Где я могу собирать энергию в своем доме для питания беспроводных датчиков?

Я читал эту статью «Пять стандартных блоков беспроводных сенсорных узлов с автономным питанием» (опубликованную на Meta ) о сборе энергии в IoT.

В нем перечислены несколько источников энергии, которые можно использовать, например:

• термальная энергия
• энергия вибрации

Я планирую реализовать некоторые прототипы, собирающие устройства, чтобы изучить возможности. Чтобы получить некоторые экспериментальные данные о том, сколько энергии можно собрать в моем доме. В настоящее время я пытаюсь определить возможные места в моем доме, где эти энергетические комбайны могут быть размещены и эффективно использованы.

Что я думаю о:

• Возможно, к стиральной машине в ванной комнате можно подключить вибрационный энергетический комбайн . Рискованная среда, так как влажность может быть довольно высокой, поэтому необходима соответствующая защита.
• Теплоэнергетический комбайн можно разместить рядом с духовкой на кухне.
• Теплоэнергетические комбайны могут быть размещены рядом с нагревательными элементами в спальнях.

Какие другие части квартиры я должен разместить дополнительные комбайны для экспериментов?

Так, например, может ли микроволновая печь быть возможным источником или другим часто используемым кухонным оборудованием?

У меня есть электрический бойлер над моей ванной комнатой (внутри квартиры), так что, возможно, трубы для горячей воды, спускающиеся в ванную, также являются хорошими источниками.

Что еще может быть там? Есть ли еще возможности для сбора энергии вибрации в доме?

ДВЕРИ !!!

Я не знаю, входит ли это в сферу вашего вопроса, но вы не можете себе представить потерянную энергию открытия / закрытия двери!

Французский комикс по имени Гастон Лагафф, написанный в 1970 году, представил человека, который собирал энергию открывающейся двери, чтобы нажать апельсины, напечатать картинку, приготовить кофе, ...

РЕДАКТИРОВАТЬ , благодаря комментарию Оливье Дюлак я смог найти полосу без необходимости читать всю мою коллекцию Гастон! Перевод, если от меня, но я не могу перевести последнюю картину, это французская игра слов о том, что мы расстроены, когда мы злимся.

Чтобы оставаться в рамках вашего вопроса, я думаю о некоторых сценариях:

• Footsteps? Наслаждайтесь вибрацией с табличкой, на которой люди больше всего ходят: вход, где вы кладете пальто, возле игрового поля Kinect.
• Компьютеры, серверы: собирать тепло.
• Сделайте наружный котел, используя панели крыши с горячей водой (конечно, вам нужно согласие вашего арендодателя) и соберите тепло.
• Есть зарядка обуви!

Солнечная энергия даже в помещении является альтернативой для сбора тепловой и вибрационной энергии. В этой фотоэлектрической установке используется как естественный, так и искусственный свет.

О возможности сбора энергии внутреннего освещения для беспроводных сенсорных сетей (Карлос Карвалью и Нуно Паулино) обсуждается сбор энергии внутреннего освещения ослабленным естественным освещением. Авторы описывают питание маломощного беспроводного сенсорного узла со средним уровнем мощности 11,51 мкВт. Этот низкий средний уровень мощности достигается благодаря очень низкому рабочему циклу системы, выполняющей только одну передачу в час.

Определение размеров сборщиков солнечной энергии для беспроводных сенсорных сетей (Murata Application Note M1002) сравнивает различные источники энергии:

Очевидно, что использование внешнего освещения в помещении дает более низкую отдачу, чем в других источниках, однако оно может работать в определенных случаях использования.

Имея так много ценных ответов на мой вопрос, я также провел дальнейшее исследование по этой теме.

Я нашел дополнительное решение для уборки урожая, а также отличный эталонный дизайн беспроводного сенсорного узла, работающего от солнечной энергии, без использования батареи.

Сначала дополнительный метод от Texas Instruments, который называется техникой уборки радиочастотных переключателей . (Видео стоит посмотреть, часть радиочастотного переключателя начинается в 2:29.) В его основе лежит магнитный переключатель, структуру которого можно увидеть на изображении ниже.

На рисунке здесь красным цветом показана часть переключателя, которую пользователь нажимает. У нас внутри магнит с двумя полюсами. И это создает магнитное поле через этот сердечник обратно к другому полюсу.

Когда пользователь нажимает на переключатель, вы можете увидеть изменения поля. Это идет в противоположном направлении через ядро. И мы знаем из уравнений Максвелла, что это изменение магнитного поля через эти обмотки будет производить ток. Это энергия, которую мы можем собирать и использовать.

Переключатель вырабатывает переменный ток, который необходимо преобразовать в постоянный ток, который может заряжать конденсатор. Затем энергия, накопленная в конденсаторе, может использоваться для питания беспроводного микроконтроллера с низким энергопотреблением.

TI действительно поняла это, и они смогли обеспечить достаточное количество энергии для беспроводного MCU на 21 миллисекунду.

Эталонный дизайн представляет собой Solar Dice, которая может передавать данные акселерометра по беспроводной связи на смартфон. Решение не использует батарею и довольно компактно. Стоит прочитать или просмотреть предоставленные тестовые данные , схемы и другие документы.

У меня была идея, которую я выброшу здесь ...

Кажется, должно быть возможно иметь маленькое устройство, которое вы просто оборачиваете шнуром питания от сети несколько раз (или оборачиваете устройство вокруг шнура питания, я не уверен, какое именно). Когда «ведущее» устройство включено и ток течет, «паразит» на шнуре питания станет источником питания - очевидно, немного. Но, возможно, этого достаточно, чтобы периодически отправлять беспроводной «пинг» с идентификатором (например, MAC-адресом) какому-либо получателю. Это даст вам датчик, который будет сообщать вам всякий раз, когда «немые» устройства включаются. Основываясь на частоте пингов, вы можете даже определить, сколько энергии использовало немое устройство.

Поскольку механизм был бы простым и недорогим, и для него не требовалось бы одобрения регулирующего органа для подключения к электросети (UL / CE и т. Д.), Возможно, кто-то мог бы продавать их в упаковках по целевой цене ~ 5 долларов за штуку. Когда вы получаете их достаточно (а это было бы очень полезно), система машинного обучения могла бы кое-что узнать о ваших привычках: фен включен, вероятно, ~ 30 минут ко сну. Кофеварка включена, включи радио ... все такое. И вам не нужно покупать умный фен или кофемашину, которая стоит в 30-40 раз дороже сенсора в 5 долларов, чтобы получить эти данные об использовании.

Радиаторы должны быть источником вибрации (управляемой насосом), хотя вам, вероятно, придется исследовать резонансные частоты довольно тщательно.

Также возможно встроить сбор кинетической энергии в коммутаторы , хотя это может быть не совсем тот случай, который вы себе представляете.

Другая сторона уравнения определяет, сколько энергии вам требуется для передачи, что даст вам некоторую информацию о том, как часто можно передавать, вместе с вашей утечкой / резервной утечкой.

Это отличная идея для сбора энергии от нашего ежедневного использования энергии. Но вы должны учитывать, что энергия, которую вы собираете, приходит откуда-то. Если вы хотите получать тепло от нагревательных элементов вашей комнаты, вы должны знать, что все тепло, преобразованное в электричество через ваше устройство, не будет обогревать помещение. Таким образом, обогреватель вашей комнаты должен будет потреблять больше электроэнергии, если вы хотите, чтобы ваша комната была такой же удобной, какой она была до установки вашего жатки.

• Отбор тепла от устройств, где тепло расходуется впустую (т. Е. Любой объект, главная роль которого не в нагревании, например компьютеры серверов, как указано выше), кажется, больше соответствует духу того, чего вы хотите достичь.
• В стиле Gaston-Lagaffe вы можете устанавливать небольшие устройства на дверях, лестницах и т. Д., Чтобы создавать энергию каждый раз, когда вы проходите мимо. Идея среди других, вы можете установить небольшое динамо на вершине своей лестницы, и каждый раз, когда вы спускаетесь, вы берете нейлоновый шнур и запускаете динамо. Спустившись вниз, вы отпускаете шнур, и он перематывается. Нейлоновый шнур будет работать около 20 м, если ваша лестница длиной 10 м, поэтому с хорошим передаточным числом и эффективным динамо вы можете генерировать количество энергии, необходимое для любого небольшого устройства вокруг.

1. WiFi сигналы

   Забудьте о краже Wi-Fi вашего соседа для серфинга в Интернете. Используя дешевые повседневные материалы, исследователи из Университета Дьюка в Праттской школе инженерии разработали замечательное устройство, которое может преобразовывать микроволновые сигналы, подобные тем, которые используются для беспроводной передачи интернета, в полезное электричество. Так что в будущем вы, возможно, сможете использовать сеть Wi-Fi вашего соседа для питания вашего дома.

2. ЭМ-поля от проводов переменного тока за стеной (если они установлены рядом с электрическим проводом).

   Аннотация - Был отмечен значительный интерес к сбору энергии для беспроводных сенсорных сетей. Было предложено собирать энергию от источников тепла, таких как тепло тела, и механических источников, таких как движение человека. Существуют также системы сенсорных сетей, которые собирают энергию из видимой части электромагнитного спектра. Тем не менее, уровни окружающего освещения в помещениях обычно значительно ниже, чем на открытом воздухе, и сильно зависят от рассматриваемой среды. Недавно была предложена тактовая синхронизация малой мощности с использованием электромагнитной энергии, излучаемой от линий электропередач переменного тока. В этой статье мы идем на шаг вперед и пытаемся ответить на вопрос: Можно ли получать энергию от электромагнитной энергии, излучаемой линиями электропередач переменного тока, и использовать ее для работы беспроводной сенсорной сети с низким коэффициентом заполнения? Мы находим, что такой сбор энергии выглядит многообещающим.

1. Велотренажер / беговая дорожка, прикрепленная к динамо. Это также даст вам стимул для тренировки.
2. Вместо того, чтобы использовать микроволновую печь / конвекционную печь, которая будет питать их функции, вы можете поставить небольшую трубу над местом для приготовления пищи (хотя выход паров может представлять проблему).
3. Я точно не знаю как, но люди сидят на диване весь день. Я знаю, что это потенциальная энергия, но чего-то там можно достичь.
4. Идея двери из приведенных выше ответов великолепна.
5. Крошечные ветряные мельницы в патио.
6. Солнечные батареи (доступны по дешевке сейчас) можно использовать снаружи.
7. Сумасшедший : использование маленькой турбины под душем / краном

Один часто доступный перепад температур, который может быть собран:

разница между внутренней температурой дома и внешней .

В среде с контролируемой температурой часто бывает нетривиальный дифференциал, так или иначе. Даже без этого внешняя температура часто меняется в течение 24 часов, в то время как мы пытаемся поддерживать постоянную внутреннюю температуру - большую часть дня все еще может быть разница. Я знаю, что разница незначительна, но дело в том, что она существует довольно много времени.

Огромное преимущество этого, как мне кажется, для датчиков iOT, заключается в том, что источник энергии доступен на большей части периферии жилого пространства - потолка, окон, стен, пола (возможно).

Опять же, может быть, я только думаю, что это разумно, потому что я живу в Австралии, и у нас дни выше 40 градусов по Цельсию. ;-)

Я не делал никаких расчетов, чтобы выяснить, сможешь ли ты собрать достаточно энергии ... Но очевидно - зависит от того, сколько тебе нужно.

Одним из преимуществ является то, что, будучи таким пассивным устройством плоской формы, вы, вероятно, могли бы создать что-то довольно большое, скажем, квадрат 6 дюймов? но все же эстетически приятен для потолочного или настенного монтажа.

Одним из недостатков является то, что вы можете получать дни подряд, когда нет большой разницы - если внешняя температура колеблется вокруг комфортной комнатной температуры.

Просто мысль. Приветствия.

ДОБАВЛЕНИЕ: Да, я знаю, что это не бесплатная энергия, но ОП явно не просила об этом. Общая проблема с IoT-устройствами - это повсеместное использование проводов. Возможно, ОП, хотя бы частично, просто хочет этого избежать?

Вы.

Средний человек производит 100 ватт в состоянии покоя . Этого достаточно для питания около 6 ноутбуков (при расчете 15 Вт для ноутбука младшего класса), если вы можете преобразовать 100% производимой вами энергии в электроэнергию. Конечно, мы не можем победить законы физики, и вы неизбежно не сможете преобразовать 100% своей энергии в электричество; в конце концов, вам нужна энергия для вашего обмена веществ и функций организма.

Существуют стартапы, которые создают войлок, который вырабатывает энергию из вашего тела (приблизительно 1 или 2 Вт могут быть получены из этого).

Кроме того, вы можете использовать велотренажер для выработки электроэнергии, как показано в этой действительно хорошей инфографике IEEE .

И, если ничего не помогает, вы всегда можете вручную включить сенсоры:

^{Источник: Википедия (общественное достояние)}

Этот метод основан на том, что вы находитесь внутри (а некоторые методы полагаются на то, что вы действительно присутствуете для управления рукояткой / педалью / динамо), поэтому он не полностью защищен от ошибок.

Вы упоминаете, что производили электричество из тепла. Все устройства, которые превращают тепловую энергию в работу, имеют горячую сторону и холодную сторону. Теоретическая максимальная энергия, получаемая от тепла, определяется разностью этих температур. Это означает, что холодные вещи так же хороши для генерации энергии, как и горячие, но вы сделаете еще лучше, если вы сможете поднять горячую вещь очень близко к холодной и поставить между ними термоэлектрический генератор .

Вы также хотите быть осторожными, чтобы не собирать энергию, которую платите за создание. Вы могли бы получить некоторую энергию между трубами горячей воды и трубами холодной воды - но тогда вы просто заставляете свой водонагреватель работать тяжелее - можно было бы просто использовать питание от сети и оплачивать его напрямую.

С другой стороны, если вы используете разность энергий между трубой для сточных вод (предположим, что кто-то принимает горячий душ или сливает макароны) и холодной трубой, то ваша холодная вода становится немного теплее, а ваша сточная вода становится немного прохладнее - ни один из них Скорее всего, это проблема (если только конкретная холодная труба, которую вы используете, подается в холодильник).

Снег сползает с крыши

Это особенно северный ответ, но если у вас есть металлическая крыша с довольно крутым уклоном, и вы получаете приличное количество снега в год, при сползании с него теряется много энергии.

Кроме того, для людей, которые получают меньше снега в год, дождевая вода, которая сходит с крыши, является хорошим местом для сбора энергии. Электрический динамо может быть подключен к вашим желобам, производя энергию каждый раз, когда идет дождь.

Он также может быть подключен к вашему интернет-соединению и монитору:

1. Количество осадков
2. Количество произведенной энергии
3. Сравнение ожидаемого количества осадков (из прогноза погоды) и фактического количества осадков

Потенциально, вы могли бы даже иметь датчики в желобах, чтобы регулировать мощность генерации динамо в зависимости от количества протекающей воды.

Ваша наземная линия.

На любой линии в вашем доме имеется около 48 Вольт. Много плохих статей в Интернете об этом, хотя это , кажется, лучшее , что я видел.

В части 68 правил Федеральной комиссии по связи США в области электросвязи говорится, что любое устройство, которое подключается к телефонной линии и не осуществляет активный обмен данными, должно иметь сопротивление не менее 5 МОм.

Многие кухонные и другие бытовые приборы также имеют значительные вибрации. Подумайте, посудомоечная машина и микроволновая печь на кухне. Стиральная машина и сушилки. Любая электроника с двигателем (охлаждающие вентиляторы? Вертушки?), Вероятно, имеет заметную вибрацию.

Есть много возможных вариантов, но с точки зрения простоты сбора мой список будет:

1. Тепловая энергия улавливается термоэлектрическими элементами Пельтье . Термоэлектрические элементы являются недорогими и доступны в Европе , на Alibaba.COM и Amazon.COM .

   Обратите внимание, что еще в 1930 году термоэлектрические элементы использовались в радиостанциях в СССР в тундрах, собирающих энергию из карбидных ламп .

2. Солнечная энергия в настоящее время имеет очень сложные и крутые продукты. Например, что-то вроде SolarWindow может быть мотиватором для его использования.

3. Пьезоэлектрические (открытые в 1880 году Пьером Кюри и его братом) полимеры являются действительно захватывающими материалами. В течение нескольких лет моя команда играет с таким материалом PolyPower, представленным датской компанией Danfoss .

Немного неясный ответ «от датчика». Создавая аппаратное управление событиями, вы потенциально можете улучшить энергопотребление в режиме ожидания на такую ​​большую величину, что батарею можно рассматривать как незаменимую часть вашего оборудования.

Смотрите это исследование из Университета Бристоля, где они оптимизировали переключающий элемент для утечки pA. Несмотря на то, что я уже видел это раньше, я не оценил практическую ценность до просмотра видео, в котором описывались возможности использования устройства.