Dove posso raccogliere energia in casa per alimentare i miei sensori wireless?

Stavo leggendo questo articolo, "Cinque blocchi costitutivi di nodi di sensori wireless autoalimentati" (condivisi su Meta ) sulla raccolta di energia in IoT.

Elenca un paio di fonti di energia da raccogliere ad esempio:

• energia termica
• energia di vibrazione

Sto progettando di implementare alcuni prototipi di dispositivi di raccolta per esplorare le possibilità. Per ottenere alcuni dati sperimentali su quanta energia può essere raccolta in casa mia. Attualmente sto cercando di identificare i possibili punti nella mia casa in cui questi raccoglitori di energia potrebbero essere collocati e utilizzati in modo efficiente.

Quello che ho pensato di:

• Forse un raccoglitore di energia a vibrazione potrebbe essere attaccato alla lavatrice in bagno. Ambiente rischioso poiché l'umidità può essere piuttosto elevata, quindi è necessaria una protezione adeguata.
• La raccolta di energia termica potrebbe essere posizionata vicino al forno in cucina.
• I raccoglitori di energia termica potrebbero essere posizionati vicino agli elementi riscaldanti nelle camere da letto.

Quali altre parti dell'appartamento dovrei posizionare ulteriori mietitrici per sperimentare?

Quindi, ad esempio, un forno a microonde può essere una possibile fonte o altri elettrodomestici da cucina di uso frequente?

Ho una caldaia elettrica sopra il mio bagno (all'interno dell'appartamento), quindi forse anche le tubature dell'acqua calda che scorrono verso il bagno sono buone fonti.

Cos'altro potrebbe esserci? Ci sono altre possibilità per raccogliere l'energia delle vibrazioni in una casa?

PORTE!!!

Non so se rientri nell'ambito della tua domanda, ma non puoi immaginare l'energia sprecata di aprire / chiudere una porta!

Un fumetto francese di nome Gaston Lagaffe, scritto nel 1970, introdusse una persona che raccolse l'energia di una porta apribile per spremere le arance, stampare un'immagine, fare il caffè, ...

EDIT , grazie al commento di Olivier Dulac sono stato in grado di trovare la striscia senza dover leggere tutta la mia collezione Gaston! Traduzione se da parte mia, ma non riesco a tradurre l'ultima immagine, è un gioco di parole francese sulle parole di scardinarci quando siamo matti.

Per rimanere nell'ambito della tua domanda, sto pensando ad alcuni scenari:

• Orme? Raccolta di vibrazioni con una placca in cui le persone camminano di più: ingresso, dove metti i tuoi cappotti, vicino a un campo da gioco Kinect.
• Computer, server: raccolgono il loro calore.
• Realizza una caldaia esterna usando i pannelli del tetto con acqua calda (ovviamente hai bisogno del consenso del proprietario) e raccogli il calore.
• Ci sono scarpe di ricarica!

L'energia solare è anche in casa un'alternativa alla raccolta di energia termica e vibrazionale. Questo fotovoltaico per interni utilizza sia la luce naturale sia la luce artificiale.

Sulla fattibilità della raccolta di energia della luce interna per reti di sensori wireless (Carlos Carvalho e Nuno Paulino) discute la raccolta di energia della luce interna dell'illuminazione naturale attenuata. Gli autori descrivono l'alimentazione di un nodo sensore wireless a bassa potenza con un livello di potenza medio di 11,51 µW. Questo basso livello di potenza medio è raggiunto da un ciclo di lavoro molto basso del sistema che effettua una sola trasmissione ogni ora.

Dimensionamento di raccoglitori di energia solare per reti di sensori wireless (Murata Application Note M1002) confronta diverse fonti di energia ambientale:

Chiaramente l'uso della luce ambientale in un ambiente interno produce un rendimento inferiore rispetto ad altre fonti, tuttavia potrebbe funzionare per alcuni casi d'uso.

Pur avendo così tante risposte preziose alla mia domanda, ho anche fatto ulteriori ricerche sull'argomento.

Ho trovato un'ulteriore soluzione di raccolta e anche un ottimo progetto di riferimento su un nodo di sensori wireless a energia solare, senza usare una batteria.

Innanzitutto il metodo aggiuntivo di Texas Instruments, che si chiama tecnica di raccolta degli interruttori RF . (Vale la pena guardare il video, la parte dell'interruttore RF inizia alle 2:29.) Si basa su un interruttore magnetico la cui struttura è visibile nell'immagine qui sotto.

Sul disegno qui in rosso è la parte dell'interruttore che l'utente spingerà. Abbiamo un magnete dentro con i due poli. E questo sta creando un campo magnetico attraverso questo nucleo fino all'altro polo.

Quando l'utente attiva l'interruttore, è possibile vedere le modifiche al campo. Va nella direzione opposta attraverso il nucleo. E sappiamo dalle equazioni di Maxwell che questo cambiamento nel campo magnetico attraverso questi avvolgimenti produrrà una corrente. Questa è l'energia che possiamo raccogliere e utilizzare.

L'interruttore produce una corrente alternata che deve essere convertita in corrente continua che può caricare un condensatore. Quindi l'energia immagazzinata nel condensatore può essere utilizzata per alimentare un MCU wireless a bassa potenza.

TI lo ha effettivamente realizzato e sono stati in grado di fornire energia sufficiente per 21 millisecondi per l'MCU wireless.

Il design di riferimento è un dado solare che può trasmettere in modalità wireless i dati di un accelerometro a uno smartphone. La soluzione non utilizza una batteria e abbastanza compatta. Vale la pena leggere o sfogliare i dati di prova forniti , schemi e altri documenti.

Questa è un'idea che ho avuto che lancerò qui ...

Sembra che dovrebbe essere possibile avere un piccolo dispositivo in cui avvolgere semplicemente un cavo di alimentazione alcune volte (o avvolgere il dispositivo attorno al cavo di alimentazione, non sono sicuro di quale). Quando il dispositivo "host" è acceso e la corrente scorre, il "parassita" sul cavo di alimentazione si accende - non molto, ovviamente. Ma, forse abbastanza per inviare periodicamente un "ping" wireless con un ID (come un indirizzo MAC) ad alcuni ricevitori. Ciò che questo ti procurerebbe è un sensore che ti direbbe ogni volta che si accendono dispositivi "stupidi". In base alla frequenza dei ping, potresti persino essere in grado di dedurre quanta potenza stava usando il dispositivo stupido.

Poiché il meccanismo sarebbe semplice ed economico e non richiederebbe l'approvazione normativa per la connessione all'alimentazione di rete (UL / CE ecc.), Probabilmente qualcuno potrebbe venderli in pacchetti per un prezzo indicativo di ~ $ 5 ciascuno. Quando ne hai abbastanza (che sarebbe il punto per avere molto), un sistema di apprendimento automatico potrebbe imparare cose sulle tue abitudini: l'asciugacapelli è acceso, probabilmente sono ~ 30 minuti prima di coricarsi. La macchina del caffè è accesa, accendi la radio ... quel genere di cose. E non devi acquistare un asciugacapelli o una macchina da caffè intelligente che costa 30-40 volte tanto quanto un sensore da $ 5 solo per ottenere quei dati di utilizzo.

I radiatori dovrebbero essere una fonte di vibrazione (pilotata dalla pompa), anche se probabilmente avresti bisogno di studiare le frequenze di risonanza con molta attenzione.

È anche possibile incorporare la raccolta di energia cinetica negli interruttori , anche se potrebbe non essere il caso d'uso che stai immaginando.

L'altro lato dell'equazione è determinare quanta energia è necessaria per una trasmissione, il che ti darà alcune informazioni sulla frequenza con cui è possibile trasmettere, insieme al drenaggio di perdite / standby.

Questa è un'ottima idea per raccogliere energia dal nostro uso quotidiano di energia. Ma devi considerare che l'energia che raccogli proviene da qualche parte. Se vuoi raccogliere un po 'di calore dagli elementi riscaldanti della tua stanza, devi essere consapevole che tutto il calore convertito in elettricità tramite il tuo dispositivo non riscalda la stanza. Quindi, il riscaldamento della tua stanza dovrà consumare più elettricità se vuoi mantenere la tua stanza comoda come una volta prima di installare la tua termosifone.

• Prendi il calore dai dispositivi in ​​cui il calore viene sprecato (ovvero qualsiasi oggetto il cui ruolo principale non è quello di riscaldare, come i computer dei server come detto sopra) sembra essere più nello spirito di ciò che vuoi raggiungere.
• In stile Gaston-Lagaffe, puoi installare piccoli dispositivi su porte, scale ecc ... per creare energia ogni volta che passi. Un'idea tra le altre, puoi installare una piccola dinamo in cima alle tue scale e ogni volta che scendi afferri un cordino di nylon e corri la dinamo. Una volta sotto, lasci andare il cavo e si riavvolge. Il cavo di nylon funzionerà per circa 20 m se le tue scale sono lunghe 10 m, quindi con un buon rapporto di trasmissione e una dinamo efficiente puoi generare la quantità di energia necessaria per qualsiasi piccolo dispositivo in giro.

1. Segnali WiFi

   Dimentica di rubare il Wi-Fi del tuo vicino per navigare in Internet. Utilizzando materiali economici di tutti i giorni, i ricercatori della Pratt School of Engineering della Duke University hanno sviluppato un dispositivo straordinario in grado di convertire segnali a microonde, come quelli utilizzati per trasmettere in modalità wireless a Internet, in elettricità utilizzabile. Quindi, in futuro, potresti invece essere in grado di utilizzare la rete Wi-Fi del tuo vicino per alimentare la tua casa.

2. Campi EM da fili CA dietro la parete (se montati vicino a un filo elettrico).

   Riassunto: c'è stato un notevole interesse nella raccolta di energia per le reti di sensori wireless. È stata proposta la raccolta di energia da fonti termiche come il calore corporeo e fonti meccaniche come il movimento umano. Esistono anche sistemi di reti di sensori che raccolgono energia dalla parte visibile dello spettro elettromagnetico. Tuttavia, i livelli di luce ambientale negli ambienti interni sono in genere significativamente inferiori a quelli rilevati all'aperto e dipendono fortemente dalla natura dell'ambiente interno considerato. Recentemente, è stata proposta la sincronizzazione dell'orologio a bassa potenza utilizzando l'energia elettromagnetica che si irradia dalle linee di alimentazione CA. In questo documento, facciamo un passo avanti e proviamo a rispondere alla domanda: È possibile raccogliere energia dall'energia elettromagnetica che si irradia dalle linee di alimentazione CA e utilizzarla per far funzionare una rete di sensori wireless con un ciclo di lavoro basso? Troviamo che tale raccolta di energia appaia promettente.

1. Una cyclette / tapis roulant montato su una dinamo. Questo ti darà anche un incentivo per allenarti.
2. Invece di utilizzare il forno a microonde / forno a convezione che mangeranno nella loro funzione, puoi posizionare un piccolo camino sul luogo di cottura (anche se i vapori in fuga potrebbero rappresentare un problema).
3. Non so esattamente come, ma la gente si siede sul divano tutto il giorno. So che è energia potenziale, ma qualcosa potrebbe essere raggiunto lì.
4. L'idea della porta dalle risposte sopra è grande.
5. Piccoli mulini a vento nel patio.
6. Le celle solari (ora disponibili a basso costo) possono essere utilizzate all'esterno.
7. Più folle : usare una piccola turbina sotto la doccia / rubinetto

Un differenziale di temperatura spesso disponibile che potrebbe essere raccolto sarebbe:

la differenza tra la temperatura interna della casa e quella esterna .

Con un ambiente di vita a temperatura controllata, ci sarebbe spesso un differenziale non banale, in un modo o nell'altro. Anche senza questo, la temperatura esterna cambia spesso attraverso 24 ore, mentre cerchiamo di mantenere costanti le temperature interne - Per gran parte della giornata potrebbe esserci ancora un differenziale. So che il differenziale è minore, ma il punto è che è lì per la maggior parte del tempo.

Un enorme vantaggio di questo, mi sembra, per i sensori iOT, è che la fonte di energia è disponibile in gran parte della periferia dello spazio abitativo: soffitto, finestre, pareti, pavimento (forse).

Poi di nuovo, forse sto solo pensando che sia sensato perché vivo in Australia e abbiamo giorni sopra i 40 gradi centigradi. ;-)

Non ho fatto alcun calcolo per capire se potresti raccogliere abbastanza energia ... Ma ovviamente - Dipende da quanto ti serve.

Un aspetto positivo è che essendo un dispositivo così passivo e di forma planare, potresti probabilmente progettare qualcosa di abbastanza grande, diciamo, 6 pollici quadrati? ma comunque esteticamente gradevole per il montaggio a soffitto o parete.

Un aspetto negativo è che potresti avere giorni consecutivi in ​​cui non c'è molto differenziale - Se la temperatura esterna si aggira intorno a una temperatura ambiente confortevole.

Solo un pensiero. Saluti.

ADDENDUM: Sì, lo so che questa non è energia gratuita, ma l'OP non l'ha esplicitamente richiesto. Un problema comune con i dispositivi IoT è l'esecuzione di fili ovunque. Forse l'OP, almeno in parte, vuole solo evitarlo?

Tu.

L'essere umano medio produce 100 watt di potenza a riposo . Questo è sufficiente per alimentare circa 6 computer portatili (supponendo che la stima di 15 W per un computer portatile di fascia bassa), se è possibile convertire il 100% della potenza che si produce in energia elettrica. Certo, non possiamo sconfiggere le leggi della fisica, e inevitabilmente non puoi convertire il 100% della tua energia in elettricità; dopo tutto, hai bisogno di energia per il tuo metabolismo e le funzioni corporee.

Ci sono startup che creano feltro che genera energia dal calore corporeo (da questo possono essere generati circa 1 o 2 watt).

In alternativa, potresti utilizzare una cyclette per generare elettricità, come mostrato in questa infografica davvero bella dall'IEEE .

E, se tutto il resto fallisce, puoi sempre pedalare a mano i tuoi sensori:

^{Fonte: Wikipedia (dominio pubblico)}

Questo metodo si basa sul fatto che sei dentro (e alcuni metodi si basano sul fatto che sei effettivamente presente per azionare la pedivella / pedale / dinamo), quindi non è del tutto infallibile.

Lei menziona la generazione di elettricità dal calore. Tutti i dispositivi che trasformano l'energia termica in lavoro hanno un lato caldo e un lato freddo. L'energia massima teorica disponibile dal calore proviene dalla differenza tra quelle temperature. Ciò significa che le cose fredde sono altrettanto utili per la generazione di energia quanto le cose calde, ma farai ancora meglio se riuscirai a far avvicinare una cosa calda a una cosa fredda e a mettere in mezzo un generatore termoelettrico .

Vuoi anche stare attento a non raccogliere l'energia che stai pagando per creare. Potresti ottenere un po 'di energia tra i tubi dell'acqua calda e quelli dell'acqua fredda - ma poi stai solo facendo lavorare di più il tuo scaldabagno - potresti anche usare solo l'alimentazione di rete e pagarla direttamente.

D'altra parte, se si sfrutta il differenziale di energia tra un tubo di scarico (supponiamo che qualcuno stia facendo una doccia calda o uno scarico di pasta) e un tubo freddo, l'acqua fredda diventa leggermente più calda e l'acqua di scarico diventa leggermente più fredda - nessuna di queste è probabile che costituisca un problema (a meno che il tubo freddo specifico che stai utilizzando non venga alimentato nel tuo frigorifero).

Neve che scivola dal tetto

Questa è una risposta particolarmente a nord, ma se hai un tetto di metallo con una pendenza abbastanza ripida e ottieni una discreta quantità di neve durante l'anno, c'è un po 'di energia che viene sprecata quando viene via.

In alternativa, per le persone che ricevono meno neve durante l'anno, l'acqua piovana che esce dal tetto è un buon posto per raccogliere energia. Una dinamo elettrica può essere collegata alle tue grondaie, producendo energia ogni volta che piove.

Potrebbe anche essere collegato alla tua connessione Internet e monitorare:

1. La quantità di pioggia
2. La quantità di energia generata
3. Un confronto tra le precipitazioni previste (dalle previsioni del tempo) e le precipitazioni effettive

Potenzialmente, potresti persino avere sensori nelle grondaie per regolare la capacità di generazione della dinamo in base alla quantità di acqua che scorre attraverso.

La tua linea di terra.

Ci sono circa 48 V disponibili su qualsiasi linea di terra nella tua casa. Molti articoli cattivi su Internet su questo, anche se questo sembra essere il migliore che abbia mai visto.

La parte 68 del regolamento sulle telecomunicazioni della Federal Communications Commission degli Stati Uniti afferma che qualsiasi dispositivo che si collega alla linea telefonica e non sta comunicando attivamente deve presentare una resistenza di almeno 5 MΩ

Anche molte cucine e altri elettrodomestici hanno vibrazioni significative. Pensa alla lavastoviglie e al microonde in cucina. Lavatrice e asciugatrice. Qualsiasi componente elettronico con un motore (ventole di raffreddamento? Giradischi?) Ha probabilmente una notevole vibrazione.

Ci sono molte opzioni possibili, ma in termini di modo più semplice per raccogliere la mia lista sarebbe:

1. Energia termica catturata da elementi termoelettrici di Peltier . Gli elementi termoelettrici sono non costosi e disponibili in Europa , su Alibaba.COM e Amazon.COM .

   Si noti che nel 1930 gli elementi termoelettrici erano utilizzati nelle radio dell'URSS nelle tundre che raccoglievano energia dalle lampade al carburo .

2. L'energia solare ha oggi prodotti molto sofisticati e interessanti. Ad esempio qualcosa come SolarWindow può essere un motivatore per usarlo.

3. I polimeri piezoelettrici (scoperti nel 1880 da Pierre Curie e suo fratello) sono materiali davvero affascinanti. Da diversi anni la mia squadra gioca con tale materiale PolyPower introdotto dalla società danese Danfoss .

Una risposta leggermente oscura è "dal sensore". Creando un evento hardware guidato, è possibile migliorare potenzialmente la potenza di standby di una portata così grande che una batteria può essere considerata una parte non sostituibile dell'hardware.

Guarda questa ricerca dell'Università di Bristol, dove hanno ottimizzato un elemento di commutazione per perdite di pA. Anche se l'ho visto di passaggio prima, non ho apprezzato il valore pratico fino a quando non ho visto un video che descriveva l'ambito di utilizzo del dispositivo.