Kimlerin Pile İhtiyacı Var? Kendi Kendine Güç Sağlayan Sensörler Sistemleri Basitleştirebilir ve Geliştirebilir

Artan enerji talebi ve bunu nasıl karşılayacağımız, dünyanın karşı karşıya olduğu en acil endişelerden biridir. Üretim hacmi sadece ele alınması gereken bir zorluk olmakla kalmıyor, üretimin doğası da sürdürülebilir ve karbon emisyonlarından arındırılmış olmalıdır. 

Dünya genelindeki bilim insanları, araştırmacılar, teknologlar, kurumlar ve devlet kuruluşları bu enerji sorununa etkili çözümler bulmak için ellerinden geleni yapıyor. Birçok başarılı girişim de durumu iyileştirmeye katkı sağladı. 

Tüm bunların ortasında, MIT araştırmacılarından oluşan bir grup, ortamdan enerji toplayabilen bir pil gerektirmeyen, kendi kendine güç sağlayan sensör geliştirdi. Şimdi bu teknoloji ne anlama geliyor ve neden önemli bir yenilik olduğunu daha derinlemesine inceleyelim. 

MIT Araştırmacılarından Pil Gerektirmeyen, Kendi Kendine Güç Sağlayan Sensörler

Bu sensörler, şarj edilebilir veya değiştirilebilir pillerin gerekliliğinden muaftır. Ayrıca kablolamaya ihtiyaç duymazlar, bu da ulaşılması ve erişilmesi zor yerlere yerleştirilmelerini kolaylaştırır. Esasen, bu sensörler, açık havada bir telin çevresindeki manyetik alandan çekilen enerjiyle çalışan sıcaklık duyarlı cihazlardır. 

Bu sensörlerin kurulumu, bir motoru besleyen gibi elektrik taşıyan bir telin etrafına takmak kadar basittir. Takıldıktan sonra, sensör cihazı hem enerjiyi toplar hem de depolar. Ayrıca cihaz, motorun sıcaklığını izleyebilir ve makinenin enerji tüketimi ve çalışmasıyla ilgili verileri uzun bir süre boyunca toplayabilir.

Daniele Monagle’e göre, bu yeniliği vurgulayan bu yeniliği vurgulayan çalışma olarak yayınlanan makale IEEE Xplore:

“Pil gerektirmeyen bir sensörün faydalı bir şey yaptığını gösteren bir örnek sunduk ve bunun pratik olarak gerçekleştirilebilir bir çözüm olduğunu gösterdik. Şimdi, diğerlerinin de çerçevemizi kullanarak sensör tasarımlarına başlamasını umuyoruz.”

Yenilik ve fayda değerinden bahsederken, ABD Donanma Akademisi’nde silah ve kontrol mühendisliği doçent yardımcısı John Donnal şunları söyledi: 

“Bu tür enerji toplama sistemleri, gemilere çok çeşitli tanı sensörlerini eklemeyi mümkün kılabilir ve bakım maliyetlerini önemli ölçüde azaltabilir.”

Araştırmacılar, bu yeniliğin enerji toplama dünyasına değerli bir katkı olduğunu düşünüyor çünkü bu, enerji toplayıcı kaynağı ile sensör yükü arasında verimli bir elektronik enerji yönetim arayüzü olarak çalışıyor. 

Sistem, geliştirme testleri sırasında, ayrık mantık kullanan başarılı soğuk başlatma yetenekleri gösterdi; belirli toplayıcı voltaj yük koşullarında ortalama güç toplama artışı %400’e yaklaştı. 50 megawatt’a kadar sensör yükünü hizmet verebilen histeretik kontrol yöntemiyle çalıştı. 

Çalışma, kısmen Donanma Araştırma Ofisi ve Grainger Vakfı tarafından desteklendi. Temelde, bu cihazların izleme ve algılama yetenekleri denizcilik dünyasında birçok uygulamaya sahip olabilir. 

Örneğin, bir gemide enerjiye erişmek ve izlemek zordur çünkü sınırlı sayıda priz bulunur ve takılabilecek ekipman türüne ilişkin katı kısıtlamalar vardır. 

Geminin bir pompanın titreşimini ölçerek ve rulman ve montajların sağlık durumu hakkında gerçek zamanlı bilgi elde ederek büyük fayda sağlayabileceği bir durumda, retrofit sensörleri güçlendirmek yüksek yatırım gerektiren bir altyapı inşa etmeyi gerektirir. Bu kendi kendine güç sağlayan sensör sistemleri, gemilere çeşitli tanı sensörlerini eklemeyi mümkün kılarak bakım maliyetlerini önemli ölçüde düşürür. 

Ayrıca, bu sensörlerin enerji toplaması yalnızca manyetik alanlara bağlı değildir. Titreşimlerden veya güneş ışığından da enerji toplayabilir ve fabrikalar, depolar ve ticari alanlar için çok makul bir kurulum ve bakım maliyetiyle kapsamlı sensör ağları oluşturma yeteneği sunabilir. 

Enerji toplama ve gerekli enerjiyi çevredeki manyetik alanlardan, ses titreşimlerinden veya güneş ışığından elde etme konusundaki tüm bu tartışmalar, piezoelektrik malzemelerden haberdar olanlara tanıdık gelebilir. Ancak farklar vardır. 

Sürdürülebilir enerji kaynakları ve benimsenme oranları hakkında bilgi edinmek için buraya tıklayın.

Kendi Kendine Güç Sağlayan Sensörler Piezoelektrik Malzemelerden Farklıdır

Piezoelektrik malzemeler, stres altında bırakıldıklarında elektrik voltajı üretebilir. Güç üretiminin itici faktörleri bükülme, gerilme veya titreşim olabilir. Bu elektrik üretim yolları dalga enerjisi cihazı aracılığıyla da kullanılabilir. 

Piezoelektrik, aynı zamanda deniz tabanlı bir enerji üretim teknolojisi olarak da kullanılmaktadır. Ancak, burada tartıştığımız kendi kendine güç sağlayan sensör sistemlerinden farklıdır çünkü bunlar sadece sistemin bir parçasını oluşturur. 

Kendi kendine güç sağlayan sensörler için enerji yönetim tasarımını detaylandıran bilimsel makale üç geniş bileşen olduğunu gösteriyor. Birincisi toplayıcı kaynak, ikincisi çekirdek enerji yönetim modülü ve üçüncüsü sensör düğümüdür. 

Piezoelektrik, toplayıcı kaynaklardan biridir. Güneş hücreleri, CT MEH kaynakları ve termoelektrik ya da triboelektrik kaynaklar gibi daha fazla toplayıcı kaynak da bulunabilir. 

Özetle, bir kendi kendine güç sağlayan sensör, sadece bir piezoelektrik malzeme ya da piezoelektrik olgusundan daha fazlasıdır. Bu nedenle, kendi kendine güç sağlayan sensörler çeşitli uygulama alanları bulur. 

İlerleyen bölümlerde, bu sensörleri üreten veya kullanan şirketlere bakacağız. 

#1. EnOcean: Güvenli Binalar için Kendi Kendine Güç Sağlayan Sensörler

EnOcean’un kablosuz kendi kendine güç sağlayan sensörleri, ortam ışığından enerji toplar ve güneş hücrelerinden yararlanır. Bunun yanı sıra, bu sensörler en küçük sıcaklık farklarından da enerji çıkarabilir. Enerji toplamanın yanı sıra ham veri toplayarak akıllı bir binanın enerji dinamiklerinin analiz ve görselleştirilmesine yardımcı olurlar. Ayrıca, sıcaklığın yanı sıra, bu sensörler nem, ışık ve bir binanın alanı ve belirli odalarının nasıl kullanıldığı hakkında da verimli bilgi elde eder. 

EnOcean, enerji toplama kablosuz sensör modülleri, termal enerji toplayıcıları için ultra düşük güç DC/DC dönüştürücüler, enerji toplama manyetik temas verici modülleri ve kablosuz sıcaklık sensör modülleri, nem sensör modülleri ve daha fazlası gibi çeşitli ürünlere sahiptir. 

EnOcean, kendi kendine güç sağlayan sensör ailesinin amiral gemisi ürünü olarak STM 550 konumlandırıyor. Bu, dijitalleşmiş binalarda birçok uygulamaya sahip enerji toplayan kablosuz bir sensördür. Manyetik temas, ivme, nem, aydınlatma ve sıcaklık üzerine çalışan beş farklı sensörü birleştiren çoklu sensör ürünüdür. 

Sensör, içinde entegre bir güneş hücresi ile gelir ve tüm operasyonel enerji gereksinimlerini karşılayabilir. Güneş ışığı olmadığında bile, dahili olarak depolanan toplanan enerji sistemin çalışır durumda kalmasını sağlar. Son olarak, NFC arayüzü, bir NFC okuyucu, akıllı telefon veya tablet aracılığıyla kolay yapılandırma ve erişim sağlar. 

EnOcean tarafından yayınlanan iç belgeye göre, şirket FY 21 ve FY 22’de sırasıyla 21 milyon ABD Doları ve 23,2 milyon ABD Doları gelir kaydetti; edinilen varlıklardan elde edilen gelir dahil edilmedi. FY 23 için ise şirket 35 milyon ABD Doları gelir öngörüyor. 

Şirket ayrıca Eltako Electronics, Wellington Partners, SET Ventures, Siemens ve Emerald Technology Ventures gibi stratejik ve finansal yatırımcılardan oluşan güçlü bir pipeline sergiledi. 

#2. ONiO: Pil Gerektirmeyen Bir Gelecek İçin Çalışıyor

Kendi kendine güç sağlayan bir geleceğin taleplerini karşılamak için yoğun bir şekilde çalışan bir diğer şirket ONiO’dur. 

Amiral gemisi ürünü, ONiO.zero, pillerin yerini alabilen küçük bir kablosuz mikrodenetleyicidir. Gerekli elektrik devresine sahip çok küçük bir silikon parçasına eklenmiştir ve en küçük enerji miktarlarını biriktirebilir. 

Bu nano boyutlu sistem programları çalıştırabilir, harici sensörlere bağlanabilir ve kablosuz iletişim kurabilir. Ortamda bulunan yenilenebilir enerjiyi mikroelektronikleri beslemek için kullanır; böylece kullanıcılar RF, güneş ve termoelektrik enerjiyi tam anlamıyla faydalanabilir. 

ONiO.Zero, bir pil gerektirmeyen uzaktan kumanda besler. Uzaktan kumandayı çalıştırırken, ONiO.zero düşük güçlü mikrofonları bağlamak için düşük güç tüketimli bir PDM arayüzü uygular. Bu arayüz, 300 KHz ile 12 MHz arasında örnekleme hızlarını destekler ve kesirli bit hızı için ek destek sağlar. Ayrıca, kapasitif dokunma motorunun entegrasyonu, uzaktan kumandanın çalışması için dahili bir osilatöre ihtiyaç duymadığını ve tamamen kendi kendine saatlendirilmiş olduğunu gösterir. Bu tasarım, çok düşük güçte çalışmasına ve sistemin geri kalanını eşzamansız olarak uyandırmasına olanak tanır. Üstelik ultra düşük güç tüketimli osilatör, toplam 64 tuştan herhangi birine basıldığında CPU’yu uyandırabilecek şekilde tasarlanmıştır. 

2023 Temmuz’unda ONiO, pil gerektirmeyen elektronik raf etiketlerini duyurdu. Bunlar %100 kendi kendine güç sağlayan ve hiç pil gerektirmeyen ürünlerdir. Geleneksel raf etiketleri her biri iki adet madeni para hücresi kullanır ve ortalama bir bakkal mağaza yaklaşık 6.000 bu raf etiketini kullanır; bu da tek bir bakkal mağazadan neredeyse 12.000 madeni para hücresinin okyanuslara ve çöp sahalarına atılmasına yol açar. 

ONiO’nun kendi kendine güç sağlayan pil gerektirmeyen elektronik raf etiketleri, bu milyonlarca pilden kaynaklanan toksik atıklardan gezegenimizi koruyabilir. 

Şirket, 2017, 2018 ve 2021 yıllarında sırasıyla ön‑seed, seed ve bridge finansman turunu tamamladı ve 2024 yılına kadar Series A yapması bekleniyor. En son mevcut finansman verileri, şirketin Mayıs 2020’de Avrupa İnovasyon Konseyi’nden bir hibe olarak yaklaşık 2,5 milyon Euro topladığını göstermektedir. 

#3. Clarity Movement Co.: Hava Algılama Teknolojisini Kullanarak Temiz Hava Hareketine Liderlik

ABD, Kaliforniya, Berkeley merkezli Clarity Movement Co., Clarity Node-S adlı amiral gemisi parçacık madde ve azot dioksit monitörünü sunar. FCC/CE sertifikası almış bir kendi kendine güç sağlayan çözümdür. Temelde, güneş enerjisi toplama prensipleriyle çalışan bir IoT hava kalitesi izleme sistemidir. 

Ayrıca, herhangi bir proje ölçeğine uyarlanabilen son teknoloji veri yönetim yeteneklerine sahiptir. PM2.5 ve azot dioksit ölçen bir hava kalitesi izleme donanımı olmanın yanı sıra, Clarity Node‑S rüzgar, kara karbon ve ozon ölçebilen bir platform olarak da hizmet verir. Kullanıcı dostu kontrol paneli, hava kalitesi ölçümlerini ve hava ağı durum verilerini mümkün olan en erişilebilir şekilde sunar. 

Clarity Movement, şimdiye kadar toplam beş finansman turu gerçekleştirdi; en son Series A, 24 Temmuz 2022’de yapıldı. Bildirildiğine göre, tur US$9,6 milyon tutarında fon topladı. 

Pil gerektirmeyen, kendi kendine güç sağlayan sensör çözümleri üreten şirketlerin yanı sıra, uygulanabilirliğini inceleyen ve buna göre gelişmeler yapan uygulama alanları da bulunmaktadır. 

Sağlık Hizmetlerinden Akıllı Bina Sistemlerine: Kendi Kendine Güç Sağlayan Sensörlerin Kullanımı

Sensörler, sağlık hizmetleri, giyilebilir teknoloji, kişisel elektronik, otomobiller, binalar, gıda izleme, robotik, çevre izleme ve daha birçok alanda kullanılmaktadır. Sensörlerin faydaları, kendi kendine güç sağlayan sensörlerle daha da vurgulanmıştır. 

Şu anda, kendi kendine güç sağlayan algılama sistemlerine makine öğrenimi tekniklerinin entegrasyonu üzerine bir gelişme yaşanmaktadır. Uzmanlar, kendi kendine güç sağlayan sensörlerin ML yetenekleriyle artırılmasının Nesnelerin İnterneti’nin büyük ölçekli dağıtımı için yeni yollar açacağını düşünüyor. 

Kendi kendine güç sağlayan kablosuz optik iletim üzerine başarılı araştırmalar yapılmıştır. Bilim dünyası ayrıca 3D‑baskılı elastomerik metal‑çekirdek triboelektrik bileklikler, Parkinson hastalığı için titreme sensörleri, akıllı çoraplar ve akıllı sürücü destek sistemlerinin geliştirilmesine tanık olmuştur; bunların hepsi kendi kendine güç sağlayan sensörlerin kullanılmasını hedeflemektedir. 

Sağlık ve biyomedikal uygulamalar alanında, insan hareketlerinden yayılan biyomekanik enerjiyi algılayabilen ML teknikli hibrit sensörler ortaya çıkmıştır. Bu sensörler bacak rehabilitasyon cihazlarını besler ve cilt üzerindeki tetiklenen biyomekanik hareket, çok işlevli basınç algılama ve insan jesti tanıma çözümlerine yardımcı olur. 

Pil Gerektirmeyen, Kendi Kendine Güç Sağlayan Bir Gelecek İçin Yol Haritası

Kendi kendine güç sağlayan, pil gerektirmeyen sensörlerin büyük ölçüde yardımcı olacağı alanlardan biri, küresel ölçekte IoT dağıtımıdır. Tahminler, potansiyel büyük ölçekli IoT dağıtımının her gün bir milyar pil değiştirilmesi gerektiğini gösteriyor. Enerji toplama teknikleri kesinlikle yardımcı olacaktır. 

Bununla birlikte, kendi kendine güç sağlayan sensörlerin geleceği, birkaç darboğazı çözdüğünde gerçek potansiyeline ulaşabilir. Elektronik alanı, enerji toplama tekniklerinin doğurduğu küçük güç üretim yöntemlerini verimli bir şekilde kabul etmeye ve kullanmaya hazır olmalıdır. 

Dünya, düşük aktif işlem gücüyle verimli çalışabilen elektronik cihazların geliştirilmesinde daha fazla ilerleme görmelidir. Temas elektrifikasyonu tarafından üretilen yüzey yükünün, günlük yaşam elektronik cihazlarımızı besleyebilecek yeterli enerjiyi toplamak için artırılması gerekir. İnsan hareketi algılama uygulamalarında başarılı olmak için mevcut verilerin etkili yönetimi de kritik bir rol oynayacaktır. 

Bu zorluklar yeterince ele alındığında, kendi kendine güç sağlayan sensörler, günlük olarak kullandığımız sistemleri basitleştirme ve geliştirme konusunda büyük bir yol kat edebilir. En düşük karbon ayak izine sahip ve temelde sürdürülebilir bir enerji yolunu açacaktır.