Samonapajajući senzori – Energy Harvesting Sensors


Termin Energy Harvesting (u daljem tekstu EH) pre svega označava proces pri kome se energija nekog spoljašnjeg izvora prevodi u električnu, skladišti se i koristi u sistemu za njegov rad. Autor ovog teksta smatra da je adekvatan prevod termina Energy Harvesting – samonapajajući. Po pravilu, ovako dobijena električna energija se koristi za napajanje elektronskih sklopova koji zahtevaju izuzetno male količine energije za svoj rad (reda µJ). Iako EH obezbeđuje napajanja male snage, njegov značaj je izuzetan jer predstavlja stalan izvor napajanja i ne zahteva održavanje. Energija koja se pri tome koristi može se smatrati kao nusprodukt, pa je stoga besplatna. Često se izvor energije može koristiti i kao senzorski ulaz, npr. pri pojavi povišene temperature termalni EH će se i napajati i meriti temperaturu.

eh1
Vrste energije koje se koriste u samonapajajućim sistemima

Ovde bi, međutim, trebalo istaći šta se smatra EH, a šta ne, u pogledu modernih mikrosistema. Interesanto je da u literaturi još uvek postoje nedoumice šta termin EH tačno predstavlja. Tako se mogu naći i knjige čiji naslov upućuje na EH, ali sadržaj ne odgovara tom terminu kako se on danas u elektronici koristi. Najčešće greške u interpretaciji EH se čine kada se pretpostavi da je dobijanje električne energije ovim sistemima “isto ili slično” kao kod ostalih sistema većih razmera koji se oslanjaju na obnovljive izvore energije. Takođe, pogrešne su pretpostavke da je to “jednostavno zamenjivanje baterija generatorom”. Pored toga, postoje i pogrešne pretpostavke koje vrste sistema se mogu napajati EH generatorima. Jedne idu u pravcu zahteva da se mnogi postojeći senzorski sistemi napajaju EH generatorima i tako “uštedi energija”. Druge idu u sasvim drugom pravcu implicirajući da EH generatori proizvode “izuzetno male količine energije i kao takvi nisu praktično upotrebljivi”. Navedene pretpostavke su pogrešne a potiču iz nedovoljnog poznavanja oblasti EH. To uglavnom zbog izuzetne složenosti EH sistema, kao i zbog toga što je ova grana elektronike relativno skorijeg datuma. Iako principi za konverziju energije iz ambijenta u električnu, na kojima počivaju EH sistemi, zaista potiču od već postojećih sistema većih razmera, kao što su na primer fotonaponski paneli, nemoguće ih je u potpunosti direktno primeniti kod samonapajajućih mikrosistema. Kada se postojeći sistemi skaliraju na dimenzije mikrosistema, dolaze do izražaja mnogi efekti koji su u sistemima većih dimenzija gotovo zanemarivi. Na primer, curenje struje (samopražnjenje) kod baterija od svega 10 µA kod klasičnog senzorskog sistema sa fotonaponskim panelom snage 10 W se smatra zanemarivim. Kada je reč o samonapajajućem mikrosistemu, ovakvo curenje bi bilo potpuno neprihvatljivo iz jednostavnog razloga što je ova jačina struje čak za red veličine veća od ukupne struje koju neki od mikrosistema uopšte proizvode. Dalje, uslovi rada (u energetskom smislu) koji se postavljaju za samonapajajuće mikrosisteme su uglavnom znatno strožiji od uslova kod uobičajenih senzorskih sistema, uglavnom stoga što su dostupne količine energije za ovakve sisteme veoma male. Trenutna istraživanja pokazuju da se tek očekuje nagli razvoj u oblasti samonapajajućih mikrosistema. Predviđa se velika primena u vojnoj industriji i proizvodima široke potrošnje. Takođe, razmatra se njihova primena u realizaciji takozvanih “pametnih gradova”, gde bi samonapajajući senzori omogućili lako praćenje različitih parametara neophodnih za smanjenje potrošnje energije i praćenje raznih ekoloških parametara. Predviđanja su da će u narednih pet godina broj raznih uređaja sa mogućnošću bežične i WiFi konekcije porasti čak 12 puta! Upravo ovakav rast prenosnih uređaja koji zahtevaju sopstveno napajanje uslovljava razvoj novih tehnologija i istraživanja.

eh2
Ilustracija mogućih mesta u gradovima za upotrebu samonapajajućih senzora.

Radi sveobuhvatnijeg izlaganja u tekstu koji sledi biće iznete neke od osnovnih tehnika proizvodnje električne energije, kao i njihova primena u postojećim mikrosistemima.

Čovek kao izvor energije

Energija koju proizvodi čovekovo telo javlja se u obliku mehaničkog kretanja, termičke i hemijske energije. Možemo je podeliti u dve osnovne grupe: pasivna i aktivna. Pod aktivnom energijom se podrazumeva energija koju osoba proizvodi svesno, sa namerom da izvrši neku akciju. Prenosni punjači mobilnih telefona, lampe za osvetljenje i radio prijemnici napajani dinamom su samo neki od primera koji se već mogu naći na tržištu, a napajani su pomoću aktivne energije osoba.

eh3eh4
Radio prijemnik AE1000 firme Philips i ručna svetiljka napajani mehaničkim generatorom električne energije

Ovi uređaji koriste mehaničku energiju nastalu navijanjem opruge ili brzim pomeranjem uređaja što dalje izaziva kretanje magneta unutar kalema. Svi oni praktično prevode mehaničku energiju u električnu putem elektromagnetne indukcije. Pasivna energija se javlja u vidu mehaničke, toplotne i hemijske. Pasivna mehanička energija koju proizvodi čovekovo telo potiče od kretanja tela koje nije usmereno sa namerom da izvrši direktna akcija koja bi uticala na rad uređaja. Primera radi, firma SEIKO je 1986. godine na sajmu u Bazelu predstavila svoj prvi prototip sata po imenom Kinetic. Bio je to sat koji se napaja energijom nastalom pomeranjem ruke osobe koja ga nosi. Predstavljen pod probnim imenom “AGM” i to je bio prvi sat na svetu koji je pretvarao kinetički pokret u električnu energiju. Za razliku od dotadašnjih “samonavijajućih” satova, kod ovog modela ekscentrično postavljen teg preko sistema zupčanika pokreće električni dinamo. Dinamo dalje uz pomoć odgovarajuće elektronike puni bateriju koja napaja sat. Ovo je jedan od prvih primera komercijalnog korišćenja mehaničkog Energy Harvesting mikrosistema.

eh5eh6
Unutrašnjost ručnog časovnika SEIKO KINETIC

Ambijentalno elektromagnetno zračenje

Ambijentalno elektromagnetno zračenje (EM) potiče od sve većeg broja baznih stanica mobilne telefonije (pogotovo u gusto naseljenim oblastima), zatim od raznih komercijalnih i nekomercijalnih radio stanica kao i od električnih vodova. Postoji nekoliko pokušaja da se ovaj vid energije iskoristi za napajanje samonapajajućih senzora, pa čak i komercijalnih komponenata koje služe za prikupljanje EM energije i punjenje kondenzatora koji se koriste za napajanje mikrosistema (primer je firma “Powercast”). Nažalost, da bi se dobile značajnih količine energije potrebno je koristiti antene koje po dimenzijama značajno prevazilaze dimenzije samog mikrosistema, kao i da budu jako blizu izvora EM zračenja. Sve ovo čini ovakve samonapajajuće sisteme neupotrebljivim u praksi.

Termoelektrični generatori

Termoelektrični generatori predstavljaju izvore električne energije koji funkcionišu na principu Zibekovog efekta. Generisana snaga zavisi od razlike temperatura dve strane generatora (nazvane topla i hladna). Interesantno je da je još avgusta 1958. godine u časopisu „Radio and TV News“ na strani 37 objavljen članak o kerozinskoj lampi koja je pored osvetljenja služila i da obezbedi napajanje za radio prijemnik. Veći broj termoparova postavljen je tako da im se jedna strana greje plamenom lampe, a druga strana se hladila prirodnom konvekcijom. Korisnici ove lampe su uglavnom bili stanovnici zabačenih područja Sibira, gde praktično nije bilo drugih izvora električne energije. Ipak, važno je istaći da se ovakav sistem ne može smatrati Energy Harvestig sistemom u modernom smislu jer u svakom trenutku energija koja se generiše je dovoljna za kontinualni rad sistema (u ovom slučaju radio prijemnika). Izvori energije kod modernih Energy Harvestig sistema obezbeđuju manje energije nego što je to potrebno sistemu u pojedinim vremenskim intervalima. Naravno, srednja potrošnja sistema je manja ili jednaka energiji koju izvor obezbeđuje.

eh7eh8
Novinski članci koji opisuju kerozinsku lampu koja pored osvetljenja služi i za napajanje radio prijemnika

Za razliku od prethodnog, istorijski interesantnog primera, ručni časovnik firme SEIKO, nazvan “TERMIC” jeste pravi primer Energy Harvesting sistema. Ovaj časovnik se napaja mikro termoelektričnim generatorom i radi zahvaljujući činjenici da je donja strana sata u kontaktu sa kožom korisnika koja je na višoj temperaturi od okoline.

eh9
Ručni časovnik firme SEIKO napajan termoelektričnim generatorom
eh10eh11
Termoelektrični generator korišćen kod SEIKO časovnika.

Fotonaponski izvori

Fotonaponski samonapajajući mikrosistemi predstavljaju posebnu grupu mikrosistema koji električnu energiju potrebnu za rad obezbeđuju pomoću solarnih ćelija malih dimenzija. Kako je reč o sistemima čije su dimenzije male, to su dimenzije solarnih ćelija koje se koriste takođe malih dimenzija. Ova činjenica je značajna jer praktično uslovljava celokupan dizajn sistema. Male solarne ćelije mogu da obezbede potreban napon za napajanje sistema, ali je njihova ekvivalentna otpornost kao generatora izuzetno velika, pogotovu u uslovima slabog osvetljenja – reda veličine 1 MΩ. U praksi, to znači da je mikrosistemu na raspolaganju energija reda veličine µW. Kako je to u većini slučajeva nedovoljno za obavljanje mnogobrojnih funkcija koje mikrosistem treba da obavlja, a to su, uobičajeno, merenje nekih fizičkih parametara, obrada signala merenja i transmisija podataka radio vezom, neophodno je razviti način da se obezbedi veća količina energije za nesmetan rad mikrosistema. Razmotrimo kao primer fotonaponski samonapajajući sistem. Autor ovog teksta razvio je fotonaponski mikrosistem koji pouzdano radi već pri osvetljenju od 40 lux, dok nakon 10 sati rada na osvetljenju od 100 lux sposoban je nesmetano da nastavi rad sledećih gotovo 5 dana bez ikakvog osvetljenja (0 lux)! Struja neophodna za rad ovog mikrosistema je svega 500 nA pri naponu napajanja od 2.5 V. Takođe, pomenuti mikrosistem razvijen je isključivo od komercijalno dostupnih komponenata što je dodatno otežalo projektovanje i razvoj, ali sa druge strane omogućava njegovu jednostavnu serijsku proizvodnju. Imajući u vidu iznete činjenice, nedvosmisleno se može zaključiti da samonapajajući mikrosistemi predstavljaju posebnu granu elektronike i nisu tek jednostavno “smanjeni” postojeći sistemi koji se oslanjaju na obnovljive izvore energije.

eh12
Najjednostavniji način za napajanje sistema fotonaponskom ćelijom

Neophodnu količinu energije potrebnu za rad sistema moguće je obezbediti pomoću kondenzatora koji se pune fotonaponskom ćelijom. Kod ovakvog jednostavnog koncepta postoji problem koji nije na prvi pogled uočljiv. Naime, kako je struja punjenja malim ćelijama izuzetno mala, pogotovu u uslovima slabog osvetljenja, to i napon na kondenzatorima raste sporo. U trenutku kada ovaj napon dostigne minimalan napon za rad sistema sistem se uključuje i počinje sa radom. U tom trenutku sistem po pravilu troši više struje nego u kasnijem radu (uspostava se stabilno stanje, pune unutrašnje kapacitivnosti kola, pokreću oscilatori i sl.). Napon na kondenzatorima stoga pada ispod minimalne vrednosti potrebne za rad sistema, sistem se isključuje i ciklus se ponavlja. Praktično sistem nikad u ovim uslovima ne može da započne sa radom. Da bi se ovaj problem prevazišao neophodno je odvojiti sistem od kondenzatora sve dok napon na kondenzatorima ne dostigne vrednost koja je nešto veća od one potrebne za minimalan rad sistema. Tako će i uprkos početnom padu napona sistem moći uspešno završiti proces pokretanja.

eh13
Unapređena šema napajanja fotonaponskom ćelijom

Iako se ovakav koncept čini kao jednostavno rešenje iznetog problema, u ovom slučaju javljaju se novi. Sada se struja generisana fotonaponskom ćelijom troši ne samo na punjenje kondenzatora, već i za napajanje kola koje prati napon na njima, te se kondenzatori pune sporije nego u prethodnom slučaju. Takođe, i sam “prekidač” koji povezuje sistem sa napajanjem troši izvesnu količinu energije. Zato je potrebno razviti ceo sistem tako da potrošnja struje bude svedena na minimum. Dodatni problem predstavljaju situacije kada nema dovoljno osvetljenja za rad sistema (na primer noću). Potrebno je obezbediti da se eventualni višak energije preusmerava u pomoćne kondenzatore znatno veće kapacativnosti i da se tako uskladištena energija koristi po potrebi. Naravno, kolo zaduženo za punjenje pomoćnih kondenzatora i kolo za odlučivanje kada će se oni koristiti za napajanje takođe troše struju. S obzirom na to da je raspoloživa energija u fotonaponskom mikrosistemu nedovoljna za kontinualan rad, pribegava se projektovanju mikrosistema koji rade povremeno i to u veoma kratkim intervalima. Tokom dužeg vremenskog perioda deo mikrosistema za upravljanje napajanjem sakuplja raspoloživu električnu energiju i kada se postigne unapred zadat nivo aktivira se ceo mikrosistem. Mikrosistem zatim u kratkom vremenskom intervalu aktivira sve svoje funkcije (merenje, obrada signala i prenos radio vezom) i potom prelazi u neaktivno stanje kako bi se sačuvala raspoloživa električna energija. Ovakavim periodičnim radom mikrosistema obezbeđeno je njegovo funkcionisanje i u uslovima kada nema dovoljno energije za kontinualan rad.

eh14
Napajanje fotonaponskom ćelijom kada postoje i pomoćni kondenzatori

Postoji više problema koje treba rešiti prilikom projektovanja jednog ovakvog mikrosistema. Tri problema su posebno značajna i njihovo praktično rešavanje određuje celokupan dizajn ovakvih mikrosistema. Prvi se odnosi na potrošnju struje dela mikrosistema koji upravlja distribucijom električne energije u mikrosistemu. Naime, taj deo mikrosistema mora biti projektovan tako da u kontinualnom radu troši značajno manje električne energije nego što je raspoloživo u najgorim uslovima osvetljenja sa datim solarnim ćelijama kako bi većina energije bila sakupljana za potrebe rada ostatka mikrosistema. Ako se uzme u obzir da se projektuje sistem načinjen od komercijalno dostupnih komponenata, a da pri tome ovaj deo mikrosistema treba kontinualno da obavlja svoju funkciju pri struji napajanja od oko 300 nA, jasno je da je neophodno posvetiti posebnu pažnju pri projektovanju. Drugi problem se odnosi na obezbeđivanje rada mikrosistema u uslovima kada nema raspoložive energije koja potiče od fotonaponskih ćelija (u mraku ili u uslovima izuzetno slabog osvetljenja – ispod 20 lx). Neophodno je razviti i projektovati kolo za skladištenje “viška” električne energije koji se javlja u uslovima jakog osvetljenja, kao i kolo za aktiviranje pomoćnog napajanja u uslovima kada je nemoguće sakupiti dovoljno energije iz solarnih ćelija. Treći problem se odnosi na optimizaciju brzine rada celog mikrosistema. Kako je raspoloživa energija za rad samonapajajućih sistema mala, to je neophodno optimizovati potrošnju ali i brzinu rada mikrosistema. Naime, pri većim brzinama rada potrošnja nelinearno raste, tako da postoji optimalna brzina rada pri kojoj će mikrosistem obaviti sve predviđene funkcije sa raspoloživom količinom električne energije. Vreme rada celog mikrosistema za koje on obavi sve neophodne funkcije u odnosu na vreme mirovanja (kada prikuplja energiju za rad) je oko 1:2000 što predstavlja duty cycle od oko 0.05 %.

Upotreba EH mikrosistema kod WSN čvorova

EH mikrosistemi se koriste kao čvorovi u bežičnim senzorskim mrežama (u angolosaksonskoj literaturi poznato kao Wireless Sensor Network, skraćeno WSN). U mnogim aplikacijama ovi čvorovi ostvaruju komunikaciju sa ostatkom WSNa u strogo određenim intervalima. Zbog toga WSN čvorovi imaju tačno određen vremenski interval kada se podaci šalju. Njihov radni ciklus se može podeliti na dva operativna režima rada, aktivni i neaktivni (sleep). Za vreme aktivnog režima WSN čvor vrši akviziciju podataka i njihovu transmisiju. Najčešće, ove operacije traju veoma kratko, oko nekoliko desetina milisekundi. WSN čvor provodi više vremena u neaktivnom režimu da bi sačuvao energiju i taj period može da traje od nekoliko sekundi do nekoliko minuta, pa čak i sati. Odnos aktivnog i neaktivnog perioda predstavlja duty cycle čvora, koji je uglavnom prilično niskih vrednosti i kreće se otprilike od 0.005 % do maksimalno 5 %. Kada nema dovoljno energije za rad, WSN čvor ne mora da “brine” da li je on u sleep režimu ili je izgubio napajanje. Ako čvor može da se oporavi od ovog nedostatka energije u kratkom periodu, mreža će nastaviti da funkioniše bez problema.

Autor ovog teksta je projektovao i praktično realizovao nekoliko samonapajajućih sistema. Jedan od njih je i senzorski sistem „Cvet“.