Sensörler, aktüatörler, RFID etiketleri ve işaretçiler gibi Edge
IoT cihazları tipik olarak kurşun asit pillerle donatılmıştır.
2025 yılına kadar, pille çalışan IoT cihazlarının miktarı dünya
çapında 23 milyar birime ulaşabilir. IoT dağıtıcıları ve Dijital
Dönüşüm geçiren şirketler için bu, şu üç şey anlamına gelir:
-
Pillerin düzenli olarak yeniden şarj edilmesi veya
değiştirilmesi gerekir, bu da cihaz bakım maliyetlerini
artırır.
-
Piller cıva, kurşun, lityum ve nikel gibi ağır metaller
içerir. Bu maddeler yanlış bir şekilde imha edildiğinde
çevreyi kirletebilir.
-
Pil üretimi için gerekli malzemeler gittikçe
azalmaktadır.
Pil tüketimini önlemek için ağa bağlı cihazlar, verileri bir IoT
ağ geçidine veya buluta göndermek için enerji açısından verimli
iletişim teknolojilerini (Bluetooth 5 ve MQTT) kullanırlar. Pil
ömrünü uzatmanın bir başka yolu da, boşta çalışan cihazları uyku
moduna geçirmektir. Bununla birlikte, pillerin sınırlı bir ömrü
vardır ve bu da şirketlerin genellikle güç hatlarının olmadığı
uzak ve erişilmesi zor yerlerde IoT çözümlerini kullanmasını
engeller. Araştırmacılar bu sorunu enerji hasadı yardımıyla
çözmeyi hedefliyorlar.
IoT'de Enerji Hasatına Giriş
Enerji hasadı, bir veya daha fazla yenilenebilir güç kaynağından
(ışık, ses, ısı veya hareket) enerji yakalama ve onu elektriğe
dönüştürme sürecidir. Teknoloji açısından, enerji hasadı
sistemleri üç işlevsel bileşene dayanır:
-
Bir ortam kaynağından toplanan enerjiyi dönüştüren
dönüştürücüler
-
Dönüştürücülerden enerji çeken arayüz devreleri
-
Enerji depolama cihazları ve güç tüketen cihazlar
IoT'de, enerji hasadı kavramı mikro ölçekli enerji üretimi
etrafında döner. Çalışır durumda kalmak için, dönüştürücüler
çevrelerinden düzenli olarak en az birkaç miliwatt güç
toplamalıdırlar. Bir seraya yerleştirilen enerji hasadı ile
sıcaklık ve nem sensörleri, yüksek maliyetli kablolama ve pil
değişimleri olmaksızın yerel olarak güneş enerjisini süresiz
olarak çalıştırmak için kullanabilir. Benzer şekilde,
giyilebilir fitness takipçi cihazları bir sporcunun kinetik
enerjisini kendilerini şarj etmek için kullanabilirler.
IoT Uygulamalarında Kullanılan Enerji Kaynakları
Güneş enerjisi
IoT dağıtıcıları, hem iç hem de dış mekanda kullanılabilen
fotovoltaik hücreler kullanarak ışığı veya güneş radyasyonunu
enerjiye dönüştürürler. Ağa bağlı cihazlar için yeterli gücü
sağlamak için bir alana birden fazla hücre yayılabilir. Bir
hücreye ne kadar çok ışık çarparsa, o kadar fazla elektrik
üretilir.
Güneş pilleri doğrudan güneş ışığına maruz kaldıklarında 130 bin
lüksten fazla soğurabilir (Lux Rating ya da Lüx Değeri, bir
birim ışık miktarını anlatmaktadır.), bu da metrekare başına
1kW'a eşittir. Evlerde ve ofislerde, aydınlatma seviyeleri 30-50
lüks aralığında değişir ve bu da güç çıkışını mikrodalgalara
düşürür.
Bu sorunu çözmek için Uppsala Üniversitesi'nden bir araştırma
ekibi, iç mekan LED'lerinden ve flüoresan lambalardan enerji
toplayan boyaya duyarlı güneş pilleri ürettiler. Bu hücreler,
görünür ışığın %34'ü kadarını elektriğe dönüştürebilir, bu da
biriktirilebilir ve bir binada bulunan çeşitli sensörleri
besleyebilir.
Radyofrekans (RF) Enerjisi
Radyofrekans enerji hasadı, Wi-Fi ve hücresel ağlardan, uydu
istasyonlarından ve radyo direklerinden ortam enerjisinin
temizlenmesine yardımcı olur. RF toplama sistemleri genellikle
alıcı antenler ve doğrultucu devreleri içerir.
RF enerji biçerdöverlerinin ilk örnekleri, Drayson Technologies
tarafından patentlenen Freevolt teknolojisini içerir.
Freevolt'un ilk ticari uygulaması, şu anda Amazon'da satın
alınabilen bir hava kalitesi izleme sensörü olan CleanSpace
Tag'dir. Ayrıca, Atmosic M3 Serisi çip üzerinde sistem (SoC)
çözümleri, uç IoT cihazlarında pil ömrünü uzatmak için düşük
güçlü Bluetooth 5 bağlantısını, isteğe bağlı cihaz uyandırma
modu işlevselliğini ve kontrollü RF enerji hasadını bir araya
getirmektedir.
Kinetik enerji
Bu teknik, titreşim veya hareket gibi mekanik uyarıma yanıt
olarak elektrik üreten piezoelektrik malzemeler yoluyla enerji
biriktirmeyi içerir. Sensör cihazlarını kinetik enerjiyle
çalıştırmak, kamu hizmetleri, endüstriyel üretim ve tüketici
elektroniği dahil olmak üzere çeşitli endüstriler için mükemmel
sonuçlar doğurabilir.
İngiltere merkezli Cranfield Üniversitesi'nden araştırmacılar,
açık deniz rüzgar çiftliklerinde kinetik enerji hasadı
sistemleri kuruyorlar. Bilim adamları, rüzgar türbini yapısının
neredeyse sabit titreşimlerini elektriğe dönüştürüyor ve bu daha
sonra türbinin tabanı etrafındaki deniz tabanına yerleştirilmiş
erozyon algılama sensörlerine gidiyor.
Bir başka örnekte Amerikan Fizik Enstitüsü'nden geliyor. Geçen
yıl, Profesör Wei-Hsin Liao liderliğindeki bir ekip, bir kişinin
dizine takılabilen taşınabilir bir enerji toplayıcısını
açıklayan bir araştırma makalesi yayınladılar. Cihaz, kişi
yürürken 1,6 mikrowatt'a kadar güç üretebiliyor ve bu, GPS
takipçileri ve sağlık izleme ekipmanı gibi giyilebilir cihazları
şarj etmek için yeterlidir.
Termal enerji
Termal enerji hasadı, motorlar, makineler, insan vücudu veya
çevresel kaynaklar tarafından üretilen ısıyı elektrik enerjisine
dönüştürme işlemidir. Bu amaçla, bizmut veya kurşun tellürid
bazlı termoelektrik jeneratörler sıklıkla kullanılır.
Termoelektrik malzemenin fiziksel özelliklerine ve mevcut ısı
enerjisi miktarına bağlı olarak, termoelektrik jeneratörler
santimetre kare başına 20µW ila 10mW arasında üretim
yapabilirler.
Termal enerji hasadı, endüstriyel işlemlerde enerji
verimliliğini artırmak için en umut verici teknolojilerden biri
olarak kabul edilir. Günümüzde sanayi şirketlerinin ürettiği
enerjinin %30'undan fazlası atık ısıdan ötürü kaybolmaktadır.
Bazı termal enerji hasadı çözümlerine örnek olarak, bu yılın
başlarında 8 milyon € fon sağlayan Belçikalı bir girişim olan
e-peas (e-bezelye) tarafından geliştirilen mikro denetleyiciler,
sensörler ve arayüz devreleri yer alıyor .
IoT'de Enerji Hasat Teknikleri Uygulanırken Dikkat Edilmesi
Gerekenler
-
Tüketilen ve hasat edilen enerji oranı.
Kendi kendine çalışan IoT çözümleri tasarlarken, teknoloji
şirketleri mevcut enerji kaynaklarını araştırmalı ve
cihazlarının ne kadar enerjiye ihtiyaç duyduğunu iyi
hesaplamalıdırlar. Pil ömrünü uzatmak veya pilleri tamamen
ortadan kaldırmak için, hasat edilen enerji miktarı, 10
μWatt ile 1 Watt arasında dalgalanabilen bir IoT cihazının
güç gereksinimlerini aşmalıdır.
-
Daha yüksek üretim maliyetleri. Kurşun
asitli aküler toplu olarak üretilen, ucuz bir mal iken,
ortam enerjisi toplayıcıları daha maliyetlidirler. Ayrıca,
mevcut bir cihazın üzerine enerji hasadı mekanizmaları
eklemek nadiren mümkündür, bu da IoT satıcılarının kendi
kendine yeten sensörleri ve aktüatörleri sıfırdan
tasarlamak zorunda kalacağı anlamına gelir.
Nesnelerin İnterneti (iOT) her yerde yaygınlaştıkça, piyasanın
yakında benzer mikro denetleyicileri ve SoC'leri kullanan uç
cihazlarda çalkalanma ihtimalini de göz ardı etmemek gerekir.
Bu, IoT dağıtıcılarına/satıcılarına enerji hasadı modüllerini
varsayılan olarak donanım bileşenlerine entegre etme fırsatı
verecektir. Küresel enerji hasadı pazarının geçen yıl 440,39
milyon doları aştığı ve şu anda %10,91'lik bir YBBO ile büyüdüğü
göz önüne alındığında, bu varsayım pekte gerçekçi görünmüyor
gibi.
