Мотивація
На мою думку будь який виріб цінний настільки, наскільки доданої вартості він додає. Комбінуючи різні ідеї і технології, можна отримати більшу додану вартість ніж кожен елемент окремо. В інтернеті речей поєднано кілька технологій:
- Різноманітні сенсори і актюатори в безпосередній близькості до робочого об’єкта (людини, мотора, тощо) що надають пряму інформацію без потреби в інтерпретації
- Безпровідне (зазвичай) з’єднання з більш потужними обчислювачами і інтернетом загалом, що потребує багаторівневої архітектури.
- Обробка даних, прийняття рішень і взаємодія з подібними об’єктами навколо.
- Мале споживання і довге життя, автономність.
Останнє можна досягти оптимізацією електричних схем. Зазвичай живлення приладів інтернету речей отримується від батареї. Батарею треба заряджати і час від часу міняти. Оскільки IoT приладів стає все більше і більше, обслуговування по заміні батарей стає все складніше. Це породжує велику кількість відходів. Особисто в мене сматрфони змінюються через батарею, а не через поломку. По суті батареї є слабким місцем інтернету речей. Альтернативно, енергію можна отримувати він сонячних панелей або інших джерел, а зберігати енергію у суперконденсаторах.
Завдання заготівлі енергії є подвійне. З однієї сторони це отримати додаткову (в ідеалі всю) енергію для функціонування приладу не з мережі, а з іншої сторони продовжити життя батареї (кількість циклів перезарядки є обмеженою).
Під заготівлею енергії розуміється продукування малих електричних потужностей із сонячної енергії, різниці температур, механічних вібрацій чи ВЧ випромінювання. В залежності від джерела, це можуть бути від мікроватт до сотень міліватт. В залежності від вимог IoT приладу і середовища де він використовуєтся, можна використовувати той чи інший метод збору енергії.
Для прикладу, вам потрібно десь у полі вимірювати вологість грунту, освітлення і температуру щогодини. Ці дані відсилаються по радіоканалу LoRa на основну станцію, яка збирає, накопичує і відсилає по 4G дані на сервер. Оскільки датчик працює лише кілька секунд впродовж однієї години, то він не потребує багато енергії. Датчик може отримувати енергію він сонячної панельки і маленького Li-Ion акумулятора. Якби можливість самопідзаряки була б відсутня, потрібно було б їздити по всьому полі і міняти чи перезаряджати акумулятори, що є додаткові затрати. Тобто сонячна панелька для цього датчика створює додану вартість.
Вимоги до системи
Оскільки енергії що будуть отримуватись заготівлею енергію є мізерні, то вся система має бути оптимізованою: малий струм в стані сну, малий струм витоку, тощо. Окрім того система, що збирає енергію, має бути високоефективною. Лінійні регулятори тут не підходять. На щастя існує чимало готових, оптимізованих мікросхем. Єдина задача є вибрати найбільш підходящу під проект.
Окрім того, що метод збору енергії має бути оптимізованим до середовища в якому працює прилад (наприклад стаціонарно закріплений прилад не назбирає багато енергії від механічних вібрацій). В додаток, система збору має бути оптимізована по споживанню приладу.
Цікавим прикладом є є скриньки для пошти та пакунків, які використовують миттєву механічну енергію, що вловлюється при відкриванні скриньки, для подальшого живлення електроніки, яка відстежує, наскільки заповнена скринька.
На малюнку знизу дано типове споживання IoT приладів і відповідних джерел:
П’єзо-мезанічна заготівля
Рух, вібрації чи звук можуть буте перетворені в енергію. Це може бути використано у системах контролю трафіку. Це малопотужні джерела енергії (мілівати) і тому підходять лише для дуже маленьких систем. Існують спеціальні мікросхеми як от LTC3588 що роблять всю марудну роботу по перетворенні енергії. Генераторами енергії тут є катушки з рухомим осердям, рухомі конденсатори, п’єзо елементи, динамомашина, тощо.
Заготівля ВЧ енергії
Детекторні приймачі працюють без батарейок і дають чутний звук. Детекторний приймач був першим моїм приладом в електроніці. Аналочно можна отрмувати енергію від потужних ВЧ передачачів. Проте типові значення енергії досяжні цим способом є мікровати.
Очевидним і всеосяжним прикладом використання ВЧ енергії є RFID таги.
Заготівля термічної енергії
Термічна енергія можна перетворити у електричну двома способами:
- Термоелектричним: за допомогою елементу Пельтьє
- Термоелектронним: за допомогою термопар.
Знову з таки існують спеціалізовані мікросхеми (як от LTC3108), що перетворюють маленькі напруги генеровані наприклад Пельтьє модулями у робочі напруги.
Проблемою такої заготівлі є знайти підходяще джерело теплоти. Я був зробив схему на LTC3108 для відсмоктування життєвої енергії:
https://www.youtube.com/shorts/j9XfSDk55u4
Заготівля сонячної енергії
Енергія від світла (сонячного чи штучного) може бути захопленю і збереженою для подальшого використання. Це робиться за допомогою фотодіодів (багатьох фотодіодів). Чим більше фотодіодів (більша площа сонячної панелі), тим більша можлива генерована енергія. Генерація від штучного світла набагато менша (близько 1%) ніж від сонячого світла. Ми не помічаємо цю різницю через надзвичайну можливість нашого ока адаптуватися до рівня освітлення.
Сонячне освітлення не є постійним і змінюється від висоти сонця і хмарності. В Україні і в іншій частині Європи, рівень освітленості є ось такий:
Зі сонячними панелями ми перетворюємо десь 8-20% (типово 12%) сонячної енергії у електричну.
Панель площею 25 см2 може отримувати десь 0.0025*1150000/24/365=330 мВт усереднено за рік і день (40 мВт електричної потужності), але це ще залежить від кута освітлення. Ефективність спадає як косинус кута між нормаллю до площини панелі та напрямом падіння променів. Якщо панель фіксована, впродовж дня цей кут може змінюватись від 90 градусів до 0 та від 0 до 90 градусів.
Фотовольтаїчні панелі складаються з багатьох фотодіодів увімкнених послідовно і паралельно. Паралельно фотододи вмикають аби збільшити струм, а постідовно, аби збільшити напругу. Напруга генерована одним фотодіодом є десь 0.5В. Електроніка не може працювати з такою малою напругою, тому при послідовному ввімкненні досягається напруга у кілька вольт (0.5В+0.5В+0.5В+...). Тут одразу виникає проблема, що якщо частина панелі затемнена, то фотодіоди у тіні є закриті, а тому обмежуть струм від добре освітлених фотодіодів панелі. В такому разі ефективність панелі падає. Тому не треба встановлювати сонячні панелі біля дерев чи чогось що дає тінь на них.
Характеристика сонячної панельки
Розглянемо модель фотовольтаїчного джерела (один фотодіод). У простому випадку це джерело струму і діод увімкнений у зворотньому напрямку. Послідовний резистор та шунтуючий опір є паразитними.
Два основні параметрами, які характеризують фотоелемент, є напруга холостого ходу і струм короткого замикання. Типові криві для струму і напруги фотоелемента показані на рисунку нижче. Струм короткого замикання - це максимальний струм джерела струму, напруга холостого ходу - це напруга падіння на діоді. У панелі ці значення маштабуються на кількість під'єднаних паралельно і послідовно фотодіодів. Зі збільшенням рівня освітленості струм від генератора зростає, а криві IV переміщуються вгору:
Ця крива є частиною вольт-амперної характеристика фотодіода:
На малюнку N-1 показана частина цієї характеристики (нижній правий квадрант). Напруга на виході фотодіода є нелінійною функцією освітленості, але може видавати значний струм (синя лінія). Це є фотовольтаїчний метод використовування фотодіода. Цей метод використовується перш за все для продукування енергії. Якщо змістити напругу прикладену до фотодіода, можна отримати лінійну функцію, але менший струм (червона лінія). Це є фотопровідний метод. Він використовується у детекторах для вимірювання освітлення.
Щоб отримати максимальну потужність від фотоелемента, вхідний опір перетворювача живлення (навантаження) повинен бути узгоджений з вихідним опором елемента, що призведе до роботи в точці максимальної потужності .
Будь яку напругу можна перетворити на іншу напругу і струм відповідно відмаштабуться. Наприклад 5В 1А джерело живлення можна перетворити на 10В і 0.5А (при ідеальному перетворювачі). Важливим параметром є не струм чи напруга, а потужність, тобто їх добуток: P=UI. Залежність знизу отримана перемноженням струму (малюнок N-1) на напругу (вісь X) :
MPPT (Maximum Power Point Tracking) мікросхема регулює вихідний струм, що подається на навантаження. Оскільки освітленість панелі постійно змінюється, то шукати точку максимальної потужності потрібно регулярно. Для цього мікросхема (на моє розуміння) вимірює напругуна панелі без навантаження і струм короткого замикання. Цих двох вимірів достатньо щоб встановити криву і знайти максимум.
Китайці продають контроллери типу CN3163/CN3065 (SD05CRMA) для зарядок. Але це не є повнофункціональне MPPT, хоч вони і дають це в назві. Це просто контроллер заряду акумулятора від сонячної панельки. Схоже що з практичної точки зору їх достатньо для бюджетного проекту.
Користуючись інструкцією за посиланням я був виміряв ці характеристики для двох рівнів освітлення.
Оптимальна точка не сильно рухається. Проте я спостерігав незрозумілий гістерезис у вимірюваннях. Частота скану 15 Hz. Недовгий пошук у інтернеті показав, що гістерезис там дійсно є (відкриття для мене) і природа його до кінця не зрозуміла. При збільшенні частоти, гістерезис збільшується:
