Enerhiya
Sino ang Kailangan ng mga Baterya? Maaaring Pinasimple at Pahusayin ng mga Self-Powered Sensor ang mga Sistema
Idagdag ang Securities.io sa mga gusto mong mapagkunan sa Google
Ang tumataas na pangangailangan sa enerhiya at kung paano ito matutugunan ay isa sa mga pinaka-agarang alalahanin ng mundo. Hindi lamang ang dami ng produksyon ang hamon na kailangang harapin, kundi dapat ding maging napapanatili at walang carbon emissions ang kalikasan ng produksyon.
Ang mga siyentipiko, mananaliksik, teknolohista, institusyon, at mga organisasyong pampamahalaan sa buong mundo ay nagsusumikap upang makabuo ng epektibong solusyon sa hamong ito sa enerhiya. Maraming matagumpay na pagsubok ang tumutulong din na mapabuti ang sitwasyon.
Sa gitna ng lahat ng ito, isang grupo ng mga mananaliksik mula sa MIT ang nakabuo ng isang battery-free, self-powered sensor na kayang mangolekta ng enerhiya mula sa kapaligiran. Simulan natin sa pamamagitan ng mas malalim na pagsisid at pag-unawa kung ano ang ibig sabihin ng teknolohiyang ito at bakit ito isang mahalagang inobasyon.
Mga Sensor na Walang Baterya, Self-Powered Mula sa mga Mananaliksik ng MIT
Ang mga sensor na ito ay hindi nangangailangan ng rechargeable o mapapalitang baterya. Hindi rin ito nangangailangan ng wiring, kaya mas madali itong ilagay sa mga lugar na mahirap maabot at ma-access. Sa esensya, ang mga sensor na ito ay mga temperature-sensitive na aparato na maaaring magpatakbo gamit ang enerhiya na kinukuha mula sa kalapit na magnetic field sa paligid ng isang wire sa bukas na hangin.
Ang pag-deploy ng mga sensor na ito ay kasing simple ng pag-clip nito sa paligid ng isang wire na may kuryente, tulad ng mga nagpa-power sa motor. Kapag na-clip na, sapat na ang deployment para sa sensing device na mangolekta at mag-imbak ng enerhiya. Dagdag pa rito, kayang subaybayan ng aparato ang temperatura ng motor, pati na rin mangolekta ng datos tungkol sa konsumo ng kuryente at operasyon ng makina sa mahabang panahon.
Ayon kay Daniele Monagle, ang lead author ng pag-aaral na naglalahad ng inobasyong ito bilang isang pang-agham na papel na nailathala sa IEEE Xplore:
“Nagbigay kami ng halimbawa ng isang sensor na walang baterya na gumagawa ng kapaki-pakinabang na bagay at ipinakita na ito ay praktikal na maisasakatuparan. Ngayon, inaasahan naming gagamitin ng iba ang aming framework upang masimulan ang pagdidisenyo ng kanilang mga sensor.”
Habang tinatalakay ang inobasyon at ang halaga nito, sinabi ni John Donnal, isang associate professor ng weapons and controls engineering sa United States Naval Academy:
“Ang mga sistemang nag-harvest ng enerhiya tulad nito ay maaaring magbigay-daan sa pag-retrofit ng iba’t ibang diagnostic sensor sa mga barko at makabuluhang mabawasan ang kabuuang gastos sa maintenance.”
Naniniwala ang mga mananaliksik na ang inobasyong ito ay mahalagang karagdagan sa mundo ng energy harvesting dahil ito ay nagsisilbing epektibong electronic energy management interface sa pagitan ng harvester source at sensor load.
Sa panahon ng development testing, ipinakita ng sistema ang matagumpay na cold-start capabilities na gumagamit ng discrete logic, na may average power harvest enhancements na umabot sa halos 400% sa ilalim ng ilang harvester voltage load conditions. Gumagana ito sa ilalim ng hysteretic control method na maaaring magserbisyo sa sensor load na hanggang 50 megawatts.
Ang gawain ay bahagyang sinuportahan ng Office of Naval Research at The Grainger Foundation. Sa pundamental, ang monitoring at sensing capabilities ng mga aparatong ito ay maaaring magkaroon ng maraming aplikasyon sa mundo ng shipping.
Halimbawa, ang pag-access at pag-monitor ng power sa isang barko ay mahirap isagawa dahil limitado ang bilang ng mga outlet at mahigpit ang mga restriksyon ukol sa uri ng kagamitan na maaaring ikabit.
Bagaman malaki ang maitutulong ng barko sa pagsukat ng vibration ng isang pump, at maaaring magkaroon ng real-time na impormasyon tungkol sa kalusugan ng mga bearings at mounts, ang pag-power ng retrofit sensors ay nangangailangan ng mabigat na pamumuhunan sa imprastruktura. Ang mga self-powered sensor system na ito ay nagbibigay-daan upang i-retrofit ang iba’t ibang diagnostic sensor sa mga barko, na nagbabawas nang malaki sa gastusin sa maintenance.
Bukod pa rito, ang energy harvesting na ginagawa ng mga sensor na ito ay hindi lamang nakadepende sa magnetic fields. Maaari rin silang mangolekta ng enerhiya mula sa vibrations o sikat ng araw at maaaring magbigay ng kakayahang bumuo ng komprehensibong sensor network para sa mga pabrika, bodega, at komersyal na espasyo sa napakababa na gastos sa pag-install at maintenance.
Ang lahat ng talakayan tungkol sa energy harvesting at pagkuha ng kinakailangang enerhiya mula sa mga nakapaligid na magnetic fields, tunog na vibrations, o sikat ng araw ay maaaring magpapaalala sa mga nakakaalam ng piezoelectric materials. Ngunit may mga pagkakaiba.
Ang mga Self-Powered Sensor ay Iba sa mga Piezoelectric Material
Ang piezoelectric na mga materyales ay maaaring mag-produce ng electric voltage kapag inilagay sa ilalim ng stress. Ang mga salik na nagdadala ng power generation ay maaaring bending, stretching, o vibrations. Posibleng gamitin ang mga paraan ng pag-generate ng kuryente sa pamamagitan ng wave energy device.
Ginagamit din ang piezoelectricity bilang teknolohiya sa marine power generation. Gayunpaman, ito ay iba sa mga self-powered sensor system na tinalakay dito dahil bahagi lamang ito ng sistema.
Ang pang-agham na papel na naglalahad ng disenyo ng energy management para sa mga self-powered sensor ay nagpapakita na may tatlong malawak na komponent ito. Mayroong harvester source, core energy management module, at sensor node.
Ang piezoelectricity ay isa sa mga harvester source. Maaaring may iba pang mga harvester source, kabilang ang solar cells, CT MEH sources, at thermoelectric o triboelectric sources.
Sa buod, ang isang self-powered sensor ay higit pa sa isang piezoelectric material o sa phenomenon ng piezoelectricity mismo. Dahil dito, ang mga self-powered sensor ay may hanay ng mga aplikasyon.
Sa mga susunod na segment, titingnan natin ang mga kumpanya na gumagawa ng ganitong mga sensor o gumagamit nito.
#1. EnOcean: Self-Powered Sensors for Safe Buildings
Ang wireless self-powered sensors ng EnOcean ay kumukuha ng enerhiya mula sa ambient light, gamit ang solar cells. Hindi lamang ito, kundi kaya rin ng mga sensor na ito na kumuha ng enerhiya mula sa pinakamaliit na pagkakaiba ng temperatura. Bukod sa energy harvesting, maaari rin nilang kolektahin ang raw data, na tumutulong sa pagsusuri at visualisasyon ng energy dynamics ng isang smart building. Higit pa rito, bukod sa temperatura, epektibong nakukuha ng mga sensor na ito ang impormasyon tungkol sa humidity, liwanag, at kung paano ginagamit ang espasyo at ilang silid ng isang gusali.
May iba’t ibang produkto ang EnOcean sa kanilang portfolio ng self-powered sensors, kabilang ang energy-harvesting wireless sensor modules, ultra-low power DC/DC converters para sa thermal energy harvesters, energy harvesting magnetic contact transmitter modules at wireless temperature sensor modules, humidity sensor modules, at iba pa.
Itinuturing ng EnOcean ang STM 550 bilang ang flagship product sa kanilang pamilya ng self-powered sensors. Ito ay isang energy-harvesting wireless sensor na may maraming aplikasyon sa digitalized na mga gusali. Ito ay isang multisensor product na pinagsasama ang limang magkaibang sensor na gumagana sa magnet contact, acceleration, humidity, illumination, at temperature.
Ang sensor ay may kasamang solar cell na integrated dito, na maaaring tugunan ang lahat ng operational energy requirements. Kahit na walang sikat ng araw, ang internally stored harvested energy ay nagsisiguro na mananatiling functional ang sistema. Sa huli, ang NFC interface ay nagbibigay-daan sa madaling configurability at access sa pamamagitan ng NFC reader, smartphone, o tablet.
Ayon sa isang internal document na inilathala ng EnOcean, ang kumpanya ay nag-record ng revenue na US$21 million at US$23.2 million sa FY 21 at FY 22, ayon sa pagkakasunod, nang hindi isinasama ang anumang revenue mula sa acquired assets. Para sa FY 23, ang kumpanya ay nag-projected ng revenue na US$35 million.
Ipinakita rin ng kumpanya ang isang malakas na pipeline ng strategic at financial investors, kabilang ang Eltako Electronics, Wellington Partners, SET Ventures, Siemens, at Emerald Technology Ventures.
#2. ONiO: Working Towards a Batteryless Future
Isa pang kumpanya na masigasig na nagtatrabaho upang matugunan ang pangangailangan ng isang self-powered na hinaharap ay ang ONiO.
Ang kanilang flagship product, ONiO.zero, ay isang maliit na wireless microcontroller na kayang palitan ang mga baterya. Ito ay naka-attach sa isang maliit na piraso ng silicon na may kinakailangang electrical circuitry upang maipon ang pinakamaliit na halaga ng enerhiya.
Ang nano-sized system na ito ay maaaring magpatakbo ng mga programa, kumonekta sa external sensors, at makipag-communicate nang wireless. Ginagamit nito ang ambient renewable energy upang mapagana ang microelectronics at makamit ang isang setup kung saan maaaring ganap na gamitin ng mga user ang RF, solar, at thermoelectric energy para sa kanilang kapakinabangan.
Pinapagana ng ONiO.Zero ang maraming microcontroller device, kabilang ang isang batteryless remote control. Sa pagpapatakbo ng remote control, nag-iimplement ang ONiO.zero ng low-power PDM interface para sa pagkonekta ng low-power microphones. Ang interface na ito ay sumusuporta sa sampling speeds mula 300 KHz hanggang 12 MHz, na may karagdagang suporta para sa fractional bitrate. Higit pa rito, ang integrasyon ng capacitive touch engine ay nangangahulugang ang remote ay hindi nangangailangan ng internal oscillator para sa operasyon at ganap na self-clocked. Ang disenyo na ito ay nagpapahintulot na tumakbo ito sa napakababang power at asynchronous na gisingin ang natitirang bahagi ng sistema. Bukod pa rito, ang ultra-low-power oscillator ay dinisenyo upang anumang keypress, mula sa kabuuang 64 na button, ay kayang gisingin ang CPU.
Noong Hulyo 2023, inilunsad ng ONiO ang kanilang batteryless electronic shelf labels. Ang mga ito ay 100% self-powered at hindi nangangailangan ng anumang baterya. Ang tradisyonal na shelf labels ay gumagamit ng dalawang coin cells bawat isa, at ang isang average na convenience store ay gumagamit ng halos 6,000 ng mga shelf label na ito, na nagreresulta sa madalas na pagtatapon ng halos 12,000 coin cells sa mga karagatan at landfill mula sa isang convenience store lamang.
Ang mga self-powered batteryless electronic shelf label ng ONiO ay maaaring magligtas sa ating planeta mula sa toxic waste na nalilikha mula sa napakaraming baterya.
Natapos ng kumpanya ang kanilang pre-seed, seed, at bridge round of funding noong 2017, 2018, at 2021, ayon sa pagkakasunod, at inaasahang matatapos ang Series A pagsapit ng 2024. Ang pinakabagong available na datos ng pondo ay nagpapahiwatig na ang kumpanya ay nakalikom ng halos 2.5 million Euros bilang grant mula sa European Innovation Council noong Mayo 2020.
#3. Clarity Movement Co.: Leveraging Air Sensing Technology to Lead the Clean Air Movement
Base sa Berkeley, California, United States, ang Clarity Movement Co. ay nag-aalok ng kanilang flagship particulate matter at nitrogen dioxide monitor na tinatawag na Clarity Node-S. Ito ay isang self-powered solution na nakakuha ng FCC/CE certification. Sa kanyang core, ito ay isang IoT air quality monitoring system na gumagana sa prinsipyo ng solar energy harvesting.
Mayroon din itong cutting-edge data management capabilities na maaaring i-modulate sa anumang sukat ng proyekto. Bukod sa pagiging hardware para sa pagsukat ng PM2.5 at nitrogen-dioxide, nagsisilbi rin ang Clarity Node-S bilang isang platform na maaaring sukatin ang Hangin, Black Carbon, at Ozone. Ang user-friendly dashboard nito ay nag-aalok ng air quality measurements at air network status data sa pinaka-accessible na paraan.
Ang Clarity Movement ay nagkaroon ng kabuuang limang funding rounds hanggang ngayon, kung saan ang pinakabagong series A ay noong Hulyo 24, 2022. Ayon sa ulat, ang round ay nakalikom ng US$9.6 million na pondo.
Bukod sa mga kumpanya na gumagawa ng batteryless, self-powered sensor solutions, may mga application area na nag-aaral ng feasibility nito at gumagawa ng mga pag-unlad alinsunod dito.
Mula sa Healthcare hanggang sa Building Intelligent Systems: Ang Paggamit ng Self-Powered Sensors
Ang mga sensor ay nagamit na sa healthcare, industriya ng wearable, larangan ng personal electronics, sasakyan, gusali, monitoring ng pagkain, robotics, environmental monitoring, at marami pang iba. Ang mga benepisyo ng mga sensor ay lalong pinahusay ng self-powered sensors.
Ngayon, may pag-unlad na nagaganap sa pag-integrate ng machine learning techniques sa self-powered sensing systems. Naniniwala ang mga eksperto na ang pagdagdag ng ML capabilities sa self-powered sensors ay magbubukas ng mga oportunidad para sa malawakang deployment ng Internet of Things.
Isang matagumpay na pananaliksik ang isinagawa hinggil sa self-powered wireless optical transmission para sa wireless pressure detection. Nakita rin ng siyentipikong mundo ang pag-develop ng 3D-printed elastomeric metal-core triboelectric wristbands, tremor sensors para sa Parkinson’s, smart socks, at intelligent driver assistance systems – lahat ay nagtatrabaho upang magamit ang self-powered sensors.
Sa larangan ng healthcare at biomedical applications, lumitaw ang mga hybrid sensor na may ML techniques na maaaring mag-detect ng biomechanical energy na inilalabas ng galaw ng tao. Ang mga sensor na ito ay nagpapagana ng mga leg-rehabilitation device at tumutulong sa on-skin-triggered biomechanical motion at multifunctional pressure sensing at human gesture identification solutions.
Ang Landas Patungo sa Isang Battery-Free, Self-Powered na Hinaharap
Isa sa mga larangan kung saan ang self-powered, batteryless sensors ay lubos na makakatulong ay ang deployment ng IoT sa pandaigdigang sukat. Ang mga pagtatantiya ay nagsasabi na ang potensyal na malawakang IoT deployment ay nangangailangan ng pagpapalit ng isang bilyong baterya bawat araw. Tiyak na makakatulong ang mga energy harvesting technique.
Gayunpaman, ang hinaharap ng mga self-powered sensor ay makakamit lamang ang tunay nitong potensyal kung malulutas nito ang ilang bottlenecks. Kailangang maging handa ang larangan ng electronics upang epektibong tanggapin at gamitin ang maliliit na power generation modalities na nililikha ng mga energy harvesting technique.
Kailangan ng mundo na makita ang higit pang pag-unlad sa pag-develop ng mga electronic device na maaaring tumakbo nang epektibo sa mababang active processing power. Ang surface charge na nililikha ng contact electrification ay kailangang tumaas upang makalikom ng sapat na enerhiya na makakapagpatakbo ng ating pang-araw-araw na electronic gadgets. Para sa matagumpay na aplikasyon sa mga aktibidad ng human motion detection, ang epektibong pamamahala ng available na data ay gaganap din ng mahalagang papel.
Sa pagharap sa mga hamong ito nang maayos, ang mga self-powered sensor ay maaaring maglakbay nang malayo sa pagpapasimple at pagpapahusay ng mga sistemang ginagamit natin araw-araw. Magbubukas ito ng daan para sa enerhiya na may pinakamababang carbon footprint at tunay na napapanatili sa kanyang core.
