Ilman sähköä ei ole IoT:tä
Esineiden internet (internet of things, IoT) perustuu verkkoon liitettyihin laitteisiin, jotka koostuvat antureista ja mikroprosessoreista, sekä langattomiin järjestelmiin ja tietojenkäsittelyn ja tietoliikenteen protokolliin, joiden avulla ne voivat kommunikoida sekä keskenään että suurempien järjestelmien kanssa. Kaikki nämä fyysiset komponentit ja tietoliikennekomponentit tarvitsevat tietenkin jonkinlaisen teholähteen.
Kuluttajan IoT-laitteille ja järjestelmille, kuten älypuhelimille, puettaville laitteille, kodinkoneille ja multimedialaitteille sekä joillekin älykodeissa käytettäville laitteille tämä ei ole niin suuri ongelma. Näitä laitteita ei ole suuria lukumääriä henkilökohtaisessa ympäristössä, ja ne voidaan kytkeä sähköverkkoon tai niille voidaan syöttää sähköä helposti vaihdettavista paristoista tai uudelleen ladattavista akuista.
Ongelma on täysin toisenlainen teollisuuden IoT-ympäristössä, jossa lukemattomien tietoliikenneyhteyksin varustettujen laitteiden ja langattomien sähköverkkojen on tarkoitus toimia toisistaan riippumatta pitkiä aikoja vaikeapääsyisissä paikoissa tai ankarissa ympäristöolosuhteissa. Energian keräystä voidaan käyttää molemmissa tapauksissa, ja jotkut laitteet voivat myös saada sähkönsä langattomista sähköverkoista.
Näiden laitteiden kytkeminen sähköverkkoon ei useinkaan ole mahdollista tai se on hankalaa ja kallista. Paristojen vaihtaminen muutaman viikon tai kuukauden välein voi myös olla hankalaa ja kallista, tai se ei ole mahdollista sen vuoksi, että näitä laitteita käytetään lämpötilaltaan hyvin korkeissa ympäristöissä, joihin paristot eivät sovellu.
Paras ratkaisu näille laitteille on se, että ne tuottavat itse sähkönsä niin pitkälti kuin se on mahdollista keräämällä energiaa ympäristönsä energialähteistä käyttämällä energiankeräykseksi kutsuttua prosessia. Tulevaisuuden teollisuuden IoT-laitteet tuottavat sähkönsä keräämällä energiaa ympäristöstään.
Energian keräys mahdollistaa itsenäisesti sähkönsä tuottavat verkkoon liitetyt laitteet, ja se tuo verkkoliitännän mahdollisuuden aikaisemmin luoksepääsemättöminä pidettyihin paikkoihin. Se voidaan myös yhdistää sellaisiin sähkönvarastointiratkaisuihin kuin kertakäyttöiset paristot ja ladattavat akut, kondensaattorit tai superkondensaattorit, joista kullakin on omat ominaisuutensa, mikä tekee itsenäisesti sähkönsä tuottavat teollisuuden IoT-ympäristöt mahdollisiksi ja joustaviksi.
Useita energiankeräyslähteitä
Teknologiamarkkinoiden markkinatutkimus- ja liiketoimintatiedusteluyritys IDTechEx esitti laajan yleiskatsauksen IoT:lle soveltuvista kypsistä ja kehitteillä olevista energiankeräyslähteistä hiljattain pidetyssä tapahtumassa Berliinissä. Kypsiä energiankeräyslähteitä, joita voidaan käyttää nykyisissä IoT-sovelluksissa, ovat
- sähködynaamiset, kuten polkupyörän dynamo ja veivattavat laitteet, jotka voivat olla kytkettyjä varastointijärjestelmään tai ei
- valoenergiankeräysjärjestelmät, joissa energia kerätään auringosta tai infrapuna- tai ultraviolettivaloista valosähköisten (photovoltaic, PV) järjestelmien avulla (tätä käytetään laskimissa, kelloissa, IoT-majakoissa ja puettavissa laitteissa)
- lämpösähköiset, jotka perustuvat Seeback-ilmiöön, joka tarkoittaa lämpötilaeron aineeseen aiheuttamaa sähköjännitettä. Sähköä tuotetaan käyttämällä lämpösähköisiä generaattoreita (thermoelectric generator, TEG).
- pietsosähköiset, joissa energiaa kerätään tärinästä tai liikkeestä pietsosähköiseen ilmiöön perustuen (käyttö on levinnyt tähän asti laajimmalle tupakansytyttimissä, mutta tekniikalla nähdään olevan mielenkiintoisia tulevaisuudennäkymiä muuallakin).
Kehitteillä olevia energiankeräystekniikoita ovat etupäässä
- sähköstaattiset (kapasitiiviset), joissa energiaa kerätään muuttamalla kondensaattorin mittoja voiman avulla (esimerkiksi vääntämällä tai venyttämällä, kun käytetään elastomeerista eristysainetta ja venyviä elektrodeja)
- magnetostriktiiviset, joissa liike tuottaa sähköä, kun materiaalin magneettiset ominaisuudet muuttuvat mekaanisen rasituksen johdosta (Villari-ilmiö)
- hankaussähköön perustuvat, joissa energiaa tuotetaan hankauksen avulla varaamalla sähköä kontaktivarautumisen ja sähköstaattisen induktion kautta materiaaleihin, joilla on vastakkainen affiniteetti
- pyrosähköiset, joissa käytetään lämpötilanmuutoksia
- ympäristön radiotaajuiseen säteilyyn perustuvat, joissa energiaa kerätään radio- ja televisiolähetyksiin sekä matkapuhelin- ja WiFi-verkkoihin käytettäviltä radioaalloilta. Radiotaajuisen energian keräämistä käytetään RFID-laitteiden, kuten lähetin-vastaanottimien, sähkön tuottamiseen.
IEC:n kansainväliset standardit ovat keskeisiä energian keräämiselle kaikilla alueilla
Useimmat nykyisistä energiankeräys- ja varastointitekniikoista, joita käytetään IoT-laitteiden sähkönsyötössä, ovat riippuvaisia IEC:n kansainvälisistä standardeista.
Valoenergian kerääminen auringosta, infrapunasäteilystä tai ultraviolettivaloista perustuu IEC:n teknisen komitean TC 82 Solar photovoltaic energy systems kehittämiin standardeihin.
Lämpösähköisen energian kerääminen perustuu lämpösähköisiin generaattoreihin, joissa käytetään puolijohdekomponentteja. Niiden kansainväliset standardit laatii IEC TC 47 Semiconductor devices.
Monet pietsosähköisen energian keräämisen näkökohdat perustuvat teknologiaan, jolle IEC TC 49 Piezoelectric, dielectric and electrostatic devices and associated materials for frequency control, selection and detection laatii kansainvälisiä standardeja.
Energiankeruulaitteiden tuottaman sähkön varastointi perustuu IEC:n teknisten komiteoiden TC 21 Secondary cells and batteries, TC 35 Primary cells and batteries, TC 33 Power capacitors and their applications ja TC 40 Capacitors and resistors for electronic equipment tekemään standardointityöhön.
Lisäksi sellaisten hiljattain perustettujen IEC:n teknisten komiteoiden kuin TC 119 Printed electronics ja TC 124 Wearable electronic devices and technologies standardit ovat keskeisiä IoT:n kehittämisen kannalta.
Lisää suosikiksi