綠建築脫胎換骨: 無線感測器節點扮演能源採集的關鍵應用

能源採集的背景

在現今大眾環境友善的心態下,似乎一切朝綠色環保靠齊。能源採集的概念十多年前就有; 然而真要在現實環境中建置從週遭環境擷取能量的系統,至今依然是件十分繁瑣、複雜、且昂貴的任務。不過目前在一些市場中已成功實作能源採集,其中包括交通基礎設施、無線醫療裝置、胎壓感測、以及建築物自動化。拿建築物自動化系統來說,像是在場(occupancy)感測器、節溫器、甚至電燈開關,都已拿掉以往裝配時一定會用到的供電或控制線路,換成就地獵能的能量採集系統。

興建商務與住宅結構的智慧建築,必須確保能源效率結構不會使用石化燃料產生的傳統電力能源。

在商務建築方面,在建築中注入智能對於住在其中的組織至關重要,因為具有能源效率且便利的建築,不僅能降低能源成本,還能為在裡面工作的人員提供高生產力的環境。然而做出智慧建築也會有許多缺點。舉例來說,這些建築需搭配適合的基礎設施,能提供必要的回饋訊息,才能讓冷暖空調系統有效率地運作、控制燈光、以及有效運用空間。這將促使各界必須採用物聯網(IoT)去監視與控制環境,同時也將增進對替代能源的依賴,以及必須有效管理與控制它們。

 

Green Buildings Get a Boost

 

智慧建築的物聯網趨勢

智慧建築將持續顛覆人們日常活動的方式。此外,結合節約能源方面的作為,智慧建築將協助節省開支。物聯網智慧建築掀起的一些趨勢將促成這波轉型。

其中一個好例子,就是預防性維護如何運用感測器(物聯網)以及其它硬體裝置,獲得一份商業建築以及裡面所 有設備的狀態報表。這樣的回饋訊息將讓業主能及時掌握何時該進行必要的維護,不僅防範未然且確實有效。 因預防性維護時機不對而衍生出各種無法預見的問題,可以透過預防性維護的作法加以克服。

此外,員工生產力有可能因空氣品質不佳而受到負面影響。產業界針對這領域的研究,結果顯示員工在良好室內環境品質的建築工作時,所得到的效率會比在傳統建築中工作要高出10%。在這方面,物聯網裝置也可用來量測與檢查空氣品質,以及運用各種以網狀網路互連的感測器來量測大氣中的二氧化碳濃度。這些裝置都連結到建築基礎設施的所有區域,進而構成一種方法,藉以讓環境以及每個人維持健康與生產力。

另一項新趨勢預計將是在智慧建築中設置由物聯網支援的應用。其中一個例子是運用熱成像技術,讓設施管理者檢查設備是否超出運轉溫度範圍。這類異常狀況很容易偵測到,因此業主能在設備跳出正常運作模式之前進行維護。舉例來說,物聯網將改變商務設施管理者追蹤資訊、量測、以及蒐集資料的方式; 包括以往難以派遣維修人員抵達的角落。在建築物各個位置安裝感測器,就能追蹤到所有的資訊,包括那些過去無法偵測到的資訊。藉由透過物聯網互連的系統,設施管理者能取得涉及到運用這些系統的所有相關資訊。

此外,物聯網讓商界業主取得能源自足的建築。這不僅影響建築物的設計,還讓它們能環保且具資源效率。此外,這些智慧建築管理系統能從任何地點進行遠端管理,故能取代陳舊重型建築機具上的感測器,這些感測器可透過像是震動與溫度波動等跡象進行控制。顯然可見,如此一來不僅能節省可觀的能源與金錢,還能降低維護成本。

物聯網為建築物帶來的其中一項最重要的影響就是能源效率。感測器網路提供的資訊不僅能協助管理更有效率地控制其資產,還能減少環境中的有害廢棄物。實際例子包括:

  • 使用各種感測器控制溫度
  • 為控制冷暖空調設備採用的制動器
  • 像是為建築物提供完整能源自動化機制這類複雜應用
  • 考慮採用天氣預測功能來節省即時能源成本

無線感測器節點: 能源採集關鍵應用

能源採集系統其中一項關鍵應用就是建築物自動化系統中的無線電感測器。就年度數據來看,美國排名第一的能源用戶就是建築物,緊追在後的則是運輸以及工業部門。

運用能源採集技巧的無線網路,能連結建築物裡任何數量的感測器,當建築物或房間沒人在時,針對這些沒有用到的區域適時調整溫度或關掉電燈,藉以降低空調與電力成本。此外,能源採集電子元件的成本,通常低於供電線路的佈線成本,也低於定期維護更換電池的成本,因此運用採集能源技巧明顯有經濟效益。

不過,若是每個節點都需要自己連接外部電源,那麼無線感測器網路的許多優點就會消失殆盡。就算是電源管理技術的持續發展讓電子電路在用相同供電下能運作得更長,但終究也有極限,而能源採集則提供補足的機制。能源採集能為無線感測器節點提供電力,方法是把附近環境能源轉換成可利用的供電能源。環境能源包括光線、溫差、機械震動、發送射頻訊號、或任何能透過換能器(transducer)產生電荷的來源。這些能源遍布在我們身邊四周,透過適合的換能器就能轉換成電力,其中包括利用溫差的熱溫發電晶片(TEG); 利用震動的壓電元件; 利用陽光(或室內光線)的光伏電池; 甚至是利用溼氣的電流能源元件。這些所謂 "免費"能源可運用在自主供電的電子元件以及系統。

由於整組無線感測器節點現在能在微瓦特等級的平均功率下運作,因此用非傳統電源為其供電也變得可行。而這也促成了能源採集的作法,若是要為系統中電池充電/補充/更換電池的流程不方便/不可行/所費不貲/或危險,這些情況就適合換用能源採集。此外,能源採集也省去透過線路傳送電力或資料。

典型的能源採集組態或無線感測器節點(WSN)包含4個模塊,如圖1所示。其中包括:

  • 環境能源來源
  • 換能器元件以及電力轉換電路,為下游電子元件供電
  • 感測元件,負責將節點連結到實體世界; 以及運算元件,包含微處理器或微控制器,負責處理量測資料以及把資料儲存在記憶體
  • 通訊元件,包含短距無線電,負責與鄰近節點以及外界進行無線通訊

環境能源的例子包括TEG(或熱電堆),連結到像是冷暖空調設備管道的熱源; 或是連到窗戶玻璃等機械震動源的壓電元件。在熱源的例子中,一個緊湊的熱電元件能把微幅的溫差轉換成電能。而在機械震動或變形的例子中,可用壓電元件將這些機械力轉換成電能。

在產生電能後,可以由能源採集電路加以轉換並調節成適合的形態以便為下游電子元件供電。因此可透過微處理器喚醒感測器去執行讀取或量測,以及用類比數位轉換器(ADC)來操控感測器,再透過超低功耗的無線收發器進行傳輸。

The main blocks of a typical energy harvesting system

圖1. 典型能源採集系統的主要模塊

當然,能源採集來源提供的電能取決於來源延續的時間。因此,比較擷取能源的主要標準為能量密度(power density),而不是能源密度(energy density)。能源採集通常受限於偏低、變動、且無法預測的可用能量,因此一般會採用混合式結構,透過介面連結到採集元件以及一個次級儲電元件。採集器(harvester)由於具有無限能源供應以及能量的有限性,因此扮演系統的能源來源角色。次級能量儲存元件,包括電池或電容,能產生較高的輸出功率,但儲存的能源比較少,能在需要時供應電力,但須定時從採集器接收電荷。因此,在沒有環境能源可供採集時,次級儲電元件就必須用來為WSN供電。

成功設計完全自足的無線感測系統,必須有省電微控制器與換能器,這些元件必須從低能源環境中獵能,並盡可能減少消耗的電量。現有的這類能源採集模塊如圖1所示。它們通常包含低效能的分立組態,一般有30個或更多數量的元件。這樣的設計會有較低的轉換效率以及偏高的靜態電流。而這些缺陷也導致終端系統的效能不彰。

由於高靜態電流限制了能源採集來源的輸出低限,因此必須先克服本身運行所需電流的問題,然後才把剩下的電力傳到輸出端。在這方面,ADI的Power by LinearTM (PbL)產品能提供更上一層樓的效能與簡易性。

能源採集範例

LTC3109是一款高度整合的直流對直流轉換器與電源管理器。它能從各種極低的輸入電壓源,像是TEG、熱電堆、甚至小型太陽能電池等電壓源採集與管理多餘的能源。它的獨特專利自動極性(autopolarity)拓撲讓它能在低到30mV的輸入電源下工作,且不受極性限制。

圖2顯示的電路採用兩個緊湊升壓變壓器,提高從輸入電壓源送到LTC3109的電壓,這使得LTC3109能為無線感測以及資料擷取等應用提供完整的電源管理解決方案。它能從極小溫差採集能量,然後產生系統所需的電力,無需使用傳統電池供電。

An LTC3109 typical application schematic

圖2. LTC3109典型應用的電路圖

每個變壓器的次級繞組所產生的交流電壓,會透過外部電荷泵浦電容以及LTC3109內部的整流器進行升壓與整流。這個整流電路會把電流饋送到VAUX針腳,藉以為外部VAU電容以及其他輸出端提供電荷。內部2.2伏 低壓降穩壓器能支援低功耗處理器或其他低功耗IC。

總結

全球各地都欠缺類比交換電源設計的專業技術,以致一直很難為綠建築設計有效的能源採集系統。其中一項主要障礙就是涉及遠端無線感測的電源管理。不過像LTC3109這樣的產品能從幾乎任何熱源採集到能量,因而讓系統開發業者能利用從能源採集技術獲取的電源。這不僅減少石化燃料的使用,還能協助目前與未來世代建造更環保的建築環境。