Samowystarczalność energetyczna, czyli Energy Harvesting

Internet rzeczy, czyli technologie IoT, towarzyszą nam od lat. Chociaż wielu beneficjentów tych urządzeń może sobie nie zdawać sprawy z tego, jak wiele wygód zawdzięczają małym, energooszczędnym urządzeniom wykonującym skomplikowane pomiary i obliczenia w naszym codziennym otoczeniu. Pozwalają na zbieranie precyzyjnych danych o ruchu drogowym, pogodzie, jakości powietrza w miastach, stanie naszego zdrowia – usprawniają spedycję przesyłek kurierskich, kolekcjonowanie zamówień z magazynów, transport drogowy, kolejowy, a nawet lotniczy – co więcej, zapewniają bezpieczeństwo w naszym domu i miejscu pracy. I to wszystko jeszcze zanim przejdziemy do wygód urządzeń typu smart: czujników aktywności ruchowej, automatyki gospodarstw domowych itd. U podstaw wszystkich tych technologii znajdują się energooszczędne układy komunikacji bezprzewodowej, oparte na modułach Bluetooth BLE czy LoRa, zasilane dzięki zminiaturyzowanym, jednak wydajnym źródłom energii.

Obecnie to właśnie na polu mobilnych metod zasilania dokonuje się rewolucja technologiczna. Jeszcze do niedawna, głównym hamulcem na drodze postępu, nie były możliwości układów scalonych – ale techniki dostarczania im dostatecznej ilości energii. Pośród najnowocześniejszych metod jej przechowywania wyróżniają się rozwiązania miniaturowe, znajdujące zastosowanie w zdalnych czujnikach czy urządzeniach osobistych typu wearable. Na światowych rynkach dostępne są setki produktów dedykowanych takim aplikacjom, jednak niewiele z nich dorównuje parametrom oferowanym przez akumulatory litowo-jonowe Nichicon, zgrupowane w ramach serii SLB. Zostały oparte na opracowanej przez markę Toshiba technologii SCiB™ - wykorzystywanej głównie do produkcji wysokoprądowych magazynów energii. W zminiaturyzowanej formie, dostarczanej przez Nichicon, zachowują swoje doskonałe parametry elektryczne, jednak zostały zamknięte w obudowach o rozmiarze niewielkiego, elektrolitycznego kondensatora.

Japoński dostawca, specjalizujący się w budowie komponentów do układów zasilających i wzmacniających, wprowadził do swojej oferty serię SLB z myślą o producentach urządzeń przenośnych, czujników przemysłowych, jak również dóbr konsumenckich. Akumulatory te pozwalają zmaksymalizować efektywność magazynowania energii w niewielkich układach zasilanych tradycyjnie, bądź za pomocą metod tzw. energy harvesting.

Zalety technologiczne akumulatorów SLB od Nichicon

Miniaturowe ogniwa serii SLB w porównaniu do rozmiaru zwykłego długopisu.

 
Zanim skupimy się na możliwościach, które oferują akumulatory serii SLB, spójrzmy na ich charakterystykę. W porównaniu do standardowych rozwiązań, za których przykład można wziąć przeciętne ogniwo formatu 18650, produkty Nichicon wyróżniają się właściwie na każdym polu. Zostały zaprojektowane tak, by zaspokoić wysokie wymagania nie tylko odnośnie wymiarów, ale również względem parametrów elektrycznych i wytrzymałości fizycznej.

Wieloletnia żywotność i bezpieczeństwo

Ogniwa SLB oferują żywotność na poziomie 25 tys. cykli ładowania/rozładowywania. Dzięki temu mogą być wykorzystywane w obwodach, do których zewnętrzna energia dostarczana jest nieregularnie, okresowo lub wręcz sporadycznie. Przykładowo, mogą to być urządzenia, które korzystają z paneli fotowoltaicznych czy miniaturowych turbin wiatrowych, albo produkty konsumenckie, umieszczane w ładowarce jedynie wtedy, gdy będzie to dla użytkownika wygodne. Wielokrotne w ciągu dnia doładowywanie akumulatora (np. spowodowane zachmurzeniem czy zmiennym wiatrem) w znaczący sposób nie odbije się na możliwościach magazynowania energii w ogniwach SLB.

Natężenie prądu ładowania i rozładowania

Na uwagę zasługują możliwości prądowe akumulatorów Nichicon. Ich prąd ładowania/rozładowywania sięga współczynnikowi 20C, tj. 20-krotności pojemności akumulatora podzielonej przez 1h. Oznacza to, że dla modelu SLB12400L1511CV (150mAh) natężenie dostarczanego i pobieranego prądu może wynosić nawet 150mA * 20 = 3A. Przy ładowaniu o takich parametrach, pełne nasycenie ogniwa energią nastąpi po zalewie 3 minutach. I odwrotnie: akumulator w krótkim okresie czasu może dostarczyć duży prąd, np. w celu załączenia oświetlenia/alarmu, wysłania komunikatu za pomocą modułu radiowego o dużym zasięgu itp. W połączeniu z długą żywotnością ta charakterystyka pozwala to na konstruowanie urządzeń , które będą: (a) ładowane jedynie okresowo (w czasie konserwacji, przy okazji odczytu wartości licznika), na co dzień oszczędnie wykorzystując skumulowaną energię; (b) lub też ładowane stopniowo, np. za pomocą niewielkiego ogniwa solarnego, jednak w określonych warunkach zdolne do uruchomienia nie tylko obwodów elektronicznych, ale i elementów elektromechanicznych, jak serwomechanizmy, elektrozawory itp.

Odporność na warunki środowiskowe

Jak już zasugerowaliśmy, wiele aplikacji, w których wykorzystywane są i będą ogniwa serii SLB, wiąże się z trudnymi warunkami środowiskowymi. Dotyczy to zarówno zdalnych czujników wykorzystywanych w rolnictwie, jak i konsumenckich urządzeń typu wearable, czyli elektroniki noszonej przy ciele, jak opaski medyczne, tagi lokalizujące czy zegarki typu smart watch. Dlatego szczególnie istotną charakterystyką akumulatorów litowo-jonowych od Nichicon jest ich tolerancja termiczna. Artykuły te bez przeszkód mogą pracować w temperaturach z zakresu od -30°C do 60°C. Co więcej, nawet w przypadku przekroczenia tych parametrów artykuły odznaczają się bardzo niskim prawdopodobieństwem wystąpienia awarii, samozapłonu czy eksplozji. Będzie to cecha szczególnie istotna dla producentów urządzeń konsumenckich.

Energy harvesting, nadszedł czas spełnić marzenie Tesli

Jedną z najpopularniejszych opowieści o początkach elektroniki jest projekt Nikoli Tesli: wielkoskalowa sieć, której celem byłaby bezprzewodowa dystrybucja energii elektrycznej. I chociaż projekt nigdy nie wyszedł z fazy pokazowych prototypów, jakie dziś określilibyśmy mianem proof of concept, współczesna technologia w pewnym stopniu legitymizuje koncepcję serbskiego wynalazcy. Oto, w dobie energooszczędnych obwodów typu IoT (Internet of Things), konstrukcja urządzeń zasilanych „z powietrza” już nie wydaje się mrzonką.

Technologie zgrupowane pod terminem energy harvesting obejmują szereg metod pozyskiwania niewielkich ilości energii ze środowiska. Zaliczają się do nich „klasyczne” rozwiązania, jak ogniwa fotowoltaiczne i turbiny wiatrowe, ale również mniej konwencjonalne techniki. Oprócz ruchu wywołanego zjawiskami atmosferycznymi, źródłem energii może być właściwie każdy przepływ gazów i płynów, występujący np. w rurach wodociągowych, kanalizacyjnych, a także w pobliżu dróg czy w przewodach klimatyzacyjnych. Do agregacji energii wykorzystuje się również piezoelektryki, dzięki którym napięcie generowane jest przez zmienny nacisk (np. na chodniki czy jezdnie). W miarę rozwoju technologii IoT coraz częściej sięga się również po źródła termoelektryczne, oparte na zjawisku Peltiera, pozwalające wykorzystać różnicę temperatur (np. między atmosferą a źródłem termalnym, ciepłym wodociągiem, a nawet ludzkim ciałem)  do wytwarzania niewielkich prądów elektrycznych. Niewielkich, ale wystarczających do zasilenia np. modułów Bluetooth typu BLE. I wreszcie należy tu wspomnieć o metodzie najbliższej idei Tesli: pozyskiwaniu energii z fal radiowych. RF harvesting za źródło prądu wszechobecne sygnały radiowe (WiFi, telewizja, a nawet sygnały satelitarne).

Akumulatory Nichicon SLB zapewniają parametry idealnie dopasowane do potrzeb urządzeń korzystających z technologii energy harvesting. Ponieważ mogą być ładowane prądami nie tylko o bardzo wysokim, ale i bardzo niskim natężeniu (dla modelu SLB03070LR351BS jest to 3,5µA), mogą zostać zaimplementowane w obwodach korzystających z ww. rozwiązań.  Oznacza to budowę zupełnie nowego typu urządzeń elektronicznych – samowystarczalnych. W dalszej konsekwencji oznacza to olbrzymie oszczędności związane z ograniczonymi potrzebami budowy infrastruktury zasilającej i konserwacji, a także możliwość konstruowania skalowalnych i złożonych sieci zarówno w przemyśle (m.in. handlu, magazynowaniu, spedycji), jak i przestrzeni publicznej (systemy zarządzania ruchem drogowym, transportem zbiorowym, sieci czujników meteorologicznych, sejsmicznych etc.). Beacony lub czujniki środowiskowe zasilane za pomocą ogniw SLB od Nichicon (ładowanych z wykorzystaniem powszechnie dostępnych źródeł energii) to kolejny krok w stronę zinformatyzowanej, bezpiecznej i przyjaznej środowisku przyszłości.

Tekst opracowany przez Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.

Oryginalne źródło: https://www.tme.eu/pl/news/library-articles/page/45795/wykorzystanie-akumulatorow-nichicon-slb-w-aplikacjach-iot/