More Related Content
What's hot (6)
Similar to Абсорбция энергии из окружающей среды: возможности и технологии (20)
Абсорбция энергии из окружающей среды: возможности и технологии
- 1. Абсорбция энергии для электропитания автономных устройств Андрей Дюсьмикеев
- 2. Андрей Дюсьмикеев Директор компании МедиуМ, математик, инновационный предприниматель, солнечный инженер Национальный эксперт по солнечной энергетике для Программы развития ООН в Беларуси Facebook: Andrei Dusmikeev Компания SolarEnrg, Минск, Беларусь Опыт работы в возобновляемой энергетике с 2011г, более 150 проектов - в солнечной энергетике http://solarenrg.by/ Инженерные решения возобновляемой энергетики
- 3. мечта! 19-й век: Кто виноват? Что делать? 20-й век: Почему так медленно? 21-й век: Где здесь розетка?
- 4. Технологический разрыв Противоречие: точность показаний vs энергозатрат Поверочный срок счетчика – 6 лет, а стандартного аккумулятора хватает на 1,5-2 года
- 5. Технологический разрыв Противоречие: Автономность энергопитания походная – до 24 часов, автономность боевая – до 12 часов vs около половины веса снаряжения – вес аккумуляторов vs нужно как-то выжить
- 6. Самсунг выпустил метку контроля, которая определяет, вне помещения она находится или внутри на батарейках. Аккумуляторы вместо 10 анонсируемых лет проработали в сети NB-IoT 7 дней!!! из свежего (4-й квартал 2017) обзора https://iot-analytics.com/! Почему и что делать?
- 7. Технологический разрыв Закон Мура: 2х/ежегодно миниатюризации и производительности процессоров Повышение плотности энергии аккумуляторов – 4х/20 лет
- 10. Абсорбция энергии (energy harvesting) – процесс захвата окружающей энергии и хранение ее в виде электричества. Это самый важный сектор для питания устройств IoT. Технология Плотность энергии солнечные элементы PV 100 mW/cm2 термоэлектрические 10 mW/cm2 электромагнитные 0,1 microW/cm2 вибрация 1 nanoW/cm2 и прочие электростатические и микроволновые преобразования
- 12. • Кинетическая энергия (перемещение, вращение или вибрация) давно используется для генерации электрической энергии с использованием электромагнитных или пьезоэлектрических принципов. Для большинства применений электромагнитный harvester является лучшим выбором, поскольку он обеспечивает более стабильную выходную мощность при более длительном жизненном цикле без эффектов старения. • Солнечная энергия. Многие датчики питаются от миниатюрных солнечных батарей. Они хорошо подходят для применений с достаточным освещением (как внутри, так и снаружи) и часто используются для сенсоров температуры, влажности, освещения или датчиков CO2. Подачу энергии можно масштабировать, регулируя размер солнечного элемента. • Тепловая энергия. Температурные разности используются для генерации энергии на основе элементов Пельтье. Выходные мощности малы, поэтому для генерации энергии могут использоваться только попутные процессы теплообмена. Часто используемые виды энергии
- 13. Функциональная схема абсорберов энергии Energy harvesters
- 14. Пьезо – генераторы. Эффект Обувь со встроенным пьезо-генератором. Потенциал снятия мощности – до 25Вт с каждого ботинка Ограничения: нестабильность источника, низкие токи заряда
- 15. Пьезо – генераторы. Плитка.
- 16. «Умный текстиль». Эффект Smart Textile – основная литература https://issuu.com/dumblesong/docs/smarttextiles https://www.amazon.com/Triboelectric-Nanogenerators-Green-Energy-Technology/dp/331940038X
- 18. Микро -гидро-генераторы Гидро-генераторы типа крыльчатки и гидро-турбины, мощностью 1-10 Вт
- 19. Комбинирование источников абсорбции энергии Неравномерность заряда требует дополнения и комбинирования источников энергии. Предпочтительны комбинации взаимно- дополняющих решений: - солнце + тепло; - вращение + вибрация; - все типы волновых колебаний; - вибрация + пьезо; - электромагнитные источники нескольких диапазонов SolGate power kit – комбинированный (солнце + тепло) источник энергии
- 21. Компания SolarEnrg, Минск, Беларусь Опыт работы в возобновляемой энергетике с 2011г, более 150 проектов - в солнечной энергетике http://solarenrg.by/ Инженерные решения возобновляемой энергетики SolGate power kit – комбинированный (солнце + тепло) источник энергии
- 22. Мощность 1.5Вт, на широте 50-53 Производительность солнечного модуля (/месяц)
- 24. Карта инсоляции России. Потенциал солнечной энергии
- 25. Мощность 1.5Вт, на широте 50-53 Производительность солнечного модуля (/месяц)
- 26. Наш продукт – SolGate 1.X thermo • Размеры: 120х70х30мм • Solar + thermal • IP65 • Емкость АКБ от 100 до 400 мАч • Выработка 0,6-1,2 Вт*ч/день • Стоимость - xx.xx$ • 100% автономность устройства
- 27. Совмещение: solar + thermal 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 POWER,W CURRENT, А Электрическая мощность генератора Peltier Рабочая разница температур при эксплуатации солнечного модуля: dT = 65С – 25С Генератор Peltier работает на разнице температур: dT = 40C dT = 50C dT = 40C dT = 25C
- 28. Эффект совмещения: solar + thermal 0.48 0.48 0.41 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 Photovoltaic Photovoltaic+Peltier Power,W Photovoltaic+Peltier Photovoltaic Выигрыш +90% мощности (зимой)
- 30. комплект сбора солнечной энергии и питания беспроводных сенсоров, микроконтроллер MSP430 http://www.ti.com/tool/EZ430-RF2500-SEH#1 Texas Instruments EZ430-RF2500-SEH
- 31. Для систем автоматизации и контроля зданий. Harvesters 3 типов: свет (40 мкВт), тепло (100 мкВт), вибро (около 240 мкВт). Передача данных в диапазоне 863 МГц низкого потребления НЕ полноценные IoT-устройства: соединяются со шлюзом, а шлюз - c интернетом Радиус около 100 метров. Подробнее в статье https://www.electronicsweekly.com/uncategorised/sensors- powered-by-energy-harvesting-key-to-iot-success-2015-08/ EnOcean – группа производителей IoT-устройств
- 32. Принцип расчета энергонезависимого IoT-устройства Суммарная поступающая энергия от Harvesters должна быть больше потребляемой:
- 33. Ключевые задачи энергообеспечения: - генерация (сбор) требуемой энергии; - определение и обработка данных сенсоров; - беспроводная передача собранной информации; - поддержка неактивного (спящего) состояния Оптимизация алгоритмов работы устройства: 1) Использование последних версий микропроцессоров и чипов 2) Гибкая настройка частоты передачи и величины пакетов данных 3) Использование спящих режимов процессоров и модулей связи 4) Адаптивное энергопотребление Все задачи должны быть комплексно оптимизированы для обеспечения жизнеспособных решений Задачи энергетического дизайна
- 34. Уличный датчик для мониторинга качества воздуха в сети NB-IoT Дано: Бюджет энергии: солнечная панель мощность 1.5 Вт ( 150 см2), термогенератор на элементах Пельтье. Задача: измерение содержание углекислого газа, сравнение с заданными целевыми параметрами. Необходимо сконструировать сенсорную систему с потреблением <= 10 мА (U=3,7V) в активном и <= 0,2 мА в спящем режиме. Решение: 1) доступная энергия распределяется по 3-м основным задачам: для измерений, беспроводной передачи и режима сна 2) измерение параметров, обмен данными между датчиком и процессором и начальная обработка данных потребует 10 мА тока (в интервале dt=10 мс); процессор тепло периферия процессор связь периферия солнце связь Спящий режим Активный Собранная энергия
- 35. Выводы Задача системного дизайна – спроектировать сбалансированную энергетическую систему 1. Вероятно строить системы и платформы IoT на базе сенсоров с использованием устройств для сбора энергии (energy harvesting) по принципу «установил и забыл» при условии балансирования выработки и потребления энергии 2. Баланс может быть установлен в 2-х направлениях: - функциональность системы (требуемая мощность) фиксирована, а источник (харвестер) масштабируется; - подача энергии харвестера фиксирована, а функциональность системы должна быть оптимизирована https://www.electronicsweekly.com/uncategorised/sensors-powered-by- energy-harvesting-key-to-iot-success-2015-08/
- 36. Дюсьмикеев Андрей - директор компании МедиуМ Facebook: Andrei Dusmikeev Dusmikeev@solarenrg.by Tel/viber/telegram/whatsapp: +37529 7703334 Илья Хрущ – директор компании AmperTeam Инженерные решения абсорбции энергии engineer@solarenrg.by http://solarenrg.by/ Facebook: SolaEnrg http://devenergy.me/ Facebook: SolGate Контакты
- 37. Комнатный датчик на солнечном harvester Дано: Бюджет энергии ограничен размером солнечной батареи (5 см2) и стандартной освещенностью(200Lux*6час) Задача: измерение температуры и влажности в помещении, сравнение с заданными целевыми параметрами. Необходимо сконструировать сенсорную систему с потреблением <= 1 мкА (U=3V) Решение: 1) доступная энергия распределяется по 3-м основным задачам равномерно: по 300 нА - для измерений, беспроводной передачи и режима сна 2) измерение параметров, обмен данными между датчиком и процессором и начальная обработка данных потребует 1 мА тока (в интервале dt=10 мс); 3) вычисляем максимальное количество измерений в день, сравнивая имеющуюся энергию в день (300nA x 86.4s) с требуемой энергией на измерение (1 мА x 10 мс) Исходный бюджет энергии позволит получить 2 592 измерения/день Уточнение: - температура и влажность изменяются медленно; - необходимо экономить энергии - устанавливаем скорость 1 измерение/минуту (1440/ день) 4) Для радиопередачи предполагаем средний ток 25 мА для форматирования и передачи данных со скоростью 125 кбит/с. Время передачи составит чуть более 1 секунды/ день 5) Учитывая количество (1440/ день) измерений, мы должны ограничить общую длину сообщения до 10 байт, чтобы передавать каждый результат за 1 сеанс Примечание: Необходимо оптимизировать как протокол радиосвязи, так и объем передачи данных Оптимизированный протокол должен максимально ограничивать служебные данные передачи (управление, преамбула, синхронизация, проверка ошибок) при сохранении высоконадежной связи - более 50 байтов служебных данных. Вывод: использование протокола IPV6 обычно невозможно в комплексе harvester+sensor Оптимизированный по мощности протокол ISO/IEC 14543-3-1X, требует всего 12 байтов для передачи 1 байта данных. Использование такого протокола в сочетании с интеллектуальной стратегией (только значительные изменения) позволяет использовать даже избыточные уточняющие сеансы передачи
Editor's Notes
- #13: Кинетическая энергия в разных формах (поперечное перемещение, вращение или вибрация) уже давно используется для генерации электрической энергии с использованием электромагнитных или пьезоэлектрических принципов.