Кормите правильно... ваш Интернет вещей.

Дизайн и производительность блока управления для электростатического генератора на примере роторного генератора для сбора энергии ветра. для питания узла интернета вещей. Источник.

С быстрым развитием Интернета вещей (IoT) растёт спрос на сбор из окружающей среды всех теоретически доступных видов энергии для питания распределённых сенсорных узлов маломощных устройств. Выделяют несколько различных технологий реализации такой энергетической автономии, но более перспективными в этом деле считаются электростатические генераторы (EG), включая трибоэлектрические наногенераторы и электретные генераторы. За счёт ветра, волн, вибрационных нагрузок, движения и многих других явлений они способны обеспечить работу множества приборов, требующих небольших токов. Также на эффективности этих сборщиков и преобразователей энергии положительно сказывается целый комплекс достоинств: лёгкий вес, низкая стоимость изготовления, гибкость и адаптивность к окружающим условиям, восприимчивость к низкочастотному движению.

Да, электростатические генераторы стали многообещающим решением для питания маломощных устройств в сетях IoT, использующих энергию таких возобновляемых источников, как движения воздуха или даже человека. Однако несмотря на в целом весьма вдохновляющий потенциал, большое несоответствие между ними и нагрузкой (подключаемой к ним электроникой) по импедансу стало критической проблемой, серьёзно ограничивающей их применение.

Высокий выходной импеданс генератора тока и относительно низкий ‒ потребителя (будь то большие мощные приборы, микроэлектроника или накопители энергии) приводит к падению напряжения в источнике питания и снижению его ЭДС. В такой сети источник работает, фигурально выражаясь, на износ, и вся его эффективность держится почти исключительно на силе производимого тока, что неприемлемо для IoT-устройств и уж тем более для носимой электроники.

В начале марта в журнале Microsystems & Nanoengineering, вышла статья о новой разработке, решающей как раз этот вопрос согласованности импедансов. Команда исследователей из Китайской академии наук сделала эффективный блок управления энергопотреблением (EMU ‒ energy management unit), значительно повышающий КПД энергии, затраченной на работу электростатических генераторов. Свою разработку авторы не без оснований называют прорывом, ибо она решает давнюю проблему. Сам факт согласования этой токовой характеристики открывает новые возможности для сбора энергии из окружающей среды в сфере IoT.

Инновационный EMU, оснащённый трубкой искрового переключателя и понижающим преобразователем с высокочастотной катушкой индуктивности, привёл буквально к беспрецедентной мощности постоянного тока. В опыте с вращающимися электретными генераторами получено максимальное её значение в 79,2 мВт, что в 1,2 раза превышает показатели, достигнутые без применения нового блока управления. Это также повысило производительность трибоэлектрических наногенераторов с контактным разделением, которые могут преобразовать в электроэнергию практически любые микроколебания, на 50%. Другими словами, новый блок управления является универсальным для различных технологий сбора энергии.

Может показаться, что такими результатами и гордиться-то не стоит, но на самом деле 20-типроцентное увеличение мощности для устройств, работающих с микротоками, отразится довольно внушительным приростом как производительности, так и автономии. Так что это превосходный толчок для продуктивности Интернета вещей.

Объясняется успех различными оптимизациями. Например, исследователи создали искровой выключатель со сверхнизкими потерями и надлежащим напряжением пробоя. Также ‒ для увеличения доступного заряда ‒ был добавлен согласованный входной конденсатор, а включением высокочастотной катушки индуктивности попытались облегчить процесс высокоскоростной передачи энергии.

Этот момент как раз довольно любопытен: получается, что решение стало столь действенным благодаря простой проработке критически важных компонентов. Конечно, к подбору составляющих их материалов учёные подходили со всей скрупулёзностью, тщательно взвешивая возможности и анализируя результаты тестов, но сами по себе ни переключатель, ни понижающий преобразователь, которые вывели выработку электроэнергии на постоянном токе на новый уровень ‒ не являются инновационными. Тем не менее такой прогресс не только превосходит существующие стандарты эффективности энергозатрат, но и подчёркивает совместимость EMU с обширным набором генераторных конструкций.

Зейюань Цао, соавтор исследования, заявляет: «Наша работа представляет собой значительный шаг к практическому применению электростатических генераторов в устройствах Интернета вещей. Оптимизируя наш EMU, мы достигли беспрецедентной эффективности, сделав автономные устройства Интернета вещей более жизнеспособными, чем когда-либо».

Разработка не только повышает эффективность и надёжность устройств Интернета вещей с автономным питанием, но и способствует их более широкому внедрению в устойчивые и удалённые приложения. Возможно, решение проблемы согласования импеданса ознаменует новую эру энергетической автономии в IoT, в том числе вследствие значительного прогресса в области сбора энергии из окружающей среды.

Так, учёные продемонстрировали работу компактного беспроводного датчика температуры, созданного на основе этого чрезвычайно эффективного EMU. Обладая автономным питанием, он способен собирать и передавать данные каждые 3,5 секунды при небольшой скорости ветра 0,5 м/с. Так что да, эта работа выводит перспективы внедрения электростатических наногенераторов в практических сферах просто на новый уровень.

АРМК, по материалам Microsystems & Nanoengineering.