環境発電により、IoTで1兆個のバッテリー不要センサーを実現

ワイヤレスIoTセンシングデバイスは、人、機器、インフラストラクチャ、および環境の上、中、または近くに配置できます。これにより、21世紀の世界で最も緊急の課題に対処するための新しいツールが提供されます。気候変動から、クリーンなエネルギー、安全な食品の確保、そして何よりも高齢者の健康と福祉への配慮です。ただし、これを実現するには、「IoTの強化」のギャップに対処する必要があります。つまり、ソリューションは、電力を供給するIoTデバイスよりも長持ちするバッテリーで実行する必要があります。

この記事では、環境発電（EH）を利用したソリューションがIoTにもたらす重要な貢献について説明します。今後数年以内に導入される可能性のある1兆個のセンサーのうち、大部分は超低電力（ULP）ワイヤレスの種類のものになります。これらは、外部電源を補うことも、独立した電源として機能することもできるEHの最適な候補でもあります。

IoTを強化するために私たちが採用するアプローチは、私たちの世界を日々変化させる非常に多くのテクノロジーを実現するために重要です。たとえば、自動運転車（CAV）は、高帯域幅と低帯域幅の両方の接続を備えた信頼性の高いユビキタスセンシングに依存します。これらはすべて、電力密度の向上と軽量化を必要とします。これは、セルフパワーのワイヤレスセンサーの2つです。ネットワークサポート。

コスト

EHの主な付加価値は、動作環境で周囲のエネルギーを取り込むことにより、消費時にシステムエネルギーを提供/補足することです。 EH実装の正当性と成功は、特に総所有コストの観点から、投資回収の計算方法に大きく依存します。たとえば、EH機能のシステム部品表に3ドルから5ドルを追加することは、ボリュームで約0.25ドルの使い捨てコイン電池と比較するとおかしなことに思えるかもしれません。環境と持続可能性の要因を無視しても、財務分析では考慮すべきことがたくさんあります。そのバッテリーを交換する必要がある場合、人件費/アクセスロジスティクスのコストだけで、コイン電池の節約が桁違いに失われる可能性があります。そのバッテリーが、コンクリートの壁などの過酷な環境やアクセスできない環境にある場合、天国は禁じられています。高い天井、人体、または深い油井。

アンビエントエネルギー

EHは、電源として利用可能な周囲エネルギー（熱、振動、光）を使用する必要があります。約1マイクロワットから数百マイクロワットまでのスイートスポットがあり、既存の電源へのドレインが大幅に少なくなり、適度なサイズのハーベスターからの周囲エネルギーを使用するための実行可能性が高まるという「二重の影響」があります。これにより、バッテリーの寿命が大幅に延びる可能性があり、場合によっては、完全な電力の自律性につながることさえあります。 （これは最近のEUの出版物で議論されており、図1に示されています。 ⁱ ）

EHをシステム設計に統合することによって推進される重要な課題は、本質的に非常に散発的である可能性のあるエネルギー源を扱うことです。エネルギーを回収し、後で使用できるようにするために、エネルギー貯蔵および電力管理デバイス/回路が必要です。周囲の清掃からの電力抽出に対処するために行わなければならない独自のエンジニアリング努力があるだけでなく、それらのニーズの多くはEHの方法ごとに異なる可能性があります。言い換えれば、EHトランスデューサーからの生エネルギーの取得と電力変換/管理/規制のニーズは、太陽光発電（PV）と熱電発電機（TEG）または振動ハーベスティングでは異なります。さまざまなフレーバーのPVセルに電力を供給する場合でも、テクノロジーによって大きく異なる可能性があります。一般的なアプローチは、DC（PV、TEG）またはAC（振動、摩擦電気、RF）のいずれであっても、生の収穫されたエネルギーの性質によって駆動される傾向があります。

太陽電池は太陽や人工光源からの光エネルギーを直接変換しますが、TEGは温度差からエネルギーを抽出して電気エネルギーを生成します。振動（電気力学的または圧電性）および摩擦電気源は、物理的な動きに由来します。 RFキャプチャでは、通常、整流アンテナ（レクテナ）とバランシングネットワークを使用してから、一般的に、DC/DC変換ブロックに給電します。

最適なEH対応システムソリューションでは、最大エネルギーポテンシャルを完全に実現するために、最大電力点追従（MPPT）および/または慎重に制御されたインピーダンス整合が必要になる場合があります。さらに、多くの周囲エネルギーは非常に低い電力および電圧レベルにあります。ほとんどの市販（COTS）パワーマネジメントIC（PMIC）は、10μWおよび100mV未満のエネルギーを使用可能な電力に変換することができません。これを解決するための研究コミュニティ主導の取り組みの例は、Tyndall National Institute（アイルランド、コーク）によって開発されているMISCHIEFプラットフォームです。 MISCHIEFは、革新的な高効率、低静止電流のPMICであり、これまで使用できなかった10μW未満の領域で前例のない範囲の周囲エネルギーを処理できます。モジュール式で高度な設定が可能なため、新しい回路ブロックの追加や設定値の範囲の調整が簡単にできます。また、他のコンポーネントと対話して、それらの動作モード（スリープ、スタンバイ、センス、送信、処理）を動的に調整できるようにするデジタルインターフェイスも備えています。これにより、アプリケーションのニーズを満たしながら、消費電力を最小限に抑えることができます。

エネルギー貯蔵は、ピーク需要を処理するためのバッファーを提供するため、断続的なエネルギー源にとって重要です。したがって、上流の電源は、最悪の場合のピーク電力需要ではなく、システムの定常状態のニーズを提供するだけで済みます。

EHエコシステムの作成

Power IoTおよびEHコミュニティへの貢献者（開発者、材料およびデバイスのメーカー、インストーラー、インテグレーター、エンドユーザー）は、サイロ化された環境で作業する傾向があります。ただし、EHが主流のアプリケーションに大きく浸透するには、EHトランスデューサーの人々は、他の多くの低電力システムコンポーネントプロバイダーやエンドユーザーはもちろん、電力管理やエネルギー貯蔵の人々と緊密に連携する必要があります。これは、この記事で取り上げるセンサーネットワーク、低電力タイプのアプリケーションの多くに特に当てはまります。

権力の座に。

参照：

私。 https://www.enables-project.eu/wp-content/uploads/2021/02/EnABLES_ResearchInfrastructure_PositionPaper.pdf

ii。 http://www.enerharv.com/

iii。 https://www.psma.com/technical-forums/energy-harvesting

iv。 M.HayesとB.Zahnstecher、「5G、IoT、エネルギーハーベスティングの好循環」、 IEEE Power Electronics Magazine 、vol。 8、いいえ。 2021年9月3日