News

Powering IoT sensors using ambient energy

One of the biggest challenges when deploying wireless sensor networks is the battery lifetime. An alternative is using the energy available in the device’s surroundings. This alternative has a potential of making the IoT devices maintenance free and perpetually powered.

By Dushan Vuckovic

The use of batteries can have some significant shortcomings. Firstly, batteries have limited amount of available energy. In some applications, the size of the battery required to cover the lifetime of the product would be too large and too expensive. The cost of exchanging batteries in thousands of devices, especially if they are in hard to reach or hazardous places, can make the entire sensor deployment cost prohibitive.

Secondly, in US alone over 3,000,000,000 batteries are used each year. As the number of IoT devices reaches tens of billion units even more batteries would be required and later discarded, thus resulting in a significant environmental footprint.

Energy harvesting as an alternative energy source

An alternative solution is based on converting the energy available in the device’s immediate surroundings to electrical power. This approach has a potential of making the IoT device maintenance free and perpetually powered.

The process of collecting energy from ambient is referred to as energy scavenging or energy harvesting. With the advancement of materials and technologies a wide spectrum of energy sources can be utilized for powering IoT devices.

Using light as a power source

Light is a very common power source. However, the light intensity, which directly corresponds to the amount of generated power, varies significantly. Under direct sunlight, depending on the location on the earth, about 130,000+ lux reaches the solar panel which is an equivalent of 1kW/m2. On the other hand, in a typical home illuminance levels are in the range of 30-50 lux and go as low as 5 lux, which results in microwatt power outputs.

The amount of light energy converted to useable electric power depends on the efficiency of the solar cell. The higher the quality of the solar cells the higher the efficiency and hence the price.  Cheap amorphous silicon solar cells typically have efficiencies in the range of 8-11 % while more expensive crystalline solar cells can reach 23 %. However, it should be noted that the solar cells don’t have the same efficiency over the entire light level range. The efficiency advertised is typically measured at optimal conditions. In indoor conditions, a cheap amorphous solar cell can even have a higher efficiency compared to an expensive monocrystalline solar cell. More details on the effects of light conditions to the power output of the solar cells can be seen in figure 1 below.

Figure 1: The effects of light conditions – indoor and outdoor – to the power output of the solar cells.

It should be also noted that different solar cells react differently deepening on the source of light. For example, amorphous silicon solar cells are better at harvesting visible portion of the light spectrum while crystalline solar cells are more efficient typically in the red and near infra-red part of the spectrum. This is especially important when designing systems for indoor use, as the output of the solar cell under indoor light conditions can change almost two times depending on the source of light. For example, and indoor amorphous silicon solar cell at 150 lux level can produce 2x more output under LED light compared to a halogen light source.

Energy harvesting from movement

In the recent years significantly more power sources became available extending the options for energy harvesting. One such source is converting kinetic energy into electrical power. This can be done in many ways, some methods are:

  1. electromagnetic induction,
  2. piezoelectric effect,
  3. electrostatic and triboelectric effect.

Electromagnetic induction has been the primary method for converting motion into electric power and can be seen in large scale generators. This method, on a smaller scale, is typically used in commercial vibration energy harvesters due to its large power output, robust design and high reliability.

Downside of electromagnetic energy harvesting is that typically the harvesters are large and therefore expensive. Electromagnetic generators cannot typically scale down to small sizes since magnets don’t scale down well. Power generated as a function of acceleration for several commercial harvesters can be seen in figure 2. Some of the manufacturers of vibration harvesters are: Perpetuum, Kinergizer, and ReVibe.

Figure 2: Power generated as a function of acceleration for various commercial harvesters.

Another interesting use of the electromagnetic induction is in so called impact harvesters. Here a coil and a lever are connected in a way that pressing on a lever makes a sudden change in the magnetic field thus generating power. The generated amount of power is sufficient to power a simple sensor and a wireless transmission of the sensor data.

Beside electromagnetic induction there are other methods for converting mechanical energy into electrical energy. Piezoelectric generators are based on the piezoelectric effect where the strain/pressure is converted into electric power. One of the benefits of piezoelectric generators is that they can be built small and cheaper compared to electromagnetic harvesters. However, they also produce smaller amount of power.

Commercial energy harvesters based on piezoelectric effect are entering the market. However, they are still challenged due to reliability issues. An example of application powered by piezoelectric generator is a remote control by Philips that uses the button presses to generate power to communicate with a TV set.

The company EnerBee has developed a rotational harvester that is combining magnets and piezoelectricity to build a generator that converts rotational motion into electric power. An interesting feature is that this harvester operates in steps producing a fixed amount of power step in rotation allowing power generation even for very low RPMs. The device is producing 0.5mJ per one full rotation.

A new type of kinetic energy harvesting method that has received a lot of attention lately is triboelectric harvesting. The triboelectric effect is a type of contact electrification in which certain materials become electrically charged after they come into frictional contact with a different material. Rubbing glass with fur, or a plastic comb through the hair, can build up triboelectricity. The strongest benefit of this type of harvester is their low price, high durability, flexibility and possibility to scale from cm2 device to 10’s of m2. These generators have been reported to reach as much as 300W/m2 and volume power density of 400kW/m3. There are still no commercially available triboelectric harvesters, however there is a large interest in them as they can be used in disposable electronics, powering of smart fabrics, floor power generation, ocean wave power generation, and other applications.

Temperature differences provide electrical power

When no light nor movement are available we can rely on a thermal gradient to produce power. Thermoelectric effect occurs when a temperature difference over a junction of two different materials produces a charge disbalance thus providing electric current. It should be noted that this type of energy harvesting is very inefficient, typically 2-5 %. Although inefficient, TEGs can still provide sufficient power for an IoT application from even low thermal differences of few degrees that can be found between the ambient air, warm pipes, human body, machines, etc. At higher temperature differences TEGs can provide hundreds of watts. Example applications would be generating power by recovering waste heat from internal combustion engines, exhaust pipes, industrial processes with metal melting, and metal works etc. Typical power outputs of TEGs depending on the thermal gradient over them can be seen in figure 3.

Figure 3: Typical power outputs of TEGs depending on the thermal gradient over them.

The biggest challenges with thermal energy harvesting is maintaining the temperature difference over the thermoelectric generator which typically requires large heatsinks resulting in a bulky product. This is one of the main challenges when it comes to using TEGs for powering wearable devices, although there are heat powered watches available on the market and a heat powered flashlight.

Another challenge when working TEG devices at low temperature differences is their low voltage output. At a few degrees kelvin over TEG, the output is typically in the 10’s of mV range. Such small voltages require specialized circuits to boost the voltage to a useable voltage levels.

Collecting of ambient radio energy

Harvesting of the ambient radio waves present from the WiFi and mobile phone networks has been shown as feasible. However, the amount of energy is very limited, depends strongly on the environment and typically requires large antenna surfaces which might not be practical for majority of applications. This type of harvesting typically provides small amounts of power. It can take more than 10 years to generate the same amount of power that a small coin cell battery can provide. Therefore, the RF harvesting requires rather special applications where size is not an issue and the target lifetime is beyond 15 or 20 years.

Wireless transfer of power, as in RFID, is not considered here as it is not based on ambient energy. In these systems there is an active transmitter that is powering the sensors.

Power management is a challenge

Utilizing energy harvesting generators comes with a set of challenges that prevent it from being a simple drop in replacement for the battery. The output characteristics of the generator vary significantly depending on the type of the generator used, hence different types of conditioning circuits are required. As is the case with any type of generator the maximum power can be extracted when the load is matched to the generator. The conditioning circuitry should be designed to operate at the maximum power point and track that point if it changes with the change of the availability of the environmental energy.

Furthermore, typically energy harvesting generators cannot provide sufficient power to cover the active power consumption of an IoT application. Therefore, the power should be accumulated before the application task can be executed. The conditioning circuit should be able to provide power management tasks and route the power depending on the IoT application’s needs and output of the generator. There are energy harvesting power management circuits that fulfill these roles available from Texas Instruments, Linear Technology and STmicroelectronics, to name a few.

The power management is only a piece of the complete puzzle. The application itself should be designed to accommodate its operation depending on the amount of availability of energy. Compared to the battery solution where the energy is always available, the task execution in a typical energy harvesting system should be designed with energy budget in mind.

In conclusion implementing energy harvesting systems is significantly more complex compared to battery systems, however the removal of the battery and reduction/removal of maintenance can have benefits that outweigh the design and implementation cost. Energy harvesting has a solid potential to provide long lasting IoT systems that can operate unattended for long periods of time.

More info

If you want to know more about energy harvesting, and how you can utilize the energy in your products, then contact Morten Wagner, Head of IdemoLab, DELTA – a part of FORCE Technology, mw@delta.dk, tel. (+45) 72 19 42 88.

This article has been brought in the magazine Aktuel Elektronik, November 2017.


DANISH VERSION


IoT-sensorer får energi høstet fra omgivelserne

En af de største udfordringer ved at bruge trådløse sensornetværk er batterilevetiden. Et alternativ er at udnytte den energi, der findes i sensorens omgivelser. Dette alternativ giver mulighed for at gøre IoT-enhederne vedligeholdelsesfri og selvstændigt strømforsynende.

Af Dushan Vuckovic

Brug af batterier kan være forbundet med væsentlige svagheder. For det første har batterierne en begrænset energimængde. I nogle tilfælde ville den størrelse batteri, der skulle til for at kunne forsyne produktet i hele dets levetid, gøre, at batteriet bliver alt for stort og dyrt. Alene udskiftningen af batterier på tusinder af enheder, især hvis de er placeret på svært tilgængelige eller farlige steder, kan gøre, at det bliver alt for omkostningskrævende at bruge sensorer.

For det andet bliver der brugt over 3.000.000.000 batterier i USA alene. Dertil skal lægges de mange milliarder IoT-enheder, der bruger batterier, som med tiden bliver kasseret og dermed udgør en betydelig miljømæssig belastning.

Energy Harvesting som alternativ energikilde

En alternativ løsning er baseret på at omsætte den energi, der findes i enhedens nærmiljø, til elektrisk energi. Dette giver mulighed for at gøre IoT-enheden vedligeholdelsesfri og selvstændigt strømforsynende.

Det at høste energi fra omgivelserne kaldes energihøstning eller Energy Harvesting. Med den teknologiske udvikling inden for materialer og teknologier er det i dag muligt at udnytte et bredt spektrum af energikilder til at forsyne IoT-enheder med strøm.

Brug af lys som strømkilde

Lys er en meget almindelig strømkilde, men lysintensiteten der svarer direkte til mængden af genereret strøm, varierer betydeligt. I direkte sollys rammes et solpanel af omkring 130.000+ lux, afhængigt af hvor på jordkloden man befinder sig, hvilket svarer til 1 kW/m2. I et typisk hjem ligger belysningsniveauet derimod på 30-50 lux og kan være helt ned til 5 lux, hvilket kun giver en effekt på nogle mikrowatt.

Den mængde lysenergi, der omsættes til anvendelig elektrisk energi, afhænger af solcellens effektivitet. Jo bedre kvalitet, solcellen har, desto større er dens effektivitet, men dermed også prisen.  Billige solceller af amorft silicium har typisk en effektivitet på 8-11 %, mens de dyrere krystallinske solceller kan nå op på 23 %. Det skal dog bemærkes, at solceller ikke har samme effektivitet i hele lux-området. Den opgivne effektivitet er typisk målt under optimale forhold. Under indendørs forhold kan en billig, amorf solcelle have en højere effektivitet i forhold til en dyr, monokrystallinsk solcelle. Nedenstående figur 1 viser flere oplysninger om lysforholdenes indflydelse på solcellers udgangseffekt.

Figur 1: De indendørs og udendørs lysforholds indflydelse på solcellers udgangseffekt.

Det skal også bemærkes, at de forskellige solceller fungerer forskelligt afhængigt af lyskilden. Amorfe siliciumsolceller er for eksempel bedre til at høste den synlige del af lysspektret, mens krystallinske solceller typisk er mere effektive i den røde og nær-infrarøde del af spektret. Det er især vigtigt for designet af systemer til indendørs brug, da solcellens effekt under indendørs belysningsforhold kan ændre sig næsten to gange afhængigt af lyskilden. Eksempelvis kan en indendørs amorf siliciumsolcelle ved 150 lux producere dobbelt så meget strøm under en LED-lyskilde som under en halogenlyskilde.

Energy Harvesting fra bevægelse

I de seneste år er der kommet betydeligt flere energikilder til, og det giver også flere muligheder for at udvinde energien. En af disse kilder er at omdanne kinetisk energi til elektrisk strøm. Det kan ske på mange forskellige måder, bl.a. via følgende metoder:

  1. elektromagnetisk induktion
  2. piezoelektrisk effekt
  3. elektrostatisk og triboelektrisk effekt.

Elektromagnetisk induktion har været den primære metode til at omdanne bevægelsesenergi til elektrisk strøm og udnyttes i store generatorer. I mindre skala bruges metoden typisk i kommercielle energihøstere, der udnytter vibrationsenergi, på grund af deres store udgangseffekt, robuste design og høje driftssikkerhed.

Ulempen ved høstning af elektromagnetisk energi er, at energihøsterne som regel er store og derfor dyre. Elektromagnetiske generatorer kan typisk ikke fremstilles i mindre størrelser, fordi det er svært at nedskalere magneter. Den genererede strøm som funktion af acceleration for flere forskellige kommercielle høstere fremgår af figur 2 nedenfor. Blandt producenterne af vibrationsgeneratorer kan nævnes: Perpetuum, Kinergizer og ReVibe.

Figur 2: Den genererede strøm som funktion af acceleration for forskellige kommercielle energihøstere.

En anden interessant måde at udnytte elektromagnetisk induktion på er i de såkaldte kraftpåvirkningshøstere (impact harvesters). Her er en spole og en vippearm forbundet sådan, at et tryk på armen medfører en pludselig ændring i magnetfeltet, og det genererer strøm. Den genererede mængde strøm er stor nok til at forsyne en simpel sensor og en trådløs transmission af sensordataene.

Foruden elektromagnetisk induktion findes der også andre metoder til at omdanne mekanisk energi til elektrisk energi. Piezoelektriske generatorer udnytter den piezoelektriske effekt, hvor belastningen/trykket omsættes til elektrisk strøm. En af fordelene ved pieozoelektriske generatorer er, at de kan fremstilles mindre og billigere end de elektromagnetiske høstere. Til gengæld producerer de også mindre strøm.

Kommercielle energihøstere, der udnytter den piezoelektriske effekt, er på vej ind på markedet. Men de er stadig forbundet med nogle udfordringer i forhold til driftssikkerhed. Et eksempel på en enhed, der får strøm fra en piezoelektrisk generator, er en fjernbetjening fra Philips, der udnytter tryk på knapperne til at producere nok strøm til at kommunikere med et fjernsyn.

Firmaet EnerBee har udviklet en rotationshøster, der benytter en kombination af magneter og piezoelektricitet i en generator, der omdanner en roterende bevægelse til elektrisk strøm. Det interessante ved denne høster er, at den fungerer i trin og producerer en fast mængde strøm per trin under rotation, hvilket gør, at den producerer strøm selv ved meget lave omdrejninger. Enheden producerer 0,5 mJ pr.  hel omdrejning.

En ny metode til høstning af kinetisk energi, der har fået stor opmærksomhed på det seneste, er triboelektrisk høstning. Den triboelektriske effekt er en type elektrificering, der opstår ved fysisk kontakt, når bestemte materialer bliver elektrisk ladede ved friktionskontakt med et andet materiale, f.eks. ved at gnubbe pels mod glas eller trække en plastikkam gennem håret. Den klare fordel ved denne type energihøstere er den lave pris, store holdbarhed og fleksibilitet og mulighed for at opskalere fra nogle få cm2 til tusinder af pr. m2. Disse generatorer kan efter sigende nå helt op på 300 W/m2 og en effekttæthed på 400 kW/m3. Der findes endnu ikke nogen kommercielle triboelektriske høstere, men der er stor interesse for dem, da de kan bruges i engangselektronik, som strømforsyning til intelligente tekstiler, til strømproducerende gulve, i bølgeenergianlæg osv.

Temperaturforskelle giver elektrisk energi

Når der hverken er lys eller bevægelse til rådighed kan man i stedet anvende en temperaturgradient som strømkilde. Den termoelektriske effekt sker, når en temperaturforskel over en samling af to forskellige materialer danner en spændingsforskel og dermed skaber en elektrisk strøm. Det skal bemærkes, at denne type energihøst er meget ineffektiv, typisk 2-5 %. Selvom en termoelektrisk generator er ineffektiv, kan den dog producere nok strøm til et IoT-system ved selv små temperaturforskelle på et par grader, som de der findes mellem den omgivende luft, varme rør, menneskekroppen, maskiner osv. Ved større temperaturforskelle kan en termoelektrisk generator producere flere hundrede watt. Denne type generator kan bl.a. anvendes til at producere strøm ved indvinding af spildvarme fra forbrændingsmotorer, udstødningsrør, industrielle metalsmeltningsprocesser og metalbearbejdning. Den typiske udgangseffekt for disse generatorer afhænger af temperaturgradienten og fremgår af figur 3. 

Figur 3: Den typiske udgangseffekt for termoelektriske generatorer afhænger af temperaturgradienten.

De største udfordringer ved udnyttelse af termisk energi er at fastholde temperaturforskellen over den termoelektriske generator, hvilket typisk kræver store varmeafledere, som gør, at produktet fylder meget. Det er en af de største udfordringer ved at bruge denne type generator til at forsyne små apparater, selvom der findes varmedrevne ure og en varmedrevet lommelygte på markedet.

En anden udfordring ved at bruge disse generatorer er den lave udgangseffekt ved små temperaturforskelle. Ved et par grader over generatoren ligger produktionen typisk på et tocifret antal mV. En så lille spænding kræver helt specielle kredsløb, der kan opskalere spændingen til et brugbart niveau.

Udnyttelse af omgivende radioenergi

Det har vist sig, at det er muligt at høste energi fra radiobølger fra WiFi og mobilnetværk i omgivelserne. Energimængden er dog ret begrænset, og afhænger i høj grad af nærmiljøet og kræver typisk store antenneoverflader, der nok ikke er praktiske for de fleste anvendelsesformål. Denne type høstning giver dog typisk meget små mængder strøm. Det kan tage mere end 10 år at genere den samme strøm, som et lille knapcellebatteri kan yde. Derfor kan høstning af energi fra radiobølger kun bruges til ret specielle formål, hvor størrelsen ikke er et problem, og den forventede levetid er længere end 15 til 20 år.

Trådløs overførsel af strøm, som ved RFID, er ikke medtaget her, da den ikke er baseret på omgivende energi. Disse systemer har en aktiv sender, der forsyner sensorerne med strøm.

Strømstyring er en udfordring

Brug af energihøstende generatorer er forbundet med en række udfordringer, der gør, at de ikke uden videre kan fungere som erstatning for batteriet. Generatorens udgangskarakteristika varierer betydeligt afhængigt af, hvilken type generator der anvendes, og derfor kræver det forskellige typer af konditioneringskredsløb. Som det er tilfældet med alle typer generatorer kan den maksimale effekt udnyttes, når belastningen passer til generatoren. Konditioneringskredsløbet skal være beregnet til at fungere ved det maksimale effektpunkt samt følge dette punkt, når det ændrer sig som følge af en ændring i mængden af den omgivende energi, der er til rådighed.

Desuden kan energihøstende generatorer typisk ikke yde nok effekt til at dække en IoT-applikations aktive strømforbrug. Derfor skal strømmen først være akkumuleret, før applikationsopgaven kan udføres. Konditioneringskredsløbet skal kunne udføre strømstyringsopgaver og lede strømmen den rigtige vej, afhængigt af IoT-applikationens behov og generatorens strømproduktion. Der findes særlige strømstyringskredsløb til Energy Harvesting, som kan klare disse funktioner, bl.a. fra Texas Instruments, Linear Technology og STmicroelectronics.

Strømstyringen er kun en brik i det store puslespil. Selve applikationen skal også være udformet sådan, at den giver mulighed for strømstyring afhængigt af den mængde energi, der er til rådighed. I forhold til batteriløsningen, hvor energien altid er til rådighed, bør opgaveudførelsen i et typisk Energy Harvesting-system tage højde for, at systemet har et energibudget.

Alt i alt er det betydeligt mere komplekst at implementere Energy Harvesting-systemer end batteridrevne systemer, men omvendt kan fordelene ved at undgå brug af batterier og mindre eller slet ingen vedligeholdelse opveje omkostningerne til design og implementering. Energy Harvesting har et stort potentiale og giver mulighed for IoT-systemer med en lang levetid uden behov for vedligeholdelse eller eftersyn.

Mere info

Hvis du ønsker at vide mere om energy harvesting, og hvordan du kan udnytte det i dine produkter, kontakt venligt Morten Wagner, Head of IdemoLab, DELTA – en del af FORCE Technology, mw@delta.dk, tlf. 72 19 42 88.

Denne artikel er bragt i Aktuel Elektronik, november 2017.

Tags:

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