Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska Energy Harvesting Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

Drgania mechaniczne – 300 μW/cm³ Siła wiatru Energy Harvesting Energy Harvesting (EH) – technika pozyskiwania energii z otoczenia (samozasilanie) EH jest wykorzystywana do tworzenia autonomicznych, elektronicznych systemów z własnym zasilaniem pozyskiwanym z otoczenia, nie wymagających użycia baterii Największą wartością współczynnika gęstości energii charakteryzują się baterie słoneczne (źródła fotowoltaiczne) – 15 mW/cm³, ale jest problem pochmurnych dni i nocy – spadek do 10 μW/cm³ Drgania mechaniczne – 300 μW/cm³ Siła wiatru Energia cieplna (gradient temperatury) Energia kinetyczna Energia gradientów zasolenia Energia elektromagnetyczna (liczne nadajniki RTV) 05-2016 Zygmunt Kubiak

Energy Harvesting Inne źródła energii: ruch fal – urządzenia oceaniczne, ruch ramienia – zegarki: energia gromadzona przez nawijanie sprężyny powrotnej lub ruch magnesu w cewce – indukowanie SEM Źródła energii elektromagnetycznej: istniejące źródła RF i celowe źródła RF (w RFID) Ogniwo fotowoltaiczne (ang. Photovoltaic, PV): rozpowszechnione rozwiązania – krzem amorficzny (ASI), nowe rozwiązania – ogniwa słoneczne uczulane barwnikiem (ang. dye- sensitized solar cell, DSSC, DSC lub DYSC) to cienkowarstwowe, przezroczyste ogniwa, w których główną rolę odgrywa barwnik (analogia liścia) – trwają badania nad DSSC w ciałach stałych z wykorzystaniem perwoskitu; rekord prototypów – sprawność 15% Utlenianie glukozy we krwi – mikrobiologiczne ogniwa paliwowe - mogą one być wykorzystywane do zasilania wszczepianych urządzeń elektronicznych (np. rozruszniki serca, wszczepione biosensory dla diabetyków, wszczepione aktywnych urządzeń RFID, etc.) 05-2016 Zygmunt Kubiak

Bio-energy Harvesting – m.in..wykorzystanie metabolizmu drzew Zmiana ciśnienia atmosferycznego – np. do zasilania zegarów mechanicznych Moc ludzka – sportowiec do ok. 300 Wh, dorośli 50-150Wh, zdrowy robotnik średnio 75 W przez 8h Energia biomechaniczna – opaska na kolanie może dostarczyć moc ok. 2,5 W Polimery elektroaktywne (EAP) – wysoka wydajność konwersji energii – ocenia się, że masa układów opartych na EAP jest znacznie niższa niż opartych na materiałach piezoelektrycznych 05-2016 Zygmunt Kubiak

LTC3588-1 - Nanopower Energy Harvesting Power Supply Napięcie wyjściowe ustawiane cyfrowo: 1,8V, 2,5V, 3,3V, 3,6V Prąd wyjściowy do 100 mA Prąd spoczynkowy 950 nA Napięcie wejściowe 2,7V do 20V 05-2016 Zygmunt Kubiak

LTC3588-1 - Nanopower Energy Harvesting Power Supply 05-2016 Zygmunt Kubiak

S6AE101A – układ dla ogniw solarnych Energy Harvesting S6AE101A – układ dla ogniw solarnych Układ do zasilania sensorów IoT oraz węzłów w sieci bezprzewodowych czujników Urządzenie widoczne na załączonej grafice to moduł węzła WSN (Wireless Sensor Node) składający się z ogniwa fotowoltaicznego 10x10mm, dwóch rezonatorów kwarcowych oraz układu Bluetooth Low Energy z ceramiczną anteną. Miniaturowym urządzeniem zarządza mikrokontroler z rdzeniem ARM Cortex-M0. Układ zaczyna pracować już przy 1,2µW energii zasilającej, która może zostać wygenerowana przez ogniwa solarne przy natężeniu 100lx. S6AE101A w trakcie spoczynku pobiera prąd rzędu 250nA.  http://www.elektroda.pl/rtvforum/topic3078198.html#14939061 05-2016 Zygmunt Kubiak

Energy Harvesting Przykład Zygmunt Kubiak http://e2e.ti.com/blogs_/b/fullycharged/archive/2014/12/19/how-can-you-deliver-1w-power-from-a-10-mw-coin-cell?DCMP=fc&HQS=tlead-power-dcdc-pwr-alps-lpdc-myti-fullyc-20141219-en Zygmunt Kubiak

Energy Harvesting Bateria litowa LiSOCl2 charakteryzuje się długą żywotnością – 15 lat i więcej Ma bardzo wysoką wydajność energetyczna (Wh /kg), ale nie jest w stanie dostarczyć prądu o wartości większej niż np.. 20mA Źle znoszą pracę przy wyższych prądach Na poprzednim slajdzie schemat blokowy przedstawia sprawdzoną koncepcję rozwiązania powyższego problemu zasilania z użyciem układu TPS62740 i super- kondensatora co znacznie przedłuża życie baterii Kondensator ładowany jest z baterii niskim (kontrolowanym) prądem a sam może dostarczyć dużego prądu obciążenia Zygmunt Kubiak

Energy Harvesting W przykładowej aplikacji dla potrzeb węzła wM-Bus przyjęto założenia: Napięcie baterii = 3,6V Prąd maksymalny baterii = 3 mA Czas transmisji = 200ms Moc transmisji = 1000mW Aby dostarczyć energii do transmisji wybrano kondensator 0,47F (muRata EDLC typu DMF3Z5R5H474M3DTA0) ładowany tylko do 2,7V (trwałość ponad 15 lat) Uzyskano sprawność powyżej 90% Zygmunt Kubiak

Energy Harvesting Charakterystyki rozładowania baterii litowej LiSOCL2 Czas pracy do 15 lat i więcej Zygmunt Kubiak

Energy Harvesting Ładowanie kondensatora ze źródła napięciowego Zygmunt Kubiak

Energy Harvesting Zygmunt Kubiak

Energy Harvesting Większość czasu napięcie jest utrzymywane na 1.9V, aby zminimalizować straty mikrokontrolera oraz innych prądów upływu w aplikacji (faza 1) Zygmunt Kubiak

Energy Harvesting Przed bezprzewodową transmisją danych, kondensator jest naładowany do 2.7V (faza 2) Zygmunt Kubiak

Energy Harvesting Podczas transmisji zmagazynowana energia w kondensa- torze jest pobierana - spadek napięcia do 1.9V (faza 3) Zygmunt Kubiak

Energy Harvesting Przykładowy pobór prądu w inteligentnym czujniku bezprzewodowym ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 1/2012 Zygmunt Kubiak

Energy Harvesting Japońskie linie lotnicze, Japan Airlines zainstalowały 13 nadajników BLE (BLE Beacons), które nie wymagają baterii. Dzięki technologii firmy Spansion, opartej o układy scalone zarządzające energią (PMIC), które zbierają energię z otoczenia, nadajniki te – w teorii – nie będą wymagać nigdy ładowania ani baterii. Zygmunt Kubiak

Energy Harvesting Porównanie przetworników Energy Harvesting http://www.psma.com/HTML/newsletter/Q2_2012/page8.html Zygmunt Kubiak

Energy Harvesting Porównanie przetworników Energy Harvesting http://www.psma.com/HTML/newsletter/Q2_2012/page8.html Zygmunt Kubiak

Energy Harvesting Porównanie przetworników Energy Harvesting http://www.psma.com/HTML/newsletter/Q2_2012/page8.html Zygmunt Kubiak

Energy Harvesting Małe ogniwa fotowoltaiczne ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Zygmunt Kubiak

Energy Harvesting Przykłady przetworników energii: a) moduł termoelektryczny TEG Ferrotec 9500, b) moduł fotoelektryczny Panasonic AM-1454, c) moduł piezoelektryczny Mide V25W, d) moduł elektromagnetyczny EnOcean ECO2000, e) elastyczny moduł fotoelektryczny 9W Brunton SolarRoll, f) moduł RF Powercast P2110 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Zygmunt Kubiak

Energy Harvesting Jakość źródeł energii Problem charakterystyk obciążenia Źródła fotowoltaiczne (PV): napięcie stałe od ułamków wolta do kliku woltów, nieliniowa charakterystyka obciążenia z optymalnym punktem wydajności, wydajność zależna od temperatury i wieku ogniwa, charakterystyka zbliżona do źródła prądowego Moduły piezoelektryczne: napięcie przemienne od kilku do kilkudziesięciu woltów oraz bardzo duża rezystancja wewnętrzna Bardzo duże wymagania i często sprzeczne dla przetwornic: napięcie stałe, napięcie przemienne, szeroki zakres napięcia wejściowego, zmienna wydajność prądowa, różne kształty przebiegów wejściowych ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Zygmunt Kubiak

Energy Harvesting Analog Devices ADP5090 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016

Energy Harvesting ADP5090 Układ klasy PMIC – wejście: panel PV lub generator TEG; współpraca z akumulatorem lub superkondensatorem jako magazynem energii; Poprawny start układu od napięcia wejściowego 380mV Prąd spoczynkowy < 380 nA Napięcie wyjściowe 2,2 V .. 5 V Moc pozyskiwana 10 μW … 1 mW Wymiary 3 mm x 3 mm, obudowa LFCSP16 Możliwość wyłączenia przetwornicy np. na czas transmisji RF Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016

Energy Harvesting Cypress MB39C831 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016

Energy Harvesting Cypress MB39C831 Współpraca z panelami PV (łączonymi szeregowo) oraz generatorami piezo Zakres napięcia wejściowego 2,6 V do 23 V Prąd spoczynkowy 1,5 μA przy Vin = 4,5 V Napięcie wyjściowe definiowane cyfrowo 1,5 v .. 5,0 V (wej. S0…S2) Obciążenie do 100 mA Współpraca z akumulatorami Li-Po Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016

Energy Harvesting Powercast P1110 Konwerter RF / DC Wyspecjalizowane w przetwarzaniu energii o wysokiej częstotliwości pochodzącej z pól elektromagnetycznych Układ współpracuje z anteną o impedancji 50 , w paśmie 840 ..960 MHz Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016

Dziękuję za uwagę Zygmunt Kubiak