Журнал Compass #15

БЕСПРОВОДНАЯ ЭНЕРГИЯ ДЛЯ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ Развитие Интернета Вещей вынуждает искать новые способы электропитания

Организация электропитания для растущего не по дням, а по часам количества устройств с подключением к интернету – дело нелегкое, особенно, если учесть стоимость, явное неудобство и, в каких-то случаях, невозможность проводного соединения удаленных гаджетов или встраивания батарей. Решить проблему питания для Интернета вещей призваны новые технологии сбора электроэнергии.

Как вам нравится идея «кормить» технику виноградом? Звучит, конечно, абсурдно, однако профессор Джон Блайлер из Портлендского университета специализируется на системотехнике и полагает такой подход более чем возможным.

«На сегодняшний день нескольких мелких виноградин хватит, чтобы обеспечить током электронные схемы со сверхнизким потреблением», - говорит он. «Еще пару лет назад производитель полупро-водников - компания Texas Instruments продемонстрировала цифровые часы, работающие «на винограде». Для 16-битного микропроцессора в часах нужно так мало энергии, что для ее производства достаточно нескольких ягод винограда. Микроскопическое количество кислоты в сочетании с цинковым контактом позволяет создать батарею для таких часов».

С помощью аналогичной химической реакции, основанной на уровне pH, растущие на полях культуры могут вырабатывать электричество для крохотного радиочастотного контура, отсылающего данные о состоянии грунта на компьютер фермера в беспроводном формате. «И это лишь начало пути в развитии альтернативных технологий сбора энергии», - говорит Блайлер.

ПИТАНИЕ ДЛЯ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ

Разработчики всерьез взялись за создание альтернативных источников питания для тех устройств, которые сложно подключить по проводам. Во многом толчком к этому стал набирающий популярность Интернет Вещей (IoT). По данным компании Cisco, мирового лидера на рынке сетевых технологий, к 2020 году количество подключенных к Интернету устройств в 10 раз превысит число живых пользователей, то есть на 5 миллиардов людей придется 50 миллиардов «вещей» с выходом в сеть.

«НА СЕГОДНЯШНИЙ ДЕНЬ НЕСКОЛЬКИХ МЕЛКИХ ВИНОГРАДИН ХВАТИТ, ЧТОБЫ ОБЕСПЕЧИТЬ ТОКОМ ЭЛЕКТРОННЫЕ СХЕМЫ СО СВЕРХНИЗКИМ ПОТРЕБЛЕНИЕМ. И ЭТО ЛИШЬ НАЧАЛО ПУТИ В РАЗВИТИИ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СБОРА ЭНЕРГИИ».

ДЖОН БЛАЙЛЕР ПРОФЕССОР ПОРТЛЕНДСКОГО УНИВЕРСИТЕТА, СПЕЦИАЛИСТ ПО СИСТЕМОТЕХНИКЕ

«Понемногу мы переходим в эпоху, когда вокруг нас будет сосредоточено множество устройств, и наиболее острой видится проблема питания такого оборудования», - говорит Вамси Талла, доцент Вашинг-тонского университета со специали-зацией в электротехнике. «Только представьте – комната, а в ней сотни, если не тысячи, датчиков. Их преимущество в способности реализовать нескончаемое количество приложений. Благодаря им будут возникать умные дома и целые города, фермеры станут следить за температурой почвы на полях, произ-водители нефтепродуктов контролировать расход, уровень и вязкость веществ; возможности просто колоссальные!»

Однако, говорит Талла, проблемой остается обеспечение этих многочисленных датчиков питанием. «Провода? Непрактично. Батареи? Требуют постоянной замены, добавляют стоимость, вес, габариты. Как ни крути, нужно элегантное решение. Поэтому, если удастся отказаться от батарей, взамен питая оборудование за счет собранной энергии, мечта об Интернете вещей из мечты превратится в реальность».

50 млрд

По прогнозу компании Cisco, к 2020 году на 5 млрд жителей Земли будет приходиться 50 млрд устройств с подключением к единой сети.

В настоящее время есть три основных источника энергии для автономных устройств. «Речь о кинетической энергии – когда возвратно-поступательное, вращательное движение или вибрация приводят к производству электричества благодаря включению в схему электро-магнитов или других подобных материалов», - говорит Матиас Касснер, директор по маркетингу в компании EnOcean, которая занимается разработкой патентованных технологий беспроводной передачи электроэнергии. «Тепловую энергию – температурные колебания на близком расстоянии – можно преобразовать в электричество. Можно использовать источники энергии из окружающей среды, такие как свет, электромагнитные волны, а также
химические и биоэлектрические системы».

ЭНЕРГИЯ ВИБРАЦИИ

Ученые значительно продвинулись в своих исследованиях в каждом из трех направлений.

Скажем, если говорить о кинетической энергии, компания Perpetuum из Саут-гемтона, дальше других продвинулась в разработке устройств для получения энергии из вибраций для постоянного поддержания в работе автономных, не требующих обслуживания промышленных беспроводных блоков датчиков. Блоки датчиков устанавливаются в поездах для отслеживания состояния подшипников – раньше эту работу приходилось выполнять вручную.

«У Perpetuum одни из лучших в мире образцов устройств с питанием за счет собираемой энергии», - говорит Рой Фриланд, президент компании, являющийся попутно председателем руководящего комитета и членом научно-консультативного комитета ZEROPOWER при Евросоюзе.

“IF WE CAN ELIMINATE BATTERIES AND INSTEAD POWER DEVICES USING HARVESTED ENERGY, IoT DEVICES WILL ACHIEVE MASS ADOPTION AND DEPLOYMENT AND, ULTIMATELY, FULFILL THE IoT DREAM.”

VAMSI TALLA DOCTORAL CANDIDATE IN ELECTRICAL ENGINEERING, UNIVERSITY OF WASHINGTON

«Уже сейчас по всему миру ходят десятки поездов с датчиками Perpetuum,которые работают на собираемой за счет вибрации электроэнергии. К примеру, будучи в отпуске, я могу достать смартфон и в реальном времени проверить состояние подшипников в поезде, который в 10:37 отправляется из Лондона в Брайтон. Вот вам превосходный пример массового применения Интернета Вещей и методов сбора энергии».

Датчики вибрации широко используются в технологических предприятиях. «Газовые, химические и электростанции, включая компании GE, Emerson и Honeywell – на всех технологических линиях ставятся системы сбора электроэнергии из вибрации для питания беспроводных сенсорных систем», - говорит Фриланд. «Это означает, что операторы в центральной диспетчерской имеют четкое представ-ление о состоянии всего оборудования,
в любой точке света».

Между тем компания GreenPeak Technologies, поставщик оборудования радиосвязи для беспроводных домашних систем разработала выключатель освещения, работающий без батарей. «Простым щелчком выключателя вырабатывается достаточно энергии для передачи сигнала лампе», - говорит Сиз Линкс, основатель и генеральный директор компании.

ЭНЕРГИЯ ОКРУ-ЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Что касается тепловой энергии, компанией EnOcean создана технология для питания блоков датчиков за счет небольших колебаний температуры. Этот же принцип уже используется в фермерском хозяйстве для сбора данных с полей, в том числе сведений о температуре, влажности, сухости почвы, уровне pH и макронутриентов.

«Наша технология привела к появлению терморегуляторов с автономным питанием, которые автоматически контролируют отопление в помещении с учетом текущей температуры и наличия людей», - говорит Касснер. «Это позволяет снизить расходы на обогрев, а на их долю обычно приходится немалая часть коммунальной платы частных домов, примерно на 20-30%, без всякого участия хозяев».

Передовые технологии сбора энергии из окружающей среды включают в себя возможность передавать энергию удаленным устройствам по Wi-Fi. «Совсем недавно наша группа доказала возможность питания устройств от точки доступа Wi-Fi на расстоянии до 10 метров», - говорит Талла. «Скажем, с помощью этой технологии нам удалось подать питание на камеру наблюдения». Еще одним вариантом энергии из окружающей среды является солнечный свет. Компания Fujitsu разработала маяк с питанием от солнечных батарей толщиной всего 2,5 мм с возможностью крепления к искривленным поверхностям, углам, даже одежде.

В то же время два инженера из Массачу-сетского технологического института в Кембридже создали небольшую микросхему-конвертер, способную преобразовать до 80% солнечной энергии в электричество. Сами инженеры, Дина эль-Дамак и Ананта Чандракасан, отмечают, что их детище намного превосходит традиционные солнечные элементы, способные преобразовывать не более половины солнечного света в полезную электроэнергию.

В НАДЕЖДЕ НА ПЕРСПЕКТИВЫ

Несмотря на впечатляющий потенциал технологий сбора энергии, эксперты в один голос твердят о том, насколько важно реалистично подходить к перспективам обширного применения передовых решений в повседневной жизни.

«Самый серьезный минус технологий сбора энергии в том, что устройства дают ее мизерное количество», - говорит Хришикеш Джайакумар, аспирант Университета Уэст-Лафейетт. «Помимо этого, энергия поступает в динамическом режиме, иногда короткими всплесками, иногда непрерывным ручейком – кардинальное отличие от того, как работают батареи». На данный момент применение ограничивается устройствами, которым требуется совсем мало энергии, говорит Касснер. «И еще – необходимо предусмотреть эффективный режим ожидания, в котором, пока система не работает, расходуются совсем уж крохи электричества», - говорит он.

Рой Фриланд советует потребителям не верить всему, что удается вычитать. «Недавно в известной газете я наткнулся на статью, где говорится о том, что в будущем мобильные телефоны станут собирать энергию из окружающих радиоволн», - говорит Фриланд. «Это абсурд, нарушение фундаментальных законов физики. В развитии технологий сбора энергии нужно придерживаться реалистичных предпосылок. Первый и основной постулат – собрать можно лишь крайне незначительное количество энергии».

Именно ввиду ограничений по количеству собираемой электроэнергии компания GreenPeak переключила свое внимание на создание новых, более эффективных батарей. «Мы три года пытались освоить рынок устройств сбора энергии», - говорит Линкс. «Несмотря на наличие ряда действительно перспективных направлений, для нас они оказались нецелесообразными с экономической позиции. В итоге мы погрузились в создание дешевых, верхмалоемких батарей со сроком службы более 10 лет».

ЭНЕРГИЯ БУДУЩЕГО

Несмотря на все ограничения, новые принципы использования собранной энергии невозможно оставить без внимания, развитие этой отрасли стремительно продолжается. Согласно данным WinterGreen Research, компании из Лексингтона, которая специализируется на прогнозировании и аналитике, к 2019 году мировой рынок устройств сбора энергии, который в 2012 году оценивался в $131,4 миллионов, вырастет до $4,2 миллиардов. Неизбежным прикладным сегментом видится построение «умных» городов. «Более половины растущего населения планеты проживает в городах», - говорит Касснер. «Интеллектуальные системы контроля понадобятся для координации повседневной жизни людей и, одновременно, защиты окружающей среды. Идея умного города предполагает осуществление автоматизированного управления дорожным движением, уличным освещением, поставками электроэнергии и перевозкой необходимых товаров, а также вывозом мусора. Реализовать это можно только с помощью миллиардов беспроводных блоков датчиков, которые собирают и пересылают необходимые данные».

Блайлер из Портлендского государственного университета, сделал такой прогноз: «Нас ждет увеличение числа приложений для Интернета Вещей, которые затронут все: от умных домов, где энергия выра-батывается из местных источников и передается без проводов, до подзарядки батарей в слуховых аппаратах. Качест-венный скачок ждет и рынок носимых гаджетов. Потребители со все большей неприязнью говорят о необходимости постоянно подзаряжать свои мобильные устройства».

«В целом нас ждет весьма интригующее будущее», - говорит Касснер. «Мы уверены, вскоре мир наводнит масса решений, эффект от которых окажется настолько же внушительным, как в свое время от появления компьютеров и мобильных телефонов». ◆

автор статьи Линдси Джеймс Вернуться к началу страницы