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 (2019), 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.
