News

News Heating up IoT – thermal energy harvesting for batteryless microelectronic systems

idemolab_thermal_harvester_960x240_150ppi

The hype of Internet of Things is peaking these days, but when deploying sensor devices, the energy source is a continuous barrier issuing unwanted challenges regarding cost, installation, maintenance, and user experience. Energy harvesting offers a solution to this challenge.

READ MORE AT ASIC.MADEBYDELTA.COM


DANSK VERSION

idemolab_thermal_harvester_960x240_150ppi

Et varmt IoT-emne – termisk energy harvesting til batterifri mikroelektroniksystemer

Hypen omkring ’Internet of Things’ (IoT) topper for tiden med stadig større prognoser for, hvor mange milliarder enheder, der vil blive implementeret overalt omkring os, og flere store analyse- og trendrapporter forsøger at holde trit med det konstant voksende forretningspotentiale [1].

Af Johan Pedersen

Når man implementerer trådløse sensorer til IoT, er energikilden en barriere, der indebærer uønskede udfordringer, hvad angår omkostninger, installation, service og vedligehold samt brugeroplevelse. En barriere, der også medvirker til en betydelig miljøbelastning, ikke kun i forbindelse med bortskaffelse af brugte batterier, men også når det elektroniske udstyr bortskaffes fordi det er for dyrt at skifte selve batteriet og billigere blot at anskaffe en hel ny enhed.

Energiforsyningsbarrieren kan fjernes ved at implementere energy harvesting teknologier og opnå selvforsynende IoT-enheder. Den mest udbredte teknologi, solceller, modnedes for år tilbage, og mange produkter bruger i dag solceller som primær energikilde eller som sekundær kilde til at efterfylde et batteri og forlænge batteriets levetid. Men fx til indendørs brug er energi fra lys ofte kun begrænset til rådighed. Det typiske energiniveau, der er tilgængeligt fra solceller placeret på væggen i et kontor, er 1uW / cm2 @ 40 lux [2], hvilket er for lavt til mange applikationer.

Alternative energikilder i omgivelserne eksisterer, såsom høst af energi fra vibrationer, magnetiske felter og RF, men særligt lovende er energihøst fra temperaturgradienter, som viser et stort potentiale. Her er teknologier ved at modnes og bliver implementeret i flere og flere apparater til overvågningsbrug i olie- og gasindustrien, genanvendelse af spildvarme fra biler, konsumerprodukter, måleapparater til indeklimastyring, termostater mm.

Termisk energy harvesting er en proces, hvor man konverterer temperaturgradienter til elektrisk energi gennem en termoelektriske generator (TEG). Denne består af to typer halvledermateriale anbragt mellem keramiske plader, og når den udsættes for en temperaturforskel, hvor den ene side af TEG’en er varm og den anden side er kold, genereres der en elektrisk energi (varmestrømmen konverteres til elektrisk strøm).

Energi kan genereres både fra små og store temperaturgradienter, fx mellem en menneskekrop og den omgivende luft, eller varme biludstødningsrør mv. Disse energikilder spænder fra mikrowatt til mange watt, og dynamikken i temperaturændringerne resulterer i varierende energi, som følge af ændringer i brugen af produktet, det omgivende miljø mellem dag og nat, skiftende vejr og årstider.

For at sikre en stabil energikilde til et produkt anvendes effektelektronik, hvor standardkomponenter er tilgængelige til generiske formål, men ofte med begrænsede specifikationer og lav effektivitet. Optimerede applikationsspecifikke integrerede kredsløb (ASICs) til energy harvesting strømstyring kan sikre både høj effektivitet og optimering af energimængden høstet gennem impedans matching og Maximum Power Point Tracking (MPPT). Hvis man ydermere udsætter en termisk generator for små temperaturgradienter er spændingen typisk i 10 mV-området, hvilket kræver sofistikeret boost-converter design, da standard converter IC’er sjældent dækker under 1V.

DELTA hjælper virksomheder med at evaluere fordelene ved energy harvesting og implementering af nye selvforsynende teknologier i deres produkter. DELTA’s viden og erfaring indenfor low power elektronik er med til at sikre optimerede løsninger, herunder ASIC-design og testfaciliteter til at validere nye energy harvesting systemer.

Fodnoter:

[1] Gartner – The Internet of Things Is a Revolution Waiting to Happen
http://www.gartner.com/smarterwithgartner/the-internet-of-things-is-a-revolution-waiting-to-happen/
[2] D. Vuckovic – Design and Implementation of Energy Harvesting Powered Wireless Sensor Networks

Tags:

This is a unique website which will require a more modern browser to work! Please upgrade today!