IoT-markedet forventes at vokse mod stadigt flere segmenter inden for elektronikken, og introduktionen af nye teknologier gør apparater i stand til at generere deres egen energi til strømforsyning
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 1 – 2025 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Tristan Cool, produktmarketingchef, Industrial, Silicon Labs
IoT-applikationerne har fordel af to overordnede trends, nemlig de trådløse teknologier og elektronik med et meget lavt forbrug. Uden fortrådning og med muligheden for at fungere ud fra stadigt mindre batterier kan IoT-produkter kommunikere i støt stigende antal og med anvendelse på langt flere områder og markeder.
Trådløs konnektivitet har gjort det lettere at anvende forskellige produkter på selv de mest afsides steder. Sikkerhedskameraer har længe været forbundet via koaksialkabler, men i deres trådløse form kan de installeres på langt flere steder – og gøre langt mere nytte. Og så er der hele asset-tracking industrien samt muligheden for at monitere et objekts transit fra ét sted til et andet, hvilket jo ikke ville være muligt uden batteridreven, trådløs teknologi.
Visse produkter som dørklokke-/kamerakombinationer ville nok ikke have den succes, de har fået på markedet, hvis de ikke kunne forbindes trådløst – og forsynes med batterier.
Brug af batterier
Batterier repræsenterer bærbar energi, og batterier har i høj grad bevist deres værdi på utallige markeder. Over årtier, i takt med formindskelsen af mange elektroniske produkter, er energiforbruget i elektronikken styrtdykket. Produkter, som før krævede flere ganske store D-celler for at fungere, kan i dag køre meget længe på et par AA- eller AAA-batterier. Og visse produkter kan fungere i årevis på knapceller.
En mængde af disse produkter er grundpiller i IoT-domænet: fitness trackere, smart speakers, location trackere, trafikmoniteringssystemer samt de førnævnte kameraer og dørklokker.
Men batterier bliver tømt for energi – og derefter udskiftet og enten recyclet eller skrottet.
Batteriets ulemper
Der bliver solgt rundt regnet fem milliarder tørcellebatterier i USA hvert år ifølge EPA (Environmental Protection Agency), der står for at spore fast affald og detektere potentielt farligt affald. I Europa sælges der omtrent otte milliarder batterier årligt, hævder flere kilder. Det betyder så også, at der skrottes milliarder og atter milliarder af tørcellebatterier hvert år i hele verden.
Stort set alle typer af batterier omfatter materialer, der kan være giftige, men det er langt fra let eller billigt at recycle batterier, og derfor er recycling af batterier overalt i verden i bedste fald inkonsistent. Alene i Europa bliver kun rundt regnet halvdelen af de udskiftede batterier recyclet, og det medvirker til et meget lidt bæredygtigt bjerg af kemisk og metallisk affald med deraf følgende forurening.
Alligevel fortsætter vi med at implementere flere og flere IoT-apparater i verden. I 2022 blev der implementeret 14,4 milliarder IoT-produkter ifølge IoT Analytics, og samme analyseinstitut forventer en fordobling af dét antal i 2027. Uanset om det drejer sig om elektronik til hjemmet eller industrien, så medfører disse IoT-produkter en opskalering af udgifterne til batteriskift og til det samlede forsyningsproblem. Og med de nye teknologier følger også flere applikationer. Visse af de nyeste og mest ambitiøse IoT-applikationer bruger store arrays af sensorer til monitering af storskalainstallationer, der spænder fra landbrug til industriel automation.
Energy harvesting
Disse IoT-produkter er oplagte kandidater til batteriforsyning, men faktisk kan mange applikationer klare sig uden. Visse sensorer kan klare sig med minimale dryp af energi, som universet og miljøet stiller ”gratis” til rådighed.
I de tilfælde er energy harvesting en attraktiv mulighed. Det grundlæggende koncept er at opfange energi fra flere naturlige fænomener og eventuelt fra multiple energikilder for derefter at konvertere denne energi til elektricitet.
Pr. definition kvalificerer solceller og vindmøller sig som energy harvesting forsyningskilder. Begge kan skalere til Megawatt-klassen, men til IoT-produkter i den fjerne ende – edgen – af et netværk kan behovet måles i milliwatt eller mikrowatt, og det åbner døren for mange andre fysiske fænomener til energiomsætningen.
Typer af energy harvesting
Solceller/fotovoltaiske (PV) celler er oplagte til ultra low-power forsyning af IoT-produkter. Klassiske PV-celler, der er de samme, som bruges i solcellepaneler, er en mulighed, men der er alternative PV-teknologier til rådighed – også visse typer baseret på syntetiske compounds, der emulerer fotosyntese. Moderne PV-celler har en stærkt forøget effekttæthed og fungerer fint både udendørs og indendørs, hvor omgivelseslyset er rigeligt til at genoplade batterier eller oplade supercapacitor-energilagre.
Små temperaturforskelle kan anvendes til termoelektriske generatorer, der opfanger nogle mikrowatt fra mange slags kilder, som kan inkludere alt lige fra industrielle maskiner til det menneskelige legeme. I visse applikationer kan en yderligere energikilde i form af vibrationer fra en air condition også høstes.
Piezoelektriske materialer genererer energi ved deformation. I applikationer, hvor fysiske bevægelser er tæt på konstante, er der også basis for energy harvesting, eksempelvis i motoriserede køretøjer. Mange førende producenter af lyskontakter til smart buildings bruger allerede den piezoelektriske kinetiske energi til forsyning af kommunikationen i deres flytbare og batterifri lyskontakter.
Andre energy harvesting teknologier inkluderer løsninger fra nye hightech-rettede firmaer, der bruger elektrisk og magnetisk induktion til at opfange energi fra ganske store arealer med elektricitet til forsyning af sensorer og radioerne på fjerne locations/placeringer.
Energi fra omgivelserne
Producenter af ultra low-power IoT-produkter arbejder på at levere batterifri løsninger, der udelukkende anvender energy harvesting-teknologier – primært fordi der ikke er nogen elektrisk infrastruktur til forsyning af IoT-produkterne – eller fordi udskiftning af batterier er for dyrt eller besværligt.
Men hvad nu, hvis der er elektriske felter til rådighed? Måske ikke lige ved siden af IoT-produktet, men relativt tæt på? Hvad nu, hvis det var muligt at anvende en teknologi svarende til opladning af en smartphone – som i en Qi-lader – men med en rækkevidde på nogle meter frem for kun centimeter? Tilgængeligheden af små retningsbestemte antenner (rectennas) har stimuleret visse firmaer i at undersøge muligheden for etablering af standardiserede trådløse forsyningsløsninger.
Der er flere systemer under udvikling, som oftest med brug af Sub-2,4GHz RF-broadcast teknologi. For tiden er de produkter, som er tættest på et kommercielt gennembrud inden for industrielle applikationer til fabriksautomation, tracking af udstyr på lagre, batterifri asset-tags og elektroniske prisskilte og lignende produkter, der giver basis for installation af gateways, som transmitterer RF-energi. Man kan måske forestille sig et smart home, hvor enhver router og smart device gateway også transmitterer RF-energi. Det kunne føre til et marked med spændende produkter som elektriske tandbørster, nøgle-tags, keyboards, earphones, computermus og lignende produkter, hvor man ikke længere skulle tænke på batterier eller opladning?
Et kig ind i fremtiden
Fremtiden for IoT kan ikke følge sin nuværende vækstrate med en fortsat afhængighed af batterier. Mange brugercases udnytter fortsat ikke deres fulde trådløse potentiale. Eksperter på området forventer en fortsat forbedring af IoT-systemernes trådløse stacks inden for alliancerne, men de fundamentale forsyningskilder kræver nytænkning.
Yderligere skal vi som følge af både virksomheders og regeringers fokus på grønne løsninger anerkende, at den eneste vej fremad er at gentænke batteriet i en anden form, end vi kender det i dag.
IoT Analytics website
https://iot-analytics.com/wp/wp-content/uploads/2023/05/Global-IoT-market-forecast-in-billions-of-connected-IoT-devices.png.
Billedtekster:
1: Udviklingen af energy harvesting-løsninger på det amerikanske marked følger en eksponentielt voksende kurve.
2: Der er flere kilder til energiforsyning af energy harvesting-systemernes konvertering til elektricitet.
