy aplikacje przestaną działać, będą nadal miały wystarczającą ilość zmagazynowanej energii do zrealizowania transmisji 400 i 1,000 RF.
Inżynierowie twierdzą, że pomysł ‘ battery-on-a-chip’ jest istotny, ponieważ otwiera możliwości tak zwanej “wszechobecnej mocy,” w której zdolność wytwarzania mocy wbudowywana jest w obiekty codziennego użytku.
Dzięki temu możemy sobie wyobrazić dzień, w którym moc będzie wszędzie dokoła nas, a energia będzie przechowywana w układach scalonych – twierdzi Steve Grady, wiceprezes do sprawy marketingu firmy Cymbet.
TI włączył EnerChip do zestawu narzędziowego programisty, który obejmuje MSP430 TI, transceiver RF CC2500 oraz narzędzie programisty eZ430-RF2500 na płytce wielkości karty kredytowej. Zestaw ten nazywany eZ430-RF2500-SEH, skierowany jest do programistów, którzy pragną przetworzyć światło na prąd, a następnie wykorzystać prąd do napędzania konkretnych zastosowań, wymagających bezprzewodowej komunikacji.
Urządzenie MSP430 działa bezpośrednio z panelu słonecznego – stwierdza Adrian Valenzuela, dyrektor marketingu MSP430 firmy TI. Lecz jeśli środowisko staje się zbyt ciemne lub jeśli zapada pełny zmrok, procesor wie, że w otoczeniu jest niewystarczająca energia do zebrania i automatycznie przełącza się w celu zasilania przez EnerChip.
Każdy produkt zbierający energię musi mieć możliwość przechowywania tej energii – dodaje Grady. Wybraliśmy ogniwo słoneczne, ponieważ jest łatwe w obsłudze.
Poza energią słoneczną
Jednak ogniwa fotowoltaiczne nie są jedynym źródłem zbieranej energii . Teoria termodynamiczna od dawna zakładała, że prosty gradient temperatury ma potencjał do rozpraszania mocy. Obecnie inżynierowie zaczynają wynajdować sposoby do wykorzystywania takiej mocy do napędzania czujników i urządzeń monitorujących. Na przykład, dostawcy samochodowi podobno pracują nad możliwością systemów monitorowania ciśnienia w oponach, które mogą wykorzystywać energię z ciepła w oponach, a następnie stosować ją do napędzania transmiterów RF. Dzięki temu pomysłowi inżynierowie mają nadzieję móc bezprzewodowo przekazywać dane dotyczące ciśnienia z opon, temperatury, a nawet zużycia.
Firma AdaptivEnergy wykorzystuje urządzenie piezoelektryczne do przetwarzania drgań mechanicznych na prąd elektryczny.
Jednakże najbardziej popularnym i obiecującym źródłem energii mogą być drgania mechaniczne. Większość nowych firm działających w zakresie pobierania energii z otoczenia rozważa sposoby na przekształcanie energii mechanicznej. Na przykład firma AdaptivEnergy, przekształca drgania na energię elektryczną w produkcie nazywanym Joule-Thief™ (samowzbudna przetwornica podwyższająca napięcie), który wykorzystuje podpartą wiązkę piezoelektryczną w celu dokonania konwersji. Gdy siła inercyjna odchyla końcówkę dźwigni, wprowadza naprężenie mechaniczne do warstwy piezoelektrycznej, co wywołuje polaryzację i w rezultacie generuje prąd elektryczny . Inżynierowie tej firmy starają się opracować urządzenie z takimi zastosowaniami, jak monitorowanie odpowiedniego stanu strukturalnego, systemy elektroniczne do interaktywnych tekstyliów, systemy RFID, również także bezprzewodowe sieci czujników oraz zastosowania związane z przełączaniem . Producenci samochodów podobno analizują możliwości tej technologii, mając nadzieję, że umożliwi im ona wymianę wielu przewodów w pojazdach.
Firmy Texas Instruments i Cymbet połączyły się w celu stworzenia zestawów wytwórców urządzeń pobierających energię z otoczenia, które obejmują baterie cienkopowłokowe na podłożu krzemowym.
Można by wyeliminować wiele kabli energetycznych i kabli sygnałowych dla takich prostych zastosowań, jak np. przełączniki przy drzwiach – twierdzi Tanner z firmy AdaptivEnergy. Jeśli dodamy całą miedź i cały ciężar przewodów, może się okazać, że oszczędności producentów samochodów będą ogromne.
Wyeliminowanie baterii
Eksperci twierdzą, że zbieranie energii może również niedługo znaleźć zastosowanie w monitorowaniu odpowiedniego stanu odnawialnych źródeł energii. Inżynierowie firmy Analog Devices opisują scenariusz, w którym turbiny wietrzne wyłapują swoją własną energię w celu zasilania mikrosterowników i czujników, aby mogły wyszukiwać problemy w elektrowniach wiatrowych.
Od dawna było wiadomo, że gradient temperatury rozprasza moc. Wytwórcy systemów pobierania energii z otoczenia rozpoczęli wykorzystywanie tej mocy.
Można by rzeczywiście wykorzystać urządzenie MEMS do wykrywania anomalii częstotliwości w przekładni – stwierdza Wayne Meyer, dyrektor ds. marketingu poziomego w dziale Micromachined Products firmy ADI. Mogłoby to umożliwić wskazanie, że przekładnia jest w nieodpowiednim położeniu albo że łożysko jest nieodpowiednie.
Podobne scenariusze mogą się pojawić również dla zestawów ogniw słonecznych. Dzięki wykorzystaniu czujników MEMS o niskim zasilaniu, panele słoneczne mogłyby śledzić słońce znacznie skuteczniej, w miarę jak porusza się po niebie i odpowiednio by się ustawiały w celu uzyskania najlepszego ustawienia naświetlania.
Powód stosowania takich technologii jest oczywisty. Wiele potencjalnych zastosowań zostaje naprawdę urzeczywistnionych, gdy inżynierowie wyeliminują potrzebę stosowania baterii.
W przypadku, gdy systemy mają obszary trudnodostępne, będziesz zainteresowany zastosowaniem komponentów, które nie będą wymagać wymiany ani konserwacji przez szereg lat – twierdzi Meyer.
Firmy rozpoczynające działalność zdają sobie z tego sprawę, że tego rodzaju zastosowanie nie będzie możliwe bez zaangażowania dużych dostawców elektroniki, którzy umożliwiają systemom pobierania energii z otoczenia w celu wykrywania, przetwarzania, wzmacniania, procesowania i transmitowania sygnałów.
Ta technologia będzie korzystna dla istniejących zastosowań, jak również zastosowań, które w przeciwnym przypadku nie byłyby możliwe – stwierdza Valenzuela z firmy TI. Otwiera to nieprawdopodobnie wielki rynek w tym zakresie.
