Энергия из окружающей среды

Энергия из окружающей среды

Linear Technology LTC3588-1

Jim Drew, Linear Technology

Design Note 483

Введение

Последние достижения в области микроконтроллеров с ультранизким потреблением мощности позволили создать устройства с беспрецедентными соотношениями уровней интеграции и потребления. Это системы на кристалле с уникальными функциями энергосбережения, такими как отключение питания для перевода устройства в неактивный режим. К сожалению, батареи требуют регулярной замены, что делает техническое обслуживание проекта дорогим и неудобным. Более эффективным решением для питания беспроводных устройств может быть сбор механической, тепловой или электромагнитной энергии из среды, окружающей датчик.

Показанная на Рисунке 1 микросхема LTC3588-1 представляет собой законченное решение для сбора энергии, оптимизированное для высокоимпедансных источников, таких, например, как пьезоэлектрические преобразователи. Микросхема содержит полномостовой выпрямитель с низкими потерями и высокоэффективный синхронный понижающий преобразователь, передающий энергию от входного накопительного устройства на регулируемый выход и способный отдавать в нагрузку ток до 100 мА. LTC3588-1 выпускается в 10-выводных корпусах MSE или DFN размером 3 мм × 3 мм.

Рисунок 1. Законченное решение для сбора энергии, оптимизированное
для таких высокоимпедансных источников, как
пьезоэлектрические преобразователи.

Источники окружающей энергии

К источникам окружающей энергии относятся свет, разность температур, вибрация, передаваемые радиочастотные сигналы и все другое, что способно с помощью соответствующего преобразователя вырабатывать электрический заряд. Например:

  • Небольшие солнечные панели, уже долгие годы питающие портативные электронные устройства, могут отдавать сотни мВт/см 2 при прямом солнечном освещении и сотни мкВт/см 2 при отраженном свете.
  • Термоэлектрические устройства преобразуют тепловую энергию в электрическую везде, где имеется градиент температур. Диапазон источников тепловой энергии варьируется от человеческого тела, способного производить десятки мкВт/см 2 , до вытяжной трубы печи, температура поверхности которой может обеспечить мощность до десятков мВт/см 2 .
  • Пьезоэлектрические устройства вырабатывают энергию либо при их сжатии, либо при изгибе. Пьезоэлементы, в зависимости от размеров и конструкции, могут вырабатывать мощность до сотен мкВт/см 2 .
  • Радиочастотную энергию можно собирать с помощью антенны, получая до сотен пВт/см 2 .

Для успешного конструирования полностью автономных систем беспроводных датчиков требуются энергосберегающие микроконтроллеры и преобразователи, потребляющие минимальную электрическую энергию, получаемую из маломощных окружающих источников. Теперь, когда доступны и те, и другие, недостающим звеном остается высокоэффективная схема, способная превращать выходную энергию преобразователя в полезное напряжение.

Рисунок 2. Компоненты системы сбора энергии.

На Рисунке 2 изображена система сбора энергии, содержащая источник/преобразователь энергии, элемент накопления энергии и средства преобразования накопленной энергии в полезное стабилизированное напряжение. В некоторых случаях между преобразователем и накопительным элементом может потребоваться выпрямитель для защиты преобразователя от обратного поступления энергии, или, в случае использования пьезоэлектрического устройства, для выпрямления переменного напряжения.

Примеры практических схем

Для нормальной работы LTC3588-1 необходимо, чтобы выходное напряжение преобразователя энергии было выше предельного порога блокировки при пониженном напряжении для конкретного выходного напряжения, установленного на входных контактах D0 и D1. Для переноса максимального количества энергии напряжение холостого хода преобразователя должно вдвое превышать входное рабочее напряжение, а ток короткого замыкания должен вдвое превышать требуемый входной ток. Для того, чтобы подача энергии на выход не прерывалась, эти требования должны выполняться при минимальной мощности возбуждения источника.

Пьезоэлектрический преобразователь энергии

На Рисунке 3 изображена пьезоэлектрическая система, способная при размещении ее на пути воздушного потока вырабатывать до 100 мкВт при напряжении 3.3 В. Изгиб пьезоэлемента составляет 0.5 см при частоте 50 Гц.

Рисунок 3. Пьезоэлектрический сборщик энергии.

Термоэлектрический преобразователь энергии

На Рисунке 4 показана система сбора энергии, использующая термоэлектрический генератор, выпускаемый фирмой Tellurex. Разность температур создает выходное напряжение, позволяющее обеспечивать выходную нагрузку мощностью 300 мВт. Подключение преобразователя к входу PZ1 защищает его от протекания обратных токов, идущих из термогенератора при удалении источника тепла. Резистор 100 Ом ограничивает ток для защиты входного моста микросхемы LTC3588-1.

Рисунок 4. Термоэлектрической сборщик энергии.

Сбор энергии из электромагнитного поля, создаваемого стандартной люминесцентной лампой

Это приложение требует некоторого нестандартного подхода. Рисунок 5 демонстрирует пример системы, собирающей энергию из электрического поля, окружающего высоковольтные люминесцентные лампы. Две медных панели размером 30 см × 60 см размещаются в 15 см от потолочного люминесцентного светильника площадью 0.6 м × 1.2 м. Через емкостную связь панели извлекают из окружающих электрических полей мощность до 200 мкВ, а LTC3588-1 преобразует ее в стабилизированное выходное напряжение.

Читайте также:  Олеофобное стекло что это такое
Рисунок 5. Сборщик энергии электрического поля.

Заключение

Собирая энергию из окружающей среды, LTC3588-1 обеспечивает удаленные датчики безбатарейным питанием. Микросхема содержит все важнейшие блоки, необходимые для управления питанием: мостовой выпрямитель с малыми потерями, высокоэффективный понижающий регулятор, детектор пониженного напряжения, включающий и выключающий преобразователь, и выход статусного сигнала PGOOD («Питание в норме»), позволяющий пробуждать микроконтроллер при доступности питания. Для поддержки нагрузок с током до 100 мА LTC3588-1 требуется всего пять внешних компонентов.

Материалы по теме

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Еще 10 лет назад идея множества различных радиодатчиков, надежно работающих исключительно на окружающей энергии, казалась нереальной. Интересная тема для изобретателей, мечтающих о вечном двигателе .

В наши дни, однако, если ввести в строке интернет-поиска термин "собирающие энергию", то можно получить около полумиллиона хитов. Нет сомнений, что тема стала больше, чем просто еще одна тема для разговора. Удивительно, однако, лишь очень немногие продукты, существующие на рынке, обладают таким значительным потенциалом практического применения. В статье изложены серьезные технические проблемы и пути их решения на пути к производству энергетически независимых радио датчиков в больших масштабах, используя продукты EnOcean в качестве примеров. Таким образом, становится ясно, что инновационные технические концепции часто заставляют заново "изобретать", стимулируя этим дальнейшее ускорение технического прогресса.

Давно уже известны примеры устройств, использующих энергию окружающей среды — ветра и воды. Но есть примеры редких, удивительных инженерных решений.

Часы Atmos производятся швейцарской компанией Jaeger-LeCoultre с 1936 года. У этих часов есть расширительная камера, заполненная этилхлоридом, которая, заменяя пружину, расширяется и сжимается при колебаниях температуры. Изменение температуры всего на 1 ⁰C обеспечивают часы необходимой энергией на два дня работы. Для эффективного использования малого количества энергии были применены новые подходы. Так частота кручения вибрирующей массы была сокращена до двух колебаний в минуту, были разработаны сухие подшипники с особенно низким коэффициентом трения. Все части находятся в постоянном равновесии, так что никакие силы, кроме гравитации, не действуют.

Этот способ питания часов энергией колебаний температуры окружающей среды отличный пример приложения инновационных технологий для создания автаркических (энергетически самодостаточных) устройств, к которым относятся беспроводные радиодатчики.

Сравнение характеристик различных преобразователей энергии окружающей среды по конструктивным размерам, стоимости и надежности, это первый важный шаг в оценке потенциала их применения на рынке.

Самые интересные источники внешней энергии для беспроводных датчиков:

  1. Линейные движения, например, нажатие кнопки.
  2. Солнечная энергия.
  3. Вибрация, например, вибрирующие детали устройств.
  4. Температурный градиент, например, горячего устройства и холодной окружающей среды.

Специалисты компании EnOcean разработали демонстрационный стенд беспроводного датчика, работающего на разнице температур. Основным компонентом этой разработки является дискретный DC / DC конвертер, который способен запускаться при напряжении около 100 mV, что примерно на порядок ниже величин известных ранее решений. Это позволило использовать в качестве сборщика окружающей энергии стандартные элементы Пельтье. При градиенте температуры выше 3 Кельвин между двумя сторонами элемента Пельтье, система, состоящая из элемента Пельтье, EnOcean-модуля STM100 и DC / DC конвертера — запускает и передает значения датчиков каждую секунду. Стенд имеет встроенный датчик температуры и измеритель напряжения питания. Третий аналоговый вход и четыре цифровых входа могут использоваться в конкретных приложениях.

Требования к технологии радиосвязи и управлению энергией.

1. Хранение энергии и рациональное ее использование.

Сравнение средней доступной энергии с энергией, требуемой системе радиосвязи, которая должна обеспечивать дальность устойчивой связи в несколько десятков метров в зданиях, даже через несколько стен, показывает, что непрерывная работа радиопередающих или приемных устройств не представляется возможным. Однако это и не нужно, так как многие системы датчиков предназначены только для передачи относительно небольших объемов данных с относительно большим интервалом (по сравнению со временем передачи).

Читайте также:  Параллельно знак в геометрии

Технологии хранения энергии сильно влияет на производительность системы.

Наиболее важными требованиями являются:

  • большое количество циклов заряд-разряд;
  • простой процесс зарядки, который сам не потребляет много энергии;
  • высокая плотность энергии, чтобы сохранить небольшой размер источника;
  • низкая утечка для преодоления длительных интервалов без энергоснабжения.

В таблице показаны сильные и слабые стороны существующих технологий хранения данных.

Ультраконденсаторы оказались бы лучшим решением для большинства приложений. Так как количество циклов заряд-разряд — самое важное требование, поскольку оно напрямую связано со временем жизни устройств. Наибольшая экономия энергии может быть достигнута за счет обработки всех процедур в кратчайшие сроки. В то время как эффективность работы например, высокочастотных модулей может быть увеличена только минимально и с большим усилием. Поэтому, основную долю энергии можно сэкономить, если выполнить все операции очень быстро.

Напряжение и ток как функции времени, во время запуска

Во время пауз передачи данных некоторая часть схемы может быть полностью отключена, другая часть схемы должна работать постоянно. Это пороговые переключатели, которые активируют передачу данных, и таймеры, которые вызывают определенные периодические мероприятия. Например, чтение датчиков, когда происходит изменение определенного напряжения или состояния сигнала. Доля потребления энергии этих схем доминирует над всей потребностью в энергии и поэтому должны подвергаться особенно агрессивной оптимизации. Таймеры сенсорных модулей СТМ100 или STM250, разработанных EnOcean, которые потребляют лишь около 20 nA, являются хорошим примером экономии энергии.

Таймер, который реализуется аналоговой технологией, полностью отключает все компоненты во время спящей фазы. Эта крайняя оптимизации позволяет, даже в полной темноте, до одной недели использовать запас энергии накопительного конденсатора, расположенного на печатной плате. Быстрое включение и последующее отключение датчиков так же позволяет экономить энергию. Этот подход особенно эффективен в отношении измерения параметров, которые меняются медленно. Как показано на рисунке, можно достичь среднего тока потребления блоков, которое лишь немного выше потребления в спящем режиме.

Если должны быть проанализированы очень динамичные процессы, то для снижения потока передаваемых данных следует применить их предварительную обработку. В этом случае, данные измерений не передаются, а передается только статус, результат обработки или предупреждение. Сенсорный модуль STM 100, к примеру, передает результат измерения только, если его значение изменилось по сравнению с последним переданным результатом измерений, т.к. передача требует значительно больше энергии, чем измерение.

2. Выбор рабочей частоты.

Частота радиосигнала также сильно влияет на производительность системы. Затухания сигнала сильно зависит от частоты, как показано на графике.

Существует разница приблизительно на 8 dB в производительности между частотой 2,4 GHz (ZigBee,Wi-Fi) и 868 MHz, которую использует EnOcean для применения в Европе. Т.е. при равной мощности передатчиков досягаемость более чем в два раза выше для 868 MHz. Это означает, что на частоте 2,4 GHz необходимо в 4 раза больше узлов для достижения равной зоны покрытия. Это значительно увеличивает число компонентов и стоимость установки.

Беспроводные сенсорные сети.

В беспроводных сенсорных сетях на основе энергетически автономных EnOcean радио датчиков подключены к сети питания только повторителей и оконечные узлы. Для жилого дома обычного подхода до двух уровней ретрансляторов бывает достаточно. Это концепция "Умного повтора" продолжает установку "plug & play", сложная конфигурация системы не требуется.


Концепция "Умный повтор" от EnOcean

Для больших зданий, где двухуровневых повторителей не достаточно, EnOcean развивает концепцию "Сотовой маршрутизации", которая адаптирована к требованиям узлов энергетически автономных датчиков. Принципы маршрутизации основаны на двусторонней связи между всеми компонентами. Эта задача решается уже не за счет энергетического бюджета окружающих EnOcean устройств. Концепция маршрутизации также оптимизирована для простой установки. Дополнительные аппаратные средства не используются, сеть построена на принципах самоорганизации.


Концепция "Сотовая маршрутизация" от EnOcean

Прогноз.

EnOcean продукты, доступные ранее, в значительной степени были разработаны в виде отдельных решений, не высоко интегрированных компонентов, доступных на рынке, которые поддерживают все требуемые основные характеристики. Развитие ASIC (СБИС) привело к тому, что с конца 2005г. стало происходить объединение всех специфических требований энергетически автономных радио сенсорных модулей в однокристальные решения. Это дало значительное снижение размеров и стоимости, параллельно с улучшением производительности и гибкости.

Читайте также:  Как найти длину прямой по координатам

Dr. Wolfgang Heller, Product Line Manager, and Frank Schmidt, CTO

Альтернативные источники энергии становятся все более привлекательными. Одной из причин является постоянно растущие цены на традиционные виды топлива. Природа предлагает нам многочисленные возможности для экологически чистого и экономного производства теплой энергии. Тепловые насосы используют энергию, которую природа дает нам бесплатно.

Тепловые насосы — использование энергии окружающей стреды

Земля, в частности, обладает гигантскими запасами энергии. В нескольких метрах ниже ее поверхности она сохраняет солнечное тепло. Из ядра Земли температуры величиной 6500 градусов Цельсия излучаются в ее внешние слои. Тепловые насосы используют геотермальное тепло или тепло грунтовых вод в зависимости от технологии. Энергия, накопленная в окружающем воздухе, также подходит для обогрева помещений и производства горячей воды. Тепловые насосы могут использовать эти ресурсы и, таким образом, существенно снижают затраты на производство тепловой энергии.

Не зависимо от того, какая технология используется, тепловые насосы эффективно работают даже при низких температурах окружающей среды. До 75 процентов ваших потребностей в тепловой энергии могут быть получены непосредственно из окружающей среды и бесплатно. Только 25 процентов должны быть добавлены в виде электрической энергии. В зависимости от технологии, тепловые насосы могут подключаться к трем различным источникам тепла

Преимущества использования тепла окружающей среды в качестве источника энергии:

  • Отсутствие эмиссии СО2
  • Неисчерпаемый источник энергии
  • Независимость от поставщиков энергии
  • Низкая стоимость отопления

Требования к использованию тепла окружающей среды:

  • Большие радиаторы для низкотемпературной системы
  • Хорошая изоляция здания

Геотермальная энергия

Тепловые насосы могут использовать энергию земли. Доставка энергии осуществляется двумя различными способами. Либо используется тепло, близкое к поверхности земли там, где температура одинакова почти круглый год. На поверхности земли на глубине 1,5 м устанавливается земляной коллектор в качестве нагревательного контура, который извлекает тело из земли.

Или же, возможна регенерация тепла с помощью малогабаритного геотермального зонда. Геотермическое тепло выводится с помощью специальных грунтовых зондов, которые заглублены до 100 метров в землю. Температура является постоянной в течение всего года и составляет примерно 10 °C, что достаточно для извлечения тепла.

Преимущество использования геотермального тепла:

Хорошее сбережение тепла: круглый год постоянные температуры 7-13 °C

Требования к использованию геотермального тепла:

  • Большие площади земли с открытым доступом (земляной коллектор)
  • Может требоваться разрешение

Атмосферный воздух как источник энергии

Тепловые насосы могут использовать для отопления окружающий воздух и запасенную в нем энергию. Наши современные тепловые насосы работают экономно и осуществляют нагрев даже при температуре наружного воздуха до -20 ° С.

Преимущества использования атмосферного воздуха:

  • Отличная доступность из-за свободного доступа к источнику энергии без переоснащения
  • Не требуется разрешения
  • Самые низкие инвестиционные затраты
  • Особенно подходит для модернизации

Требования к использованию атмосферного воздуха:

  • Площадка для установки наружного блока

Грунтовые воды как источник энергии

Тепловые насосы могут извлекать тепловую энергию из грунтовых вод. Их температура постоянная независимо от времени года и внешней температуры. Для извлечения грунтовых вод необходим колодец.

Преимущества использования грунтовых вод:

  • Высокая эффективность
  • Хорошая аккумуляция тепла: в морозный зимний день поддерживается температура 7-12 °C

Требования к использованию грунтовых вод:

  • Качество и количество грунтовых вод: грунтовая вода с низким содержанием минералов и извести

Наилучший источник энергии для ваших целей

То, какой источник энергии и, следовательно, какой тип тепловой насосной системы наилучшим образом подходит для вашего применения, зависит от многих факторов. Следует принять во внимание различные закупочные цены и эксплуатационные расходы.

Однако, отдельные типы тепловых насосов также отличаются друг от друга с точки зрения разрешений, продвижения и требований к зданию.

При выборе нужной системы обогрева стандартного решения не существует. Однако нетрудно найти ту систему, которая удовлетворяет вашим требованиям. Поговорите со специалистами-теплотехниками компании Vaillant. Они могут помочь вам в планировании оптимальной системы обогрева.

Ссылка на основную публикацию
Шарик равноускоренно скатывается по наклонной плоскости
За каждую секунду, путь пройденный шариком,увеличивается на 20см. Следовательно за 4 секунду он пройдет 70см. Ответ:(2) Если ответ по предмету...
Что такое ogg формат
Ogg — Dateiendung: .ogg, .oga, .ogv, .ogx MIME Type … Deutsch Wikipedia .ogg — Dateiendung .ogg, .oga, .ogv, .ogx MIME...
Что такое pppoe соединение на роутере
PPPoE (англ. Point-to-point protocol over Ethernet ) — сетевой протокол канального уровня (второй уровень сетевой модели OSI) передачи кадров PPP...
Шарнирная стойка для дрели
Стойка для дрели с тисками FIT 37861 Стойка для дрели Калибр 96203 Стойка для дрели RedVerg DS-43 Стойка для дрели...
Adblock detector