Energihøsting kan løse batteriproblemet for IoT

Internet of Things (IoT) har dratt umåtelig fordel av to samtidige trender: Trådløs teknologi og laveffekt elektronikk. Ubundet, og i stand til å kjøre på stadig mindre batterier, blir tilkoblede enheter i økende antall og variasjon distribuert flere og flere steder. IoT-markedet vil sannsynligvis vokse raskere og mer ekspansivt fortsatt, men med introduksjonen av enheter som kan fange sin egen kraft.

Trådløs tilkobling har gjort det enklere å bruke visse elementer flere steder. Sikkerhetskameraer har lenge vært koblet til via kablede nettverk, men ved å gjøre dem trådløse har folk kunne installere dem så mange flere steder. Hele bransjen innen aktivasporing og innsikten samlet under et objekts reise ville overhodet ikke vært mulig uten batteridrevet trådløs teknologi.

Enkelte produkter, for eksempel kombinasjoner av dørklokke og kamera til boliger, vil neppe ha stor suksess hvis de ikke kunne være både trådløst tilkoblet og batteridrevet.

Batteribruk

Batterier representerer bærbar kraft, og har som sådan vist seg uendelig nyttige. I løpet av flere tiår, etter hvert som mange elektroniske produkter ble miniatyrisert, har de krevd gradvis mindre strøm. Produkter som en gang kan ha trengt flere relativt store D-celler, var til slutt i stand til å fungere godt på AA- eller AAA-batterier. Noen av disse kan nå brukes i lengre perioder på knappecellebatterier.

Svært mange av disse produktene er bestanddeler av IoT: Treningssporere, smarthøyttalere, lokasjonssporere, trafikkovervåkingssystemer, og de nevnte kameraene og ringeklokkene.

Men batterier går tomme, og deretter kastes de – resirkulert eller i søpla.

Ulemper med batterier

Omtrent 5 milliarder tørrcellebatterier selges i USA hvert år, ifølge Environmental Protection Agency (EPA), som er ansvarlig for å spore fast avfall og potensielle avfallsfarer. Så mange som 8 milliarder selges i Europa hvert år, ifølge flere kilder. Dermed blir flere milliarder tørrcellebatterier kastet hvert år.

Nesten alle typer batterier inneholder materialer som kan være giftige, men det er ikke alltid lett eller billig å resirkulere batterier, og derfor er resirkulering av batterier rundt om i verden i beste fall inkonsekvent. For eksempel blir bare omtrent halvparten av kasserte batterier i Europa resirkulert, etter ett estimat. Dagens nivåer av avfall og forurensning er uholdbare.

Og likevel implementerer verden flere og flere IoT-enheter. Det ble utplassert 14,4 milliarder IoT-enheter gjennom 2022, ifølge IoT Analytics, og firmaet forventer at tallet vil dobles innen 2027. Enten det er i hjemmet eller industrielle omgivelser, så skaleres utskiftingskostnadene og -innsatsen for disse IoT-enhetene også! Noen av de nyeste, mest ambisiøse IoT-applikasjonene foreslår å bruke store matriser av sensorer for å overvåke storskala anvendelser, som spenner fra landbruk til industriell automatisering.

Energihøsting

Disse IoT-enhetene er kandidater for batteristrøm, men det viser seg at mange kanskje ikke trenger det. Noen sensorer trenger bare de mest minimale drypp av energi som universet gir fritt.

I slike tilfeller er energihøsting en attraktiv mulighet. Det grunnleggende konseptet er å fange energi fra et naturfenomen, i noen tilfeller fra flere energikilder, og konvertere det til elektrisitet.

Per definisjon kvalifiserer solkraft og vindkraft som energihøsting. Begge kan skaleres opp til megawatt, men for IoT-enheter i den fjerne utkanten av nettverket kan behovet måles i milliwatt og til og med mikrowatt, og det betyr at mange andre fysiske fenomener kan vurderes.

Typer energihøsting

Sant nok er solceller (PV) et alternativ for IoT-enheter med ultralav strøm. Klassiske PV-celler, de samme som de som brukes i solcellepaneler, er fortsatt et alternativ, men det er alternative PV-teknologier som utvikles, inkludert noen basert på produserte forbindelser som etterligner fotosyntese. Moderne PV-celler har kraftig forbedret effekttetthet og kan fungere under både utendørs og innendørs omgivelseslys for å lade batterier eller lade superkondensatorbanker.

Små temperaturforskjeller kan utnyttes av termoelektriske generatorer for å fange mikrowatt fra en rekke kilder som kan omfatte alt fra industrielle maskiner til menneskekroppen. I noen applikasjoner kan den ekstra tilstedeværende energikilden fra AC-vibrasjoner også høstes!

Piezoelektriske materialer genererer energi når de deformeres. Bruksområder der fysisk bevegelse er nesten konstant kan ha nytte av å høste energi på denne måten, for eksempel motorkjøretøyer. Mange ledende produsenter av lysbrytere for smarthus og smarte bygninger legger til denne piezo-kinetiske energiutvinningen til sin serie med flyttbare batteriløse lysbrytere.

Andre energihøstingsteknologier som brukes inkluderer nye høyteknologiske selskaper som bruker elektrisk og magnetisk induksjon for å høste relativt store felt med elektrisitet for å drive sensorer og radioer på avsidesliggende steder.

Omgivelsesenergi

Produsenter av IoT-enheter med ultralavt strømforbruk som ønsker å implementere batteriløs drift, er delvis avhengige av energihøstingsteknologier fordi det ikke eksisterer noen infrastruktur for å drive slike enheter.

Men hva om det eksisterer? Hva om det fantes noe som ligner på trådløs lading av smarttelefoner, for eksempel Qi, men med en rekkevidde på meter i stedet for bare centimeter? Den enkle tilgjengeligheten av bittesmå likeretterantenner (rektenner) har inspirert noen til å undersøke utviklingen av standardiserte trådløse kraftsystemer.

Det er flere løsninger under utvikling, vanligvis avhengig av Sub 2,4 GHz RF-radio. For øyeblikket er de nærmeste enhetene til å bli kommersialisert industrielle applikasjoner for fabrikkautomatiseringsmaskineri, sporing av lagerutstyr, batterifrie eiendeler og elektroniske hylleetiketter, fordi disse innstillingene tillater installasjon av RF-energioverføringsporter. Se for deg fremtiden til det smarte hjemmet hvis hver ruter og smartenhetsgateway også sendte RF-energi! Markedet kan snart bli oversvømmet med veldig spennende elektriske tannbørster, nøkkelbrikker, tastaturer, øretelefoner, datamus og mer!

Hva skjer fremover

Fremtidens IoT kan ikke skalere med den hastigheten den er spådd hvis den forblir avhengig av batterier. Mange brukstilfeller realiseres fortsatt ikke med sitt fulle trådløse potensial - eksperter på dette området forbedrer kontinuerlig IoT trådløse stakker innenfor allianser, men den grunnleggende strømkilden må studeres på nytt.

Videre, ettersom flere og flere selskaper og myndigheter pålegger grønne insentiver, er den eneste veien videre å tenke nytt om batteriet slik vi kjenner det.

Om forfatteren: Tristan Cool er markedsdirektør innen segmentet Industri, i Silicon Labs.