Ποιος χρειάζεται μπαταρίες; Οι αυτόνομες αισθητήρες μπορούν να απλοποιήσουν και να βελτιώσουν τα συστήματα

Η αυξανόμενη ζήτηση ενέργειας και ο τρόπος κάλυψής της είναι μία από τις πιο επείγουσες ανησυχίες που αντιμετωπίζει ο κόσμος. Δεν είναι μόνο ο όγκος της παραγωγής μια πρόκληση που απαιτεί αντιμετώπιση, αλλά η φύση της παραγωγής πρέπει να είναι βιώσιμη και χωρίς εκπομπές άνθρακα. 

Επιστήμονες, ερευνητές, τεχνολόγοι, ιδρύματα και κυβερνητικές οργανώσεις παγκοσμίως προσπαθούν στο έπακρο να δημιουργήσουν αποδοτικές λύσεις σε αυτήν την ενεργειακή πρόκληση. Πολλές επιτυχημένες προσπάθειες έχουν συμβάλει επίσης στη βελτίωση της κατάστασης. 

Μεταξύ όλων αυτών, μια ομάδα ερευνητών του MIT ανέπτυξε έναν αυτόνομο, χωρίς μπαταρία αισθητήρα ικανό να συλλέγει ενέργεια από το περιβάλλον. Ας ξεκινήσουμε εμβαθύνοντας και κατανοώντας τι σημαίνει αυτή η τεχνολογία και γιατί αποτελεί σημαντική καινοτομία. 

Ασύρματοι, χωρίς μπαταρία, αυτόνομοι αισθητήρες από ερευνητές του MIT

Αυτοί οι αισθητήρες δεν απαιτούν επαναφορτιζόμενες ή αντικαταστάσιμες μπαταρίες. Επίσης, δεν χρειάζονται καλώδια, καθιστώντας τα πιο εύκολα στην τοποθέτηση σε δύσκολα προσβάσιμα σημεία. Βασικά, αυτοί οι αισθητήρες είναι συσκευές ευαίσθητες στη θερμοκρασία που μπορούν να λειτουργούν με ενέργεια που αντλείται από το γειτονικό μαγνητικό πεδίο γύρω από ένα σύρμα στον ανοιχτό αέρα.

Η εγκατάσταση αυτών των αισθητήρων είναι τόσο απλή όσο το κρέμασμα τους γύρω από ένα σύρμα που μεταφέρει ηλεκτρική ενέργεια, όπως αυτά που τροφοδοτούν έναν κινητήρα. Μόλις κρεμαστούν, η τοποθέτηση είναι επαρκής για τη συσκευή αισθητήρα ώστε να συλλέγει και να αποθηκεύει ενέργεια. Επιπλέον, η συσκευή μπορεί να παρακολουθεί τη θερμοκρασία του κινητήρα, καθώς και να συλλέγει δεδομένα για την κατανάλωση ενέργειας και τη λειτουργία του μηχανήματος σε παρατεταμένη χρονική διάρκεια.

Σύμφωνα με τον Daniele Monagle, κύριο συγγραφέα της μελέτης που αναδεικνύει αυτήν την καινοτομία ως ένα εγγράφου που δημοσιεύτηκε στο IEEE Xplore:

«Παρέχουμε ένα παράδειγμα αισθητήρα χωρίς μπαταρία που κάνει κάτι χρήσιμο και δείξαμε ότι είναι μια πρακτικά υλοποιήσιμη λύση. Τώρα, ελπίζουμε ότι άλλοι θα χρησιμοποιήσουν το πλαίσιο μας για να ξεκινήσουν το σχεδιασμό των δικών τους αισθητήρων.»

Κατά τη συζήτηση για την καινοτομία και την αξία της, ο John Donnal, αναπληρωτής καθηγητής μηχανικής όπλων και ελέγχου στο United States Naval Academy, είπε: 

«Συστήματα συλλογής ενέργειας όπως αυτό θα μπορούσαν να επιτρέψουν την αναβάθμιση μιας ευρείας γκάμας διαγνωστικών αισθητήρων σε πλοία και να μειώσουν σημαντικά το συνολικό κόστος συντήρησης.»

Οι ερευνητές πιστεύουν ότι αυτή η καινοτομία αποτελεί πολύτιμη προσθήκη στον κόσμο της συλλογής ενέργειας, επειδή λειτουργεί ως αποδοτικό ηλεκτρονικό περιβάλλον διαχείρισης ενέργειας μεταξύ της πηγής συλλογής και του φορτίου του αισθητήρα.

Το σύστημα, κατά τη διάρκεια των δοκιμών ανάπτυξης, παρουσίασε επιτυχημένες δυνατότητες ψυχρής εκκίνησης που χρησιμοποιούν διακριτική λογική, με μέση βελτίωση της συλλογής ενέργειας που έφτασε σχεδόν στο 400% υπό ορισμένες συνθήκες φορτίου τάσης της πηγής συλλογής. Λειτουργούσε με μια ελεγχόμενη μέθοδο υστέρησης που μπορούσε να εξυπηρετήσει φορτίο αισθητήρα έως και 50 μεγαβάτ.

Η εργασία υποστηρίχθηκε εν μέρει από το Office of Naval Research και το Grainger Foundation. Θεμελιωδώς, οι δυνατότητες παρακολούθησης και ανίχνευσης αυτών των συσκευών μπορεί να έχουν πολλές εφαρμογές στον χώρο της ναυτιλίας.

Για παράδειγμα, η πρόσβαση και η παρακολούθηση της ενέργειας σε ένα πλοίο είναι δύσκολη, καθώς υπάρχουν περιορισμένες πρίζες και αυστηροί περιορισμοί σχετικά με τον τύπο του εξοπλισμού που μπορεί να συνδεθεί.

Ενώ το πλοίο θα μπορούσε να ωφεληθεί σημαντικά από τη μέτρηση των δονήσεων μιας αντλίας, και θα είχε πληροφορίες σε πραγματικό χρόνο για την κατάσταση των ρουλεμάν και των βάσεων, η τροφοδοσία των αισθητήρων αναβάθμισης απαιτεί βαριά υποδομή επένδυσης. Αυτά τα αυτόνομα συστήματα αισθητήρων καθιστούν δυνατή την αναβάθμιση μιας σειράς διαγνωστικών αισθητήρων σε πλοία, μειώνοντας σημαντικά το κόστος συντήρησης.

Επιπλέον, η συλλογή ενέργειας που πραγματοποιούν αυτοί οι αισθητήρες δεν εξαρτάται μόνο από τα μαγνητικά πεδία. Μπορούν να συλλέγουν ενέργεια από δονήσεις ή ηλιακό φως και θα μπορούσαν να προσφέρουν δυνατότητες για την κατασκευή ολοκληρωμένων δικτύων αισθητήρων για εργοστάσια, αποθήκες και εμπορικούς χώρους με πολύ μέτρια εγκατάσταση και κόστος συντήρησης.

Όλες αυτές οι συζητήσεις γύρω από τη συλλογή ενέργειας και την άντληση της απαιτούμενης ενέργειας από τα περιβάλλοντα μαγνητικά πεδία, ήχους ή ηλιακό φως μπορεί να θυμίζουν σε όσους γνωρίζουν τα πιεζοηλεκτρικά υλικά. Αλλά υπάρχουν διαφορές.

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε για τις βιώσιμες πηγές ενέργειας και τα ποσοστά υιοθέτησής τους.

Οι αυτόνομοι αισθητήρες διαφέρουν από τα πιεζοηλεκτρικά υλικά

Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά μπορούν να παράγουν ηλεκτρική τάση όταν υποβάλλονται σε πίεση. Οι παράγοντες που οδηγούν στη δημιουργία ενέργειας μπορεί να είναι κάμψη, τέντωμα ή δονήσεις. Είναι δυνατόν να αξιοποιηθεί αυτή η μέθοδος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μέσω μιας συσκευής κυματικής ενέργειας.

Η πιεζοηλεκτρική ενέργεια έχει επίσης χρησιμοποιηθεί ως τεχνολογία παραγωγής ενέργειας στη θάλασσα. Ωστόσο, διαφέρει από τα αυτόνομα συστήματα αισθητήρων που συζητάμε εδώ, επειδή αποτελούν μόνο μέρος του συστήματος.

Το επιστημονικό έγγραφο που περιγράφει το σχεδιασμό διαχείρισης ενέργειας για αυτόνομους αισθητήρες δείχνει ότι υπάρχουν τρία ευρείς συστατικά. Υπάρχει η πηγή συλλογής, ο πυρήνας του μοντέλου διαχείρισης ενέργειας και ο κόμβος αισθητήρα.

Η πιεζοηλεκτρική ενέργεια είναι μία από τις πηγές συλλογής. Θα μπορούσαν να υπάρξουν περισσότερες τέτοιες πηγές, όπως ηλιακά κύτταρα, πηγές CT MEH, και θερμοηλεκτρικές ή τριβοηλεκτρικές πηγές.

Συνοπτικά, ένας αυτόνομος αισθητήρας είναι περισσότερο από ένα πιεζοηλεκτρικό υλικό ή το φαινόμενο της πιεζοηλεκτρικής ενέργειας καθαυτό. Συνεπώς, οι αυτόνομοι αισθητήρες βρίσκουν μια σειρά εφαρμογών.

Στα επόμενα τμήματα, θα εξετάσουμε εταιρείες που κατασκευάζουν τέτοιους αισθητήρες ή τους χρησιμοποιούν.

#1. EnOcean: Αυτόνομοι Αισθητήρες για Ασφαλή Κτίρια

Οι ασύρματοι αυτόνομοι αισθητήρες της EnOcean αντλούν ενέργεια από το περιβάλλον φως, αξιοποιώντας ηλιακά κύτταρα. Επιπλέον, αυτοί οι αισθητήρες μπορούν να εξάγουν ενέργεια από τις μικρότερες διαφορές θερμοκρασίας. Εκτός από τη συλλογή ενέργειας, μπορούν επίσης να συλλέγουν ακατέργαστα δεδομένα, βοηθώντας στην ανάλυση και οπτικοποίηση της ενεργειακής δυναμικής ενός έξυπνου κτιρίου. Επιπλέον, εκτός από τη θερμοκρασία, αυτοί οι αισθητήρες αποκτούν αποδοτικά πληροφορίες για την υγρασία, το φως και τη χρήση του χώρου και ορισμένων δωματίων του κτιρίου.

Η EnOcean διαθέτει μια ποικιλία προϊόντων στο χαρτοφυλάκιο των αυτόνομων αισθητήρων της, συμπεριλαμβανομένων ασύρματων μονάδων αισθητήρων που συλλέγουν ενέργεια, εξαιρετικά χαμηλής ισχύος μετατροπέων DC/DC για θερμικές πηγές ενέργειας, μονάδων μεταδότη μαγνητικού επαφής που συλλέγουν ενέργεια και ασύρματων μονάδων αισθητήρα θερμοκρασίας, μονάδων αισθητήρα υγρασίας και άλλα.

Η EnOcean τοποθετεί το STM 550 ως το κορυφαίο προϊόν στην οικογένεια των αυτόνομων αισθητήρων της. Είναι ένας ασύρματος αισθητήρας που συλλέγει ενέργεια με πολλές εφαρμογές σε ψηφιοποιημένα κτίρια. Πρόκειται για ένα πολυαισθητήρα που συνδυάζει πέντε διαφορετικούς αισθητήρες που λειτουργούν με επαφή μαγνήτη, επιτάχυνση, υγρασία, φωτεινότητα και θερμοκρασία.

Ο αισθητήρας διαθέτει ενσωματωμένο ηλιακό κύτταρο, το οποίο μπορεί να καλύψει όλες τις ενεργειακές απαιτήσεις λειτουργίας. Ακόμη και όταν δεν υπάρχει διαθέσιμο ηλιακό φως, η εσωτερικά αποθηκευμένη συλλεγμένη ενέργεια εξασφαλίζει ότι το σύστημα παραμένει λειτουργικό. Τέλος, η διεπαφή NFC εξασφαλίζει εύκολη διαμόρφωση και πρόσβαση μέσω αναγνώστη NFC, smartphone ή tablet.

Σύμφωνα με ένα εσωτερικό έγγραφο που δημοσιεύτηκε από την EnOcean, η εταιρεία κατέγραψε έσοδα 21 εκατομμυρίων δολαρίων ΗΠΑ και 23,2 εκατομμυρίων δολαρίων ΗΠΑ στα οικονομικά έτη FY 21 και FY 22, αντίστοιχα, χωρίς να συμπεριλάβει έσοδα από τις αποκτηθείσες περιουσίες. Για το FY 23, η εταιρεία προέβλεψε έσοδα 35 εκατομμυρίων δολαρίων ΗΠΑ.

Η εταιρεία παρουσίασε επίσης ισχυρό pipeline στρατηγικών και οικονομικών επενδυτών, συμπεριλαμβανομένων των Eltako Electronics, Wellington Partners, SET Ventures, Siemens και Emerald Technology Ventures.

#2. ONiO: Προχωρώντας προς ένα μέλλον χωρίς μπαταρίες

Μια άλλη εταιρεία που εργάζεται εντατικά για την εκπλήρωση των απαιτήσεων ενός αυτόνομου μέλλοντος είναι η ONiO.

Το κορυφαίο προϊόν της, ONiO.zero, είναι ένας μικρός ασύρματος μικροελεγκτής που μπορεί να αντικαταστήσει μπαταρίες. Ενσωματώνεται σε ένα μικροσκοπικό κομμάτι πυριτίου που διαθέτει το απαιτούμενο ηλεκτρικό κύκλωμα για τη συσσώρευση των μικρότερων ποσοτήτων ενέργειας.

Αυτό το νανο-μεγέθους σύστημα μπορεί να εκτελεί προγράμματα, να συνδέεται με εξωτερικούς αισθητήρες και να επικοινωνεί ασύρματα. Χρησιμοποιεί περιβάλλοντα ανανεώσιμη ενέργεια για την τροφοδοσία μικροηλεκτρονικών, επιτυγχάνοντας μια διαρρύθμιση όπου οι χρήστες μπορούν να αξιοποιούν πλήρως την ενέργεια RF, ηλιακή και θερμοηλεκτρική προς όφελός τους.

Το ONiO.Zero τροφοδοτεί πολλές συσκευές μικροελεγκτών, συμπεριλαμβανομένου ενός ασύρματου τηλεχειριστηρίου χωρίς μπαταρία. Κατά τη λειτουργία του τηλεχειριστηρίου, το ONiO.zero υλοποιεί μια διεπαφή PDM χαμηλής κατανάλωσης για τη σύνδεση μικροφώνων χαμηλής ισχύος. Αυτή η διεπαφή υποστηρίζει ταχύτητες δειγματοληψίας από 300 KHz έως 12 MHz, με πρόσθετη υποστήριξη για κλασματικό bitrate. Επιπλέον, η ενσωμάτωση μιας μηχανής αφής χωρητικότητας σημαίνει ότι το τηλεχειριστήριο δεν απαιτεί εσωτερικό ταλαντωτή για λειτουργία και είναι εντελώς αυτόνομα χρονισμένο. Αυτός ο σχεδιασμός του επιτρέπει να λειτουργεί με εξαιρετικά χαμηλή ισχύ και να αφυπνίζει ασύγχρονα το υπόλοιπο σύστημα. Επιπλέον, ο υπερ-χαμηλής ισχύος ταλαντωτής έχει σχεδιαστεί ώστε οποιοδήποτε πάτημα πλήκτρου, από ένα σύνολο 64 κουμπιών, να μπορεί να αφυπνίσει την CPU.

Τον Ιούλιο 2023, η ONiO παρουσίασε τις ασύρματες ηλεκτρονικές ετικέτες ραφιών χωρίς μπαταρία. Αυτές είναι 100% αυτόνομες και δεν απαιτούν καθόλου μπαταρίες. Τα παραδοσιακά ετικέτες ραφιών χρησιμοποιούν δύο κέρματα-κελύφη το καθένα, και ένα μέσο κατάστημα ευκολίας χρησιμοποιεί περίπου 6.000 τέτοιες ετικέτες, οδηγώντας σε συχνή απόρριψη σχεδόν 12.000 κερμάτων-κελύφη στα ωκεανούς και τα χωματερές από ένα μόνο κατάστημα ευκολίας.

Οι αυτόνομες ετικέτες ραφιών χωρίς μπαταρία της ONiO μπορούν να σώσουν τον πλανήτη μας από το τοξικό απόβλητο που παράγεται από εκατομμύρια μπαταρίες.

Η εταιρεία ολοκλήρωσε τις προ-σπορά, σπορά και γέφυρα γύρους χρηματοδότησης το 2017, 2018 και 2021, αντίστοιχα, και αναμένεται να ολοκληρώσει τη Σειρά Α μέχρι το 2024. Τα πιο πρόσφατα διαθέσιμα δεδομένα χρηματοδότησης υποδεικνύουν ότι η εταιρεία συγκέντρωσε περίπου 2,5 εκατομμύρια Ευρώ ως επιχορήγηση από το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Καινοτομίας τον Μάιο 2020.

#3. Clarity Movement Co.: Εκμεταλλευόμενη την τεχνολογία αεροαισθητήρων για να ηγηθεί του κινήματος καθαρού αέρα

Με έδρα το Berkeley, Καλιφόρνια, Ηνωμένες Πολιτείες, η Clarity Movement Co. προσφέρει τον κορυφαίο αισθητήρα σωματιδίων και διοξειδίου του αζώτου με την ονομασία Clarity Node-S. Πρόκειται για μια αυτόνομη λύση που έχει λάβει πιστοποίηση FCC/CE. Στην ουσία, είναι ένα σύστημα IoT παρακολούθησης ποιότητας αέρα που λειτουργεί με τις αρχές της ηλιακής συλλογής ενέργειας.

Διαθέτει επίσης προηγμένες δυνατότητες διαχείρισης δεδομένων που μπορούν να προσαρμοστούν σε οποιοδήποτε μέγεθος έργου. Εκτός από το ότι λειτουργεί ως υλικό παρακολούθησης ποιότητας αέρα που μετρά PM2.5 και διοξείδιο του αζώτου, το Clarity Node-S λειτουργεί επίσης ως πλατφόρμα που μπορεί να μετρήσει άνεμο, μαύρο άνθρακα και όζον. Ο φιλικός προς το χρήστη πίνακας ελέγχου προσφέρει μετρήσεις ποιότητας αέρα και δεδομένα κατάστασης του δικτύου αέρα με τον πιο προσβάσιμο τρόπο.

Η Clarity Movement έχει υποβληθεί σε συνολικά πέντε γύρους χρηματοδότησης μέχρι σήμερα, με την πιο πρόσφατη Σειρά Α στις 24 Ιουλίου 2022. Σύμφωνα με τις αναφορές, ο γύρος έκλεισε με συγκέντρωση 9,6 εκατομμυρίων δολαρίων ΗΠΑ σε κεφάλαια.

Εκτός από τις εταιρείες που κατασκευάζουν λύσεις αισθητήρων χωρίς μπαταρία και αυτόνομους, υπάρχουν περιοχές εφαρμογής που μελετούν τη δυνατότητα υλοποίησής τους και προχωρούν σε αντίστοιχες εξελίξεις.

Από την Υγειονομική Περίθαλψη στα Έξυπνα Συστήματα Κτιρίων: Η Χρήση Αυτόνομων Αισθητήρων

Οι αισθητήρες έχουν βρει εφαρμογές στην υγειονομική περίθαλψη, τη βιομηχανία φορετών, τον τομέα των προσωπικών ηλεκτρονικών, τα αυτοκίνητα, τα κτίρια, την παρακολούθηση τροφίμων, τη ρομποτική, την περιβαλλοντική παρακολούθηση και άλλα. Τα οφέλη των αισθητήρων έχουν ενισχυθεί περαιτέρω από τους αυτόνομους αισθητήρες.

Τώρα, υπάρχει ανάπτυξη γύρω από την ενσωμάτωση τεχνικών μηχανικής μάθησης σε αυτόνομα συστήματα ανίχνευσης. Οι ειδικοί πιστεύουν ότι η ενίσχυση των αυτόνομων αισθητήρων με δυνατότητες ML θα ανοίξει δρόμους για ευρεία υλοποίηση του Διαδικτύου των Πραγμάτων.

Επιτυχημένη έρευνα έχει διεξαχθεί γύρω από αυτόνομα ασύρματα οπτική μετάδοση για ασύρματη ανίχνευση πίεσης. Η επιστημονική κοινότητα έχει επίσης παρακολουθήσει την ανάπτυξη 3D-τυπωμένων ελαστικών μεταλλικών-πυρήνα τριβοηλεκτρικών βραχίων, αισθητήρων τρέμουλου για το Πάρκινσον, έξυπνων καλτσών και έξυπνων συστημάτων υποβοήθησης οδηγού – όλα αυτά λειτουργούν προς την αξιοποίηση των αυτόνομων αισθητήρων.

Στον τομέα της υγειονομικής περίθαλψης και των βιοϊατρικών εφαρμογών, έχουν εμφανιστεί υβριδικοί αισθητήρες με τεχνικές ML που μπορούν να ανιχνεύσουν τη βιομηχανική ενέργεια που εκλύεται από τις κινήσεις του ανθρώπινου σώματος. Αυτοί οι αισθητήρες τροφοδοτούν συσκευές αποκατάστασης ποδιών και βοηθούν με την ενεργοποίηση βιομηχανικής κίνησης στο δέρμα και τις πολυλειτουργικές μετρήσεις πίεσης και τις λύσεις αναγνώρισης χειρονομιών.

Το Μέλλον για ένα Ασύρματο, Αυτόνομο Μέλλον

Μία από τις περιοχές όπου οι αυτόνομοι, χωρίς μπαταρία αισθητήρες θα βοηθήσουν σημαντικά είναι η υλοποίηση του IoT σε παγκόσμια κλίμακα. Εκτιμήσεις υποδεικνύουν ότι η πιθανή ευρεία υλοποίηση του IoT απαιτεί την αντικατάσταση ενός δισεκατομμυρίου μπαταριών καθημερινά. Οι τεχνικές συλλογής ενέργειας θα βοηθήσουν σίγουρα.

Ωστόσο, το μέλλον των αυτόνομων αισθητήρων μπορεί να επιτύχει το πραγματικό του δυναμικό μόνο εάν αντιμετωπίσει ορισμένα εμπόδια. Ο τομέας της ηλεκτρονικής πρέπει να είναι έτοιμος να αποδεχτεί και να αξιοποιήσει αποτελεσματικά τις μικρές μορφές παραγωγής ενέργειας που δημιουργούν οι τεχνικές συλλογής ενέργειας.

Ο κόσμος χρειάζεται να δει περισσότερη πρόοδο στην ανάπτυξη ηλεκτρονικών συσκευών που μπορούν να λειτουργούν αποδοτικά με χαμηλή ενεργή επεξεργαστική ισχύ. Η επιφανειακή φόρτιση που παράγει η επαφή ηλεκτρισμού πρέπει να αυξηθεί ώστε να συλλέγεται επαρκής ενέργεια που θα τροφοδοτεί τις καθημερινές μας ηλεκτρονικές συσκευές. Για την επιτυχημένη εφαρμογή σε δραστηριότητες ανίχνευσης ανθρώπινων κινήσεων, η αποτελεσματική διαχείριση των διαθέσιμων δεδομένων θα παίξει επίσης κρίσιμο ρόλο.

Με την κατάλληλη αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων, οι αυτόνομοι αισθητήρες μπορούν να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στην απλοποίηση και βελτίωση των συστημάτων που χρησιμοποιούμε καθημερινά. Θα ανοίξουν το δρόμο για ενέργεια με το μικρότερο αποτύπωμα άνθρακα και βιώσιμη στην ουσία.