learn.armstankov
СА · Тема 20 · Енергия отвсякъде

Сензор без батерия – живее от лампата в стаята

Датчик на стената, който никога не се зарежда – няма кабел, няма батерия, а мери и праща всяка минута. Захранва го мъничка соларна клетка от светлината в стаята. Денем трупа в суперкондензатор, нощем харчи от него. В урока смятаме дали ще изкара нощта и какво трябва, за да не спре никога.

≈ 2 мин четене∿ 1 жив уредСамопроверка: 4 въпроса

Енергия „от въздуха“ ​

Energy harvesting е събиране на малки количества енергия от околната среда: светлина, вибрации, топлина, радиовълни. После тя се натрупва и захранва устройства с много ниска консумация, най-често безжични сензори (тема 12). Целта не е да произведеш много. Целта е да събираш, когато има, и да харчиш, когато трябва.

Защо: без кабели и без (или с по-малко) батерии, по-дълъг живот, лесен монтаж, ниска цена и по-малко отпадъци (3R: reduce, reuse, recycle).

Системата има три основни части плюс товара:

  1. преобразувател (harvester) – соларна клетка, пиезо, TEG, антена (теми 22–24);
  2. PMU (блок за управление на захранването) – интегрална схема със свръхниска собствена консумация. Повишаващ преобразувател тръгва от едва 20 mV, има MPPT (тема 22) и зарядно;
  3. съхранение – суперкондензатор или малка батерия (тема 25);
  4. товар – микроконтролер с много режими на сън и бързо събуждане, плюс радио в обхвата 2,4 GHz: ZigBee, Z-Wave, Bluetooth Low Energy.

Сметката за едно денонощие ​

Решава балансът: това, което се събира за деня, трябва да е поне колкото се харчи за 24 часа. А нощта трябва да се изкара от натрупаното.

Клетката дава 300 μW през 10 светли часа, а възелът харчи средно 100 μW. Суперкондензаторът е 10 F, зареден до 3 V. Денят носи 10,8 J, а денонощието иска 8,64 J. Кондензаторът покрива 80 часа тъмнина (до 1,8 V). За пет денонощия възелът е спирал 0 пъти.

Пет денонощия
Суперкондензаторът денем и нощем
0204060801001200123t – часовеU, V
напрежение на суперкондензатора минимум за DC-DC (1,8 V) светло
Фигура 1.

Синята черта горе е светлото време. Денем напрежението расте до 3 V и спира: кондензаторът е пълен и останалото се губи. Нощем бавно пада. С малък кондензатор енергията на деня стига, но не може да се побере: нощта свършва преди сутринта и възелът спира. В тъмния ъгъл денят носи по-малко, отколкото денонощието харчи, и напрежението пада всеки ден, докато възелът спре. Трябват и двете: достатъчно събрана енергия и достатъчно място да я пазиш.

Самопроверка ​

1. Кои са основните елементи на системата за energy harvesting?

Преобразувател (harvester), блок за управление на захранването (PMU), съхранение (суперкондензатор/батерия) и товар (микроконтролер със сън + радио).

2. Възел харчи 100 μW. Колко енергия иска за денонощие?

100·10⁻⁶ W · 86 400 s ≈ 8,6 J.

3. Колко часа нощ покрива 10 F кондензатор от 3 до 1,8 V при 100 μW?

½·10·(9 − 3,24) = 28,8 J → 28,8/100·10⁻⁶ = 288 000 s ≈ 80 часа.

4. Защо PMU трябва да стартира от десетки mV?

Някои преобразуватели (TEG, единични соларни клетки на тъмно) дават само десетки–стотици mV; без повишаващ преобразувател енергията им е неизползваема.