Budovy se barví na zeleno. Energii zde budou sbírat bezdrátová čidla

Vypadá to, že v současném ekologickém přístupu, přátelském k naší planetě, se všechno „zbarvuje na zeleno“. Koncept sběru energie z okolního prostředí zde existuje již přes deset let, nicméně implementace takto napájených systémů znamenala dříve v reálných podmínkách komplikace, byla složitá a také nákladná. Přesto zde máme příklady, kdy sběr energie zaznamenal úspěch – dopravní infrastrukturu, bezdrátová zařízení v medicíně, snímání tlaku v pneumatikách a také automatizaci budov. Třeba u posledně zmiňovaných systémů pak senzory sledující obsazenost, termostaty, a dokonce i spínače světel dokázaly vyloučit potřebu vodičů pro napájení či řízení, které zde jinak bývaly běžné, a použít místo toho lokální systémy sběru energie.

Pojetí chytrých budov, a to jak těch komerčních, tak i obytných, které budou šetřit energii, se kromě toho stává nezbytným předpokladem k tomu, aby energeticky šetrné stavby neplýtvaly tradičními zdroji využívajícími fosilních paliv.

V případě komerčních staveb může být zmíněná „chytrost“ rozhodující také pro organizaci, která je obývá. Využívat budovu, která bude energeticky šetrná a efektivní, totiž znamená další snižování nákladů, zatímco zde pracovníkům poskytujeme prostředí zvyšující jejich produktivitu. S tím vším ale budou spojeny i některé stinné stránky. Zmíněné stavby budou např. vyžadovat infrastrukturu poskytující nezbytnou zpětnou vazbu s cílem umožnit efektivní činnost systémů zajišťujících topení, resp. chlazení, řízení světel nebo též samotné využívání prostoru. S největší pravděpodobností si tak při monitorování a řízení vynutí nasazení internetu věcí (IoT) a budou zvyšovat i svou závislost na alternativních zdrojích energie, kdy je zapotřebí vše efektivně spravovat a také řídit.

Chytré budovy a trendy ze světa IoT

Způsob, jakým lidé vykonávají své každodenní činnosti, budou chytré budovy neustále přetvářet. Vedle úspory energie navíc pomůžou ušetřit i peníze. Svou podobu zde již získávají některé z trendů IoT, které takovou změnu v oblasti chytrých budov umožňují.

Hezkým příkladem se stává způsob, jak v rámci prediktivní údržby využít snímače (IoT) a další hardwarové prvky k nahlášení stavu komerčních budov i veškerého jejich vybavení. Taková zpětná vazba pak umožňuje včas a také efektivním způsobem naplánovat jakoukoli nevyhnutelnou údržbu. Nepředvídané problémy, které se obvykle vynoří teprve na základě preventivního plánu údržby, lze proto zdolat právě na základě prediktivního přístupu.

Ale nejen to. Produktivitu zaměstnanců dokáže např. neblaze ovlivnit kvalita vzduchu. Výzkumy v této oblasti ukázaly, že pracovníci jsou v zaměstnání o deset procent efektivnější, budou-li oproti tradičnějším zástavbám pracovat v budovách, které mají kvalitu svého vnitřního prostředí na dobré úrovni. A tím se opět dostáváme k zařízením internetu věcí, sloužícím nyní k měření a kontrole kvality vzduchu, stejně jako úrovní oxidu uhličitého, na základě různých čidel, které se stávají součástí sítě mesh. Zmíněná zařízení se z pohledu budov a jejich infrastruktury nachází ve všech jejich oblastech. Představují tak způsob, jak zde pro každého zajistit zdravé prostředí vedoucí k produktivitě.

Jiným novým trendem, u kterého se v chytrých budovách očekává jeho další rozvoj, bude použití podpůrných aplikací IoT. Lze to hezky ilustrovat na teplotním zobrazování s cílem umožnit zodpovědným pracovníkům v podniku ověřit, zda dané zařízení nevybočuje ze svého provozního rozsahu teplot. Něco takového lze snadno zjistit, takže údržbu pak vykonáme ještě předtím, než zařízení přeruší svou běžnou činnost. Internet věcí zde kupříkladu změní způsob, jakým vedoucí v obchodních podnicích sledují informace, měří a také sbírají data. Zahrnuje to rovněž nedostupná místa, ke kterým jsme se v minulosti dostávali jen s obtížemi. Senzory rozmístěné v různých částech budov mají totiž přístup ke všem informacím, které dříve nebývaly vůbec k dispozici. Díky systémům IoT zajišťujícím vzájemné propojení se pak veškerá relevantní data dostávají až k vedení.

Pro vlastníky zde kromě toho internet věcí umožňuje vznik energeticky vyvážených budov. Ovlivňuje to jejich koncept a dovoluje, aby se staly tzv. „eco-friendly“ a efektivně nakládaly se zdroji. Zmíněné systémy pro řízení inteligentních budov je navíc možné ovládat z libovolného místa a nahradit přitom zastaralé konstrukční vybavení s čidly a možností řízení na základě ukazatelů, jako jsou vibrace nebo výkyvy teploty. Pochopitelně tím ušetříme spoustu energie a také peněz, zatímco dále snižujeme náklady spojené s údržbou.

Jeden z nejzávažnějších vlivů, které může internet věcí ve stavebnictví mít, se konečně pojí s energetickou účinností. Sítě senzorů zde poskytují informace, které vedoucím pracovníkům pomáhají spravovat jejich majetek ještě efektivněji, zatímco se dále omezuje zbytečné plýtvání. Jako příklad si uveďme

– nasazení senzorů pro účely řízení teploty,

– použití akčních členů při ovládání systémů HVAC,

– komplexní aplikace spojené s automatizací budov a kompletní správou energií nebo

– zvážení předpovědi počasí s cílem šetřit náklady na energie v reálném čase.

Bezdrátové snímače: klíčový je sběr energie

Klíčovou aplikací systémů sběru energie se v oblasti automatizace budov stávají senzory vybavené bezdrátovým rozhraním. Ve Spojených státech budou každým rokem odběratelem energie číslo jedna právě budovy, těsně následované dopravou a průmyslem.

Bezdrátová síť využívající možností sběru energie dokáže společně propojit jakýkoli počet snímačů a v budovách tím přispět ke snižování nákladů spojených se systémy HVAC a odběrem elektřiny. Bude totiž možné přizpůsobit teplotu nebo v nevyužívaných místech vypnout světla, jsou-li objekt či jeho pokoje prázdné. Náklady na elektroniku zajišťující sběr energie bývají kromě toho často nižší, než je tomu u samotného přivedení napájecích vodičů, resp. rutinních postupů spojených s výměnou baterií, takže zde máme jasně dané i ekonomické hledisko.

Spousta výhod bezdrátových sítí s čidly se každopádně rozplyne, bude-li každý z prvků vyžadovat svůj vlastní, vnější zdroj energie. Přestože neustálý vývoj systémů pro řízení napájení umožnil elektronickým obvodům pracovat z daného zdroje napájení po delší dobu, stále zde existují určité limity a sběr energie představuje doplňkové řešení, tedy prostředek k napájení bezdrátových senzorů na základě konverze lokálně dostupné energie z okolí na využitelnou energii elektrickou. Zdroje okolní energie přitom zahrnují světlo, teplotní rozdíly, mechanické vibrace, vysílané vf signály, resp. jakýkoli další zdroj, který dokáže prostřednictvím vhodného převodníku produkovat elektrický náboj. Zmíněné zdroje energie jsou všechny okolo nás a na elektrickou energii je lze převádět např. s termoelektrickým generátorem TEG pro případ rozdílů teploty, piezoelektrickým prvkem u vibrací či fotovoltaickým článkem za předpokladu slunečního svitu (příp. osvětlení uvnitř budov). Dokonce lze uvažovat i energii načerpanou díky vlhkosti. Takové, řekněme „zdarma dostupné“ zdroje energie je nyní možné použít k samostatnému napájení elektronických součástek a systémů.

Napájení z netradičních zdrojů je v případě zcela bezdrátových snímačů schopných v současné době pracovat s průměrnou spotřebou v řádu mikrowattů určitě proveditelné. Vývojáři tak mají k dispozici systémy sběru energie poskytující výkon potřebný k nabíjení či dalšímu rozšiřování. V systémech, kde použití baterií není na místě, bylo by to nepraktické, nákladné nebo také nebezpečné, je pak bude možné i nahradit. Můžeme se rovněž vyhnout vodičům, které by jinak řešily otázku napájení nebo též přenos dat.

Typickou sestavu systému využívajícího sběru energie, resp. bezdrátového snímače WSN (Wireless Sensor Node), tvoří čtyři části – viz také znázornění na obr. 1. Jedná se o:

– zdroje okolní energie,

– převodník (transducer) s obvodem pro konverzi napájení pro připojenou elektroniku,

– snímací prvek spojující daný uzel s okolním světem a výpočetní prvek – mikroprocesor či mikrokontrolér, který měřené údaje zpracovává a ukládá v paměti plus

– komunikační blok zahrnující vf rozhraní pro bezdrátovou komunikaci na krátké vzdálenosti, pokud jde o sousední uzly a také „vnější“ svět.

Zdroje okolní energie si můžeme ilustrovat na příkladu TEG či infratermočláncích provázaných se zdroji generujícími teplo, jako jsou trubky v systému HVAC, či piezoelektrickém převodníku spojeném se zdrojem mechanických vibrací (okenní tabule). V případě tepelného zdroje pak může kompaktní termoelektrická součástka převádět malé teplotní rozdíly na elektrickou energii. Pokud zase uvážíme mechanické vibrace či namáhání, uplatní se piezoelektrický prvek.

Jakmile je elektrická energie vyrobena, lze ji obvodem pro sběr energie převést a upravit do použitelné podoby, takže bude možné připojenou elektroniku i napájet. Mikroprocesor tak může nyní probouzet čidlo a obdržet údaje, resp. měření, které je následně zpracováno analogově-číslicovým převodníkem ADC pro účely přenosu prostřednictvím bezdrátového transceiveru s mimořádně nízkou spotřebou energie.

Množství energie zajišťované zdrojem pro její sběr bude pochopitelně odpovídat tomu, jak dlouho je takový zdroj v činnosti. Primární metrikou při srovnávání jinak nevyužívaných zdrojů se tudíž stává hustota výkonu, nikoli hustota energie. Systém sběru energie se musí obvykle vypořádat s malými, proměnlivými a také nepředvídatelnými úrovněmi dostupného výkonu, takže je často zapotřebí doplnit hybridní strukturu zajišťující rozhraní mezi sběrem a sekundárním úložištěm. „Harvester“ se díky své neomezené dodávce energie a nedostatku výkonu stává v rámci systému zdrojem energie. Sekundární úložiště, ať již jako baterie, nebo kondenzátor, poté přináší vyšší výstupní výkon, nicméně ukládá méně energie a dodává výkon, když je to zapotřebí, ale jinak běžně ze strany vstupu získává náboj. Takže v situacích, kdy v okolí není k dispozici žádná energie, ze které bychom zajistili napájení, musíme pro senzor WSN použít sekundární úložiště.

Úspěšný návrh zcela soběstačného systému bezdrátového snímače vyžaduje snadno dostupné a úsporné mikrokontroléry společně s převodníky, které v „nízkoenergetickém“ prostředí samy spotřebovávají minimum elektrické energie. Stávající provedení opět plyne z blokového diagramu znázorněného na obr. 1. Zpravidla se bude jednat o „slabší“ diskrétní řešení zahrnující běžně třicet součástek nebo ještě více. Takové návrhy však mívají nižší účinnost konverze a vyšší klidové odběry. Zmíněné nedostatky pak u koncového systému vedou ke kompromisům.

Obr. 1  Klíčové bloky u typického systému sběru energie z okolního prostředí

Vzhledem k vysokým klidovým odběrům a způsobu, jak omezují výstup zdroje sbírajícího energii ze svého okolí, se musí návrh nejprve vypořádat s proudovými úrovněmi nezbytnými k jeho vlastní činnosti, tzn. dříve, než může systém na výstupu vůbec něco zajišťovat. A přesně to je prostor pro řešení Power by Linear™ (PbL) od ADI a také jeho nové úrovně výkonnosti, včetně možností jednoduchého návrhu.

Sběr energie na příkladu

Obvod LTC3109 [1] je DC/DC měničem a prvkem pro řízení napájení s vysokou mírou integrace. Dokáže zde sbírat a spravovat přebytek energie ze zdrojů znamenajících mimořádně nízké vstupní napětí, jako jsou TEG, infratermočlánky, a dokonce i malé solární panely. Díky své jedinečné chráněné topologii umožňuje činnost se zdroji na úrovni pouhých 30 mV, bez ohledu na polaritu.

Zapojení na obr. 2 využije dvou kompaktních transformátorů ke zvyšování vstupního napětí pro obvod LTC3109, který následně zajišťuje kompletní řešení řízení napájení pro systém bezdrátového snímání a sběru dat. Dokáže zde těžit z malých teplotních rozdílů a vyrábět přitom systémové napájení místo klasického bateriového zdroje.

Obr. 2  Schéma zapojení s obvodem LTC3109 v jeho obvyklé aplikaci

Střídavé napětí vyráběné na sekundárním vinutí každého transformátoru je zvýšeno a usměrněno s přispěním vnější kapacity nábojové pumpy a bloků usměrňovače, které budou součástí obvodu LTC3109. Po usměrnění již poteče proud vývodem VAUX, takže bude možné nabíjet vnější kondenzátor CAUX a potažmo obsloužit i další výstupy. Díky internímu lineárnímu stabilizátoru 2,2 V lze napájet nízkopříkonový procesor nebo i jiné integrované obvody s malou vlastní spotřebou.

Závěr

Znalost návrhu analogového spínaného zdroje napájení ve světě efektivně pracujících systémů založených na sběru energie z okolního prostředí při použití v „zelených“ budovách sama o sobě nestačí. Jedna ze základních překážek se dotýkala řízení napájení spojeného s bezdrátově řešeným snímáním na dálku. Každopádně s integrovanými obvody, jako je LTC3109, bude možné vytěžit energii prakticky z jakéhokoli tepelného zdroje a umožnit přitom vývojářům nasadit na pozici zdroje napájení systém sbírající energii z okolního prostředí. Omezíme tím nejen spotřebu fosilních paliv, ale napomůžeme též i vzniku zdravějšího prostředí v budovách. Pro současnou, ale také budoucí generaci.

Odkazy:

[1] Integrované obvody LTC3109, https://www.analog.com/LTC3109