Hibridni solarni-piezoelektrični napajalni sistem za IoT okolja
Avtor: Aljaž Mlinarič
Mentor: Matej Rojc
Stopnja: Študijski program 2. stopnje Elektrotehnika, Smer elektronika
Datum: Maj, 2021
DKUM: ALJAŽ MLINARIČ
Povzetek
V magistrski nalogi predstavljamo metode za pridobivanje energije iz okolja in postopke za pretvorbo v električno energijo. Podrobno predstavljamo zgradbo, lastnosti, delovanje in uporabo piezoelektričnih senzorjev v te namene za uporabo v sistemih IoT. V nalogi smo razvili sistem za učinkovito pridobivanje energije iz okolja z uporabo sončnih celic in piezoelektričnih senzorjev, s katerimi lahko tudi energijo ustvarjeno med kolesarjenjem pretvorimo v električno energijo. Skupaj s sončnimi celicami smo razvili hibridni napajalni sistem za napajanje mobilnega senzorskega sistema s povezljivostjo za pametna mesta, ki ga lahko namestimo na kolesu, in služi za merjenje okoljskih parametrov, kot so temperatura, vlaga, vsebnost ogljikovega dioksida in hlapljivih organskih spojin kjerkoli v pametnem mestu.
Pametno mesto
Tehnološki napredek v svetu dandanes omogoča, da smo ljudje povezani z okoljem in napravami bolj kot kadarkoli prej in da informacije potujejo globalno skoraj hipoma. Količina informacij, s katero imamo opravka, postaja vedno večja, zato je izrednega pomena pridobivati statistično bolj relevantne informacije, vzorce in napovedi, ki nas pogosteje zanimajo in za katere menimo, da bi lahko zagotovile učinkovitejše upravljanje z napravami v okolju. Prav tako je zelo pomembno, da lahko do teh informacij dostopamo kadarkoli in kjerkoli želimo. Poleg povezanosti z uporabniki imajo vse aplikacije interneta stvari skupno tudi skrb za napajanje takšnega sistema. Glede na namen moramo načrtovalci prilagoditi napajanje takšnega sistema.
V okviru magistrske naloge predstavimo več metod za pridobivanje električne energije iz obnovljivih virov energije v okolju IoT. V okviru tega tudi predlagamo hibridni sistem za pridobivanje električne energije iz okolja z uporabo sončnih celic in piezoelektričnega senzorja. V okviru naloge želimo tudi ugotoviti, kateri piezoelektrični senzor bi bil najbolj primeren za uporabo v takšnem sistemu. Prav tako želimo tudi preveriti, kako senzor namestiti na primer na kolo, da bi lahko med samo vožnjo s kolesom pridobili največ električne energije.
S pomočjo predlaganega hibridnega sistema želimo zbrati toliko električne energije v primernem baterijskem sistemu, da bo zadostovala za napajanje merilnega sistema za spremljanje okoljskih parametrov v pametnem mestu. Sistemu bomo tudi dodali komunikacijski modul LoRaWAN, s katerim lahko tudi na večje razdalje v sistem IoT pametnega mesta sporočamo v realnem-času status specifičnega sistema in zajete senzorske podatke.
Z velikim številom naprav lahko tvorimo učinkovite koncepte pametnega mesta. S pomočjo velikega števila senzorjev in strojnim učenjem lahko analiziramo podatke v realnem času po celotnem mestu, in glede na rezultate ugotavljamo vzorce, na podlagi katerih lahko sistemi tudi samodejno odreagirajo, še predno se je dani dogodek zgodil. S pomočjo takšnih sistemov lahko upravljalci v mestih napovedo prometne zamaške, porabo električne energije, poveča se lahko javno varnost itd.
Pridobivanje energije iz IoT okolja
Pridobivanje in pretvorba sončne energije v električno energijo velja dandanes za eno izmed najbolj učinkovitih metod za pridobivanje in pretvarjanje energije. Osnovni modul za pridobivanje energije je fotonapetostni generator. Osnovni gradnik fotonapetostnega generatorja je sončna celica ali fotovoltaična celica, ki je sestavljena iz rezin polprevodnika ali zmesi polprevodnikov. Sončne celice so najpogosteje narejene iz silicija. Če je kristalna mreža silicija urejena in če v strukturi ni napak, dobimo monokristalne sončne celice, ki imajo visok izkoristek, so pa drage. V primeru, da ima kristalna mreža površinske napake in je struktura sestavljena iz več kristalov, dobimo polikristalne sončne celice, ki imajo v primerjavi z monokristalnimi manjši izkoristek in so zato cenejše. Poznano tudi amorfne sončne celice, sončne celice iz kadmijevega telurida (CdTe) in bakrovega indijevega diselenida (CulnSe2).
Ko se piezoelektrični material izpostavi pritisku, stresu ali vibracijam, se zaradi polarizacije ionov znotraj kristala generira naboj, ki generira električni tok, ustvari pa se tudi padec napetosti. Ta pojav imenujemo piezoelektrični efekt in se pojavlja v trdnih snoveh, kot so kristali, keramika in biološke snovi (npr. kosti). Piezoelektrični elementi imajo dandanes največjo energijsko gostoto na dano površino, zato se v primeru napajanja vgrajenih sistemov lahko dobro obnesejo.
Razvoj hibridnega sistema napajanja
Mobilna vremenska postaja vključuje sončne celice, ki so dovolj majhne, da jih lahko namestimo na kolo. Skupaj z izbranim piezoelektričnim senzorjem tvorita hibridni napajalni sistem. Izbrani piezoelektrični senzor smo na kolo pritrdili tako, da smo pridobili kar največ električne enregije. Hibridni sistem napaja baterijo z zadostno kapaciteto za napajanje mikrokrmilnika, senzorjev za merjenje okoljskih parametrov, ki jih zajamamo med vožnjo s kolesom. Kapaciteto baterije preverjamo s pomočjo senzorja, ki meri napetost in tok baterije. Vse izmerjene podatke s pomočjo LoRaWAN modula pošljemo na spletni strežnik.
Odločili smo se za piezoelektrični senzor FS-2513P, proizvajalca Midas. Senzor je zgrajen iz PVF2 materiala. Proizvajalec podaja, da ima takšen senzor resonančno frekvenco 80 Hz, pri kateri ima senzor visoko občutljivost in kapacitivnost 660 pF. Senzor meri 72 mm x 14 mm. Ta senzor je zelo fleksibilen, odporen na vlago in je upogljiv, uporablja pa se kot senzor sile, vibracij, lahki merilnik pospeška, za tipkovnice in zaslone na dotik. Ta senzor smo izbrali predvsem zaradi njegove odpornosti na vlago, fleksibilnosti in upogljivosti. Senzor FS-2513P je tudi relativno poceni. Ko piezoelektrični senzor izpostavimo mehanski obremenitvi, senzor proizvede enosmerno električno napetost. V kolikor pa nato obremenitev odstranimo, ustvari senzor električno napetost v obratni smeri. V kolikor senzor izpostavimo ponavljajoči se mehanski obremenitvi, se tako generira izmenična napetost, ki ima približno enako frekvenco, kot je frekvenca ponavljajoče se mehanske obremenitve. Pridobljeno izmenično napetost moramo zato najprej usmeriti z diodni mostičem. Dobljeno napetost nato zgladimo s kondenzatorjem, ter jo nato z uporabo DC/DC pretvornika pretvorimo na ustrezno napetost
Ker želimo hibridni sistem napajanja namestiti na kolo in električno energijo nabirati med kolesarjenjem, smo potrebovali takšen sončni panel, ki bi ga lahko čim preprosteje namestili na kolo. Zato smo se odločili uporabiti tankoplastne amorfne sončne celice. Te celice so fleksibilne kar pomeni, da jih lahko prepognemo in jih tudi lahko prilepimo na neravne površine. Izbrali smo tankoplastne sončne celice proizvajalca Jiang solar. Proizvajalec za panel deklarira naslednje pomembne podatke: delovna napetost 7 V, delovni tok 380 mA, napetost odprtih sponk 6 V, kratkostični tok 350 mA in moč 2 W. Panel ima velikost 380 mm x 90 mm.
Mobilna vremenska postaja za IoT okolja
Hibridni sistem napaja mobilno vremensko postajo. Vremenske postaje so po navadi stacionarne in lahko pošiljajo vremenske podatke samo z ene lokacije. Naša ideja je, da bi uporabnik kolesa z nameščeno mobilno vremensko postajo po mestu lahko zbiral podatke o temperaturi, vlagi, zračnem pritisku, vrednosti CO2 z različnih lokacij v pametnem mestu. Vremenska postaja nato pošilja podatke na strežnik s primerno komunikacijsko metodo. Mobilno vremensko postajo napaja Litij-ionska baterija oznake 18650 proizvajalca Samsung s kapaciteto C=2500 mAh. Da povečamo življenjsko dobo baterije in čim dlje ohranimo prvotno kapaciteto, moramo baterijo s piezoelektričnim senzorjem polniti s konstantnim tokom, in nato še pri konstantni napetosti, oziroma CC/CV. Senzorje in LoRaWAN modul napajamo na 3,3 V. Takšno stabilizirano napetost dobimo z DC/DC pretvornikom napetosti TPS63001.
Izdelali smo tiskanino z LoRaWAN modulom za komunikacijo in senzorjem za merjenje vlage, temperature in zračnega tlaka BME280. Senzorjem za merjenje vrednosti hlapljivih organskih spojin in vrednosti CO_2 ZMOD4410. Na spoščici se nahajajo še konektorji za priključitev sončnih celic in piezoelektričnega senzorja. Na spodnji strani se nahaja držalo za baterijo. S SSHI vezjem povečamo pridobivanje električne napetosti s piezoelektričnim senzorjem. Na tiskanini smo dolali še vezje za preprečitev obratne polaritete napajanja. Izdelali smo tudi modul za sledenje točke maksimalne moči za sončni panel. Na modul smo dodali priključke sončnih celic in priključke za povezavo do tiskanine z baterijo. Da smo hibridni napajalni sistem z vremensko postajo zaščitili pred vremenskimi vplivi, smo ga dali v namensko ohišje.
Diskusija in rezultati
