Energy Harvesting технологии в сградната автоматизация

Самозахранващите безжични сензорни мрежи вече са неразделна част от системите за сградна автоматизация. Прогресът в т.нар. “energy harvesting” технологии за добив на енергия от околната среда и IP свързаността, от своя страна, проправят пътя към Internet of Things.

Интелигентният контрол на сгради изисква използването на сензори, които събират различни данни от няколко точки на измерване, както и контролери за обработка на събраната информация.

Мрежите от датчици в средните до големи съоръжения могат да бъдат съставени от стотици до хиляди сензорни възли, като за всеки един от тях се изисква наличието на енергиен и комуникационен капацитет. В същото време решенията трябва да са лесни за инсталиране, с бърза възвръщаемост на инвестицията, както и да осигуряват значителни икономии на енергия и повишен комфорт.

Тези изисквания успешно се изпълняват от безжичните energy harvesting решения, които вече имат и утвърден IEC стандарт за устойчивите сгради. Чрез прилагането на energy harvesting технологии, безжичните модули сами се захранват от околната среда и следователно работят без батерии.

Могат да бъдат използвани разнообразие от енергийни източници: електродинамичният енергиен конвертор използва механична енергия, миниатюрните слънчеви модули генерират енергия от светлината, а термоелектрическият колектор с DC/DC повишаващ преобразувател превръща температурната разлика в източник на енергия.

Тези високоефективни колектори генерират енергия, достатъчна да захрани сензори, анализира условията на околната среда, а след това и безжично да предаде събраната информация. Те включват ключове, контакти на врати и прозорци, сензори за температура, влажност, заетост и светлина, които се свързват с интелигентни контролери и системи за сградна автоматизация.

Безжичните energy harvesting технологии имат три основни компонента, които са оптимално съчетани помежду си: микроенергийни преобразуватели, електроника със свръхниска консумация на енергия и оптимизиран безжичен стандарт. Всичко това се комбинира и със софтуерни инструменти, които позволяват лесна интеграция за различни приложения.

Оптимизирано за сградна автоматизация
За архитектите, управителите и инсталаторите на съоръженията, самозахранващите технологии в системите за сградна автоматизация предлагат няколко предимства. Тъй като са безжични, сензорите и ключовете в един офис например могат лесно да бъдат премахнати или преместени по всяко време.

Обхватът на радиовръзката е оптимизиран, така че комуникацията през стените на дома или офиса да може да се осъществява на разстояние до близо 28 метра. Но най-голямото предимство на тези устройства е, че работят без батерии, което означава, че се премахва и необходимостта от поддръжка. Те нямат кабели, които трябва да се опъват, или батерии, които трябва да се заменят и изхвърлят правилно. Това прави системата евтина, надеждна и в същото време използваща екологосъобразни технологии.

Бъдещо развитие на технологията и нови приложения
Развитието на energy harvesting технологиите e все още в ранен етап. Отвъд сградната автоматизация, съществуват множество нови сфери на приложение за самозахранващата безжична комуникация, включително здравен мониторинг, контрол на качеството на водата, предотвратяване на горски пожари, както и управление на интелигентни градове.

За такива приложения, най-вече извън сградата, компонентите на безжичните energy harvesting технологии - енергийни преобразуватели, безжични предаватели, софтуер и инструменти за управление на енергия, както и енергоспестяващите протоколи, трябва допълнително да се развият.

Следващото поколение energy harvesting радио технология ще позволи до десет пъти по-голям обхват за безжично предаване на данни на разстояние от повече от 2,7 км, което ще позволи използването на тази технология за нови приложения с по-високи изисквания за обхват. Повишената потребност от енергия на такива големи разстояния може да бъде удовлетворена чрез развитието на други компоненти, като енергийните колектори.

Механичното движение е стабилен и надежден източник на енергия, който може да бъде генериран почти навсякъде, например от движението на врати, прозорци или компоненти на машини, както и от вибрацията на двигатели, въртенето на дръжки или превключватели. Новите видове колектори на механична енергия ще могат да се възползват и от енергията, създадена от потока на газове или течности. Те ще могат да се използват за електромери, които да премахнат нуждата от батерии в милиони устройства.

Друг енергиен източник - светлината - ще играе значителна роля при бъдещите поколения соларни клетки, които ще съчетават две важни характеристики: намалена консумация на енергия и подобрено производство на енергия при ниска осветеност.

Със сегашните технологии, соларните клетки работят на 5% ефективност ако осветеността е 100 lx, но следващото поколение соларни клетки от органичен материал или цветочувствителна технология ще могат да работят на повече от 10% ефективност при осветеност 10 lx.

На последно място, температурните разлики създават достатъчно енергия за захранването на устройства. Охлаждането само на една капка вода с 1 градус по Целзий освобождава енергия, достатъчна за близо 25,000 т.нар. energy harvesting безжични телеграми. Този вид колектори ще позволят изграждането на изключително издръжливи сензорни възли, които са независими от светлина и следователно не са чувствителни към замърсявания.

Друг принос към енергийния баланс е намаленият разход на енергия. Тъй като потреблението на енергия от сензорните модули намалява от поколение на поколение, energy harvesting технологиите стават все по-подходящи. В допълнение на това, технологиите и компонентите за съхранение на енергия значително са се подобрили, като целта е да стане възможно съхранението на енергия, достатъчно за работа в продължение на няколко седмици до година без допълнителна енергия.

Следващото десетилетие на Интернет
С новия интернет протокол IPv6, който позволява почти неограничен брой IP адреси, прякото взаимодействието на сензори, изпълнителни механизми и контролери с други машини нараства. Наличието на голяма мрежа сензори, изпълнителни механизми и контролери, които взаимодействат с потребителя и помежду си, може да допринесе за няколко различни ползи.

По-голямото количество информация от сензорите осигурява по-добра представа за системата за контрол. За разлика от стандартния подход за свързване на един или повече сензори към един контролер, Internet of Things позволява наличната информация да се споделя и използва  повторно от различните сензорни възли. Така системата събира данни само веднъж, но използва информацията за няколко различни приложения.

Сензорите без батерии, които са свързани към интернет, предоставят информация не само на местно ниво. Данните, съхранявани в облачни пространства, могат да са основа на редица анализи и следователно да се използват за различни цели.

Съвременните контролни системи обикновено се инсталират на местно ниво; например сензорите, контролерите и изпълнителните механизми често са в непосредствена близост и било то жични или безжични, те са пряко свързани един с друг. С IPv6 свързаността вече не се изисква такава близост, а IoT от своя страна позволява динамичното създаване на контролни мрежи, които могат да се оформят и разпускат динамично според времето, мястото или други параметри.

Всички необходими базови технологии за създаването на такава мрежа вече съществуват - сензори, изпълнителни механизми, местни или облачно базирани уреди за управление на IPv6 за обединяване на всички елементи от системата. 

Въпреки това energy harvesting сензорите не могат да комуникират през IP самостоятелно. Безжичното предаване без батерии означава, че избраният протокол трябва да е оптимизиран за комуникация със свръхниска консумация на енергия. Полезният товар от сензорите е малък (няколко байта), така че и изпратената в мрежата информация трябва да е ограничена.

Други сфери на приложение
С напредъка на технологиите и подобрените възможности на IPv6 стават възможни редица нови сфери на приложение на безжичната energy harvesting комуникация. При транспортирането на храни в хранително-вкусовата промишленост, сензорите могат да следят и хладилната верига или да известяват и правят поръчки в магазините, когато стоката се изчерпа.

Облачно-базираните изчислителни ресурси могат да се използват и за да се съчетае информацията от местните температурни датчици с външна прогноза за времето, така че да се изчисли точното количество необходима вода за напояване в селското стопанство. Тази информация може след това да се изпрати към задвижващ механизъм, който контролира потока на водата. Подобни сензори могат да измерват степента на влажност и хранителните вещества в почвата за оптимално водоснабдяване и грижа за растенията.

Самозахранващите безжични сензори могат да бъдат разположени и на големи площи, където да дават предварителни известия или да следят селскостопански животни и растения с цел бърза реакция при променящи се условия. Температурните датчици например могат да изпращат алармен сигнал и координати, когато измерят висока температура от огън. Известието се изпраща незабавно до най-близката пожарна и/или чрез SMS към телефона на отговорното лице. Подобна система за ранно предупреждение може да предотврати разпространяването на горски пожари.

Било то вода, газ или петрол, всички ресурси на земята са в ограничени количества и затова трябва да бъдат защитавани и използвани внимателно. Сензорните мрежи без батерии могат да допринесат за това като осигуряват нужните данни за следене количеството и качеството на водата.

В допълнение на това, датчиците могат да използват миниатюрни соларни клетки или преобразуватели на енергия от движение за захранване на безжичните сигнали, които известяват контролера или клапана за течове на вода, петрол или газ. Energy harvesting технологията предотвратява неизправности в системата, които биха могли да се причинят от повреди на батерията.

Материалът, от който са изградени големи структури като мостове, тунели, язовири и сондажни платформи трябва да може да устои на екстремни сили като времето, земетресения или трафик. Микровълновите сензори, захранвани от светлина, температурни промени или вибрации, които постоянно следят най-важните параметри, могат да предупредят при всякакви несъответствия и така да предотвратят аварии.

Тези сензори следят параметри, свързани със структурната цялост на обекта, включително позиция и вибрации, и действат като система за ранно предупреждение. Такава функционалност може да сигнализира при лавина или свличане на камъни.

Според статистиката, до 2030 г. 60% от населението ще живее в градовете, което са близо шест милиарда души. Интелигентното управление ще бъде необходимо за координиране на всекидневния живот на хората и предотвратяване срива на даден град.

Това включва автоматизиран контрол на трафика, уличното осветление, енергозахранването и транспорта на стоки, както и обезвреждане на отпадъците. Тази идея може да се осъществи само с помощта на милиони самозахранващи сензори, които събират и предоставят необходимите данни.

Демографските промени от своя страна също създават нужда от модерни технологии, предназначени за възрастните хора и техния независим живот вкъщи, колкото по-дълго е възможно. Energy harvesting технологиите могат да се използват за създаването на системи за интелигентна заобикаляща среда, които да предоставят данни за дейностите на обитателите и да изпращат известия на болногледач или роднина, ако в активността им има значителна промяна.

Алармени системи и преносими бутони за спешно повикване допълват системата. По отношение на гъвкавостта и лесната поддръжка, изискванията са всички компоненти да са безжични и без батерия.