Energiebeheersystemen die omgevingsenergie oogsten, zullen miljarden kleine apparaten op het internet der dingen van stroom voorzien.

Kleine elektronische apparaten die met internet zijn verbonden, worden alomtegenwoordig. Het zogenaamde Internet of Things (IoT) zorgt ervoor dat slimme gadgets in huis en draagbare technologieën zoals slimme horloges met elkaar kunnen communiceren en samenwerken. IoT-apparaten worden steeds vaker gebruikt in allerlei industrieën om interconnectiviteit en slimme automatisering te stimuleren als onderdeel van de 'vierde industriële revolutie'.

De vierde industriële revolutie bouwt voort op reeds wijdverbreide digitale technologie zoals verbonden apparaten, kunstmatige intelligentie, robotica en 3D-printen. Verwacht wordt dat het een belangrijke factor zal zijn in het revolutioneren van de samenleving, de economie en de cultuur.

Deze kleine, autonome, onderling verbonden en vaak draadloze apparaten spelen al een sleutelrol in ons dagelijks leven door ons te helpen hulpbronnen- en energie-efficiënter, georganiseerd, veilig, zeker en gezond te maken.

Er is echter een belangrijke uitdaging:hoe deze kleine apparaten van stroom te voorzien. Het voor de hand liggende antwoord is "batterijen". Maar zo eenvoudig is het niet.

Kleine apparaten

Veel van deze apparaten zijn te klein om een ​​batterij met een lange levensduur te gebruiken en ze bevinden zich op afgelegen of moeilijk toegankelijke locaties, bijvoorbeeld in het midden van de oceaan die een zeecontainer volgt of bovenop een graansilo, niveaus van granen. Dit soort locaties maakt het onderhoud van sommige IoT-apparaten uiterst uitdagend en commercieel en logistiek onhaalbaar.

Mike Hayes, hoofd ICT voor energie-efficiëntie bij het Tyndall National Institute in Ierland, vat de markt samen. "Er wordt voorspeld dat we tegen 2025 een biljoen sensoren in de wereld zullen hebben", zei hij, "dat zijn duizend miljard sensoren."

Dat aantal is niet zo gek als het op het eerste gezicht lijkt, zegt Hayes, coördinator van het EnABLES-project (European Infrastructure Powering the Internet of Things).

Als je nadenkt over de sensoren in de technologie die iemand bij zich draagt ​​of in zijn auto, huis of kantoor heeft, plus de sensoren die zijn ingebed in de infrastructuur om hen heen, zoals wegen en spoorwegen, kun je zien waar dat aantal vandaan komt, legde hij uit. .

"In de biljoenen IoT-sensorwereld die voor 2025 wordt voorspeld, zullen we elke dag meer dan 100 miljoen batterijen op stortplaatsen gooien, tenzij we de levensduur van de batterij aanzienlijk verlengen", zei Hayes.

Batterijduur

Storten is niet het enige milieuprobleem. We moeten ook nadenken waar al het materiaal vandaan komt om de batterijen te maken. Het EnABLES-project roept de EU en industrieleiders op om vanaf het begin na te denken over de levensduur van batterijen bij het ontwerpen van IoT-apparaten om ervoor te zorgen dat batterijen de levensduur van apparaten niet beperken.

"We hebben het apparaat niet nodig om eeuwig mee te gaan", zegt Hayes. "De truc is dat je de applicatie die je bedient moet overleven. Als je bijvoorbeeld een stuk industriële apparatuur wilt bewaken, wil je waarschijnlijk dat het vijf tot tien jaar meegaat. En in sommige gevallen, als je doe sowieso elke drie jaar een regelmatige onderhoudsbeurt, als de batterij meer dan drie of vier jaar meegaat, is dat waarschijnlijk goed genoeg."

Hoewel veel apparaten een operationele levensduur van meer dan 10 jaar hebben, is de levensduur van de batterij van draadloze sensoren doorgaans slechts één tot twee jaar.

De eerste stap naar een langere levensduur van de batterij is het verhogen van de energie die door batterijen wordt geleverd. Ook zal het verminderen van het stroomverbruik van apparaten de batterij verlengen. Maar EnABLES gaat nog verder.

Het project brengt 11 toonaangevende Europese onderzoeksinstituten samen. Samen met andere belanghebbenden werkt EnABLES aan de ontwikkeling van innovatieve manieren om minuscule omgevingsenergieën zoals licht, warmte en trillingen te oogsten.

Het oogsten van dergelijke energie zal de levensduur van de batterij verder verlengen. Het doel is om zelfopladende batterijen te creëren die langer meegaan of uiteindelijk autonoom werken.

Energieoogstmachines

Omgevingsenergieoogsters, zoals een kleine vibrerende oogstmachine of een binnenzonnepaneel, die lage hoeveelheden stroom produceren (in het milliwattbereik), kunnen volgens Hayes de levensduur van de batterij van veel apparaten aanzienlijk verlengen. Deze omvatten alledaagse voorwerpen zoals horloges, RFID-tags (radiofrequentie-identificatie), gehoorapparaten, kooldioxidedetectoren en temperatuur-, licht- en vochtigheidssensoren.

EnABLES ontwerpt ook de andere sleuteltechnologieën die nodig zijn voor kleine IoT-apparaten. Het project is niet tevreden met het verbeteren van de energie-efficiëntie, maar probeert ook een kader en gestandaardiseerde en interoperabele technologieën voor deze apparaten te ontwikkelen.

Een van de belangrijkste uitdagingen met autonoom aangedreven IoT-tools is energiebeheer. De energiebron kan intermitterend zijn en op zeer lage niveaus (microwatt), en verschillende oogstmethoden leveren verschillende vormen van stroom die verschillende technieken vereisen om in elektriciteit om te zetten.

Constant straaltje

Huw Davies, is chief executive officer van Trameto, een bedrijf dat energiebeheer ontwikkelt voor piëzo-elektrische toepassingen. Hij wijst erop dat energie van fotovoltaïsche apparaten de neiging heeft om in een gestaag straaltje te komen, terwijl die van piëzo-elektrische apparaten, die omgevingsenergie van bewegingen (trillingen) omzetten in elektrische energie, meestal in bursts komt.

"Je hebt een manier nodig om die energie lokaal in een winkel op te slaan voordat het in een lading wordt afgeleverd, dus je moet manieren hebben om dat te beheren", zei Davies.

Hij is de projectcoördinator van het HarvestAll-project, dat een energiebeheersysteem voor omgevingsenergie heeft ontwikkeld onder de naam OptiJoule.

OptiJoule werkt met piëzo-elektrische materialen, fotovoltaïsche en thermische elektrische generatoren. Het kan met elk van deze bronnen afzonderlijk werken, of met meerdere bronnen voor het oogsten van energie tegelijk.

Het doel is om autonome sensoren zelfvoorzienend te maken. In principe is het vrij eenvoudig. "Waar we het over hebben, zijn sensoren met ultralaag vermogen die digitale metingen doen", zei Davies. "Temperatuur, vochtigheid, druk, wat het ook is, de gegevens daarvan worden op internet afgeleverd."

Geïntegreerde circuits

Het HarvestAll-apparaat met geïntegreerde schakeling voor energiebeheer past zich aan de verschillende energieoogsters aan. Het neemt de verschillende en intermitterende energie die door deze oogstmachines wordt gecreëerd en slaat deze op, bijvoorbeeld in een batterij of condensator, en beheert vervolgens de levering van een constante energieafgifte aan de sensor.

Net als bij het EnABLES-project is het de bedoeling om gestandaardiseerde technologie te creëren die de snelle ontwikkeling van lange batterijduur/autonome IoT-apparaten in Europa en de wereld mogelijk maakt.

Davies zei dat het energiebeheercircuit volledig autonoom en automatisch werkt. Het is zo ontworpen dat het gewoon kan worden aangesloten op een energieoogstmachine, of een combinatie van oogstmachines, en een sensor. Als vervanger van de batterij heeft het volgens Davies een belangrijk voordeel, want "Het gaat gewoon werken." + Verder verkennen

Tegen 2025 zullen tot 78 miljoen batterijen per dag worden weggegooid