Zöld épületek lendületben

Vezeték nélküli érzékelő-csomópontok – Wireless Sensor Nodes

Úgy tűnik, hogy a mai környezettudatos és bolygónkat féltő gondolkodásmódban hamarosan minden zölddé válhat. Az energiagyűjtés fogalma több mint egy évtizede fennáll, a környezeti energiával működő rendszerek megvalósítása azonban a valós környezetben nehézkes, összetett és költséges.

Az energiagyűjtés háttere

Ennek ellenére léteznek olyan területek – szállítási infrastruktúra, vezeték nélküli orvostechnikai eszközök, gumiabroncsnyomás-érzékelés, épületek automatizálása –, ahol az energiagyűjtési megközelítést sikeresen alkalmazták. Ez különösen igaz az épületautomatizálási rendszerek esetére, ahol a kihasználtság-érzékelők, termosztátok és még a világításkapcsolók esetében is kiküszöbölték a telepítésükhöz általában kapcsolódó tápenergia-ellátást biztosító vagy vezérlő vezetékeket, és helyette energiagyűjtő rendszereket alkalmaznak.
Az energiatakarékos intelligens épületek építésénél – mind a kereskedelmi, mind a lakóépületekre vonatkozólag – alapvető követelmény, hogy az energiahatékony épületek ne függjenek nagymértékben a fosszilis tüzelőanyagokat hasznosító hagyományos energiaforrásoktól.
Kereskedelmi épületek intelligenssé tétele kritikus jelentőséggel bírhat az ott dolgozó szervezetek számára, mivel az energiahatékony és korszerű épületnek köszönhetően nemcsak az energiaköltségek csökkenthetők, hanem termelékenyebb környezet hozható létre a munkavállalók számára. Ezeknek az épületeknek olyan infrastruktúrára van szükségük, amely biztosítja a szükséges visszacsatolást a fűtési és hűtési rendszerek hatékony működéséhez, a világítás vezérléséhez és az optimális helykihasználáshoz. Ez az elgondolás minden valószínűség szerint szükségessé teszi az IoT (tárgyak internete) alkalmazását a környezet monitorozására és ellenőrzésére szolgáló eszközként, és növelni fogja az alternatív energiaforrások iránti bizalmat a hatékony irányítás és ellenőrzés érdekében.

Az intelligens épületek IoT trendjei

Az intelligens épületek folyamatosan alakítják az emberek napi szintű tevékenységét és az energiatakarékosság mellett hozzájárulnak a fenntartási költségek csökkentéséhez. Ezen átmenet lehetővé tételéhez kialakulóban van néhány intelligens IoT építkezési trend.
Ennek jó példája az, ahogy a prediktív karbantartás működteti az érzékelőket és más hardvereszközöket ahhoz, hogy visszajelzést kapjon a kereskedelmi épület állapotáról és az ott található berendezésekről. Ez a visszacsatolás lehetővé teszi a szükséges karbantartások időben és hatékony módon történő ütemezését. A prediktív karbantartási megközelítéssel kiküszöbölhetők az előre nem látható, váratlanul fellépő problémák.
A levegő minősége is hátrányosan befolyásolhatja a munkavállalók termelékenységét. Az ezen a területen végzett ipari kutatások kimutatták, hogy a munkavállalók 10% -kal hatékonyabban teljesítik feladataikat, ha jobb beltéri környezeti minőségű épületekben dolgoznak, mint a hagyományos épületek. A hálózat részét képező IoT eszközök is használhatók a levegő minőségének, valamint a levegő szén-dioxid szintjének mérésére és ellenőrzésére különféle érzékelők segítségével. Az eszközök az épület infrastruktúrájának minden területéhez csatlakozhatnak, lehetővé téve ezáltal az egészséges és termelékeny környezet megőrzését mindenki számára.
Egy másik, új, várhatóan továbbfejlődő irányzat az IoT által támogatott alkalmazások használata intelligens épületekben. Jó példa erre a termikus képalkotás, amelynek segítségével a létesítményvezetők ellenőrizhetik, hogy berendezéseik működés közbeni melegedése kívül esik-e az üzemi hőmérsékleti tartományon. Ez könnyen felismerhető, lehetővé téve ezáltal a karbantartást, mielőtt a berendezés megszakítaná a normál üzemmódját. Az IoT például átalakítja azt, ahogyan a létesítménygazdák nyomon követhetik az információkat, mérhetik és gyűjthetik az adatokat; ide tartoznak azok a hozzáférhetetlen területek is, amelyeket korábban túl nehéz volt elérni. Az érzékelőknek az épület különféle részeibe történő telepítésével nyomon követhető az összes olyan információ, amelyhez a múltban soha nem volt hozzáférés. Az IoT összekapcsolt rendszereinek segítségével a létesítménygazdák most hozzáférhetnek az összes lényeges információhoz.
Ezenkívül az IoT lehetővé teszi a tulajdonosok számára, hogy energiahatékony épületekkel rendelkezzenek. Befolyásolja az épületek tervezését, és hozzájárul azok környezetbarát és erőforrás-hatékony felhasználásához. Ezen túlmenően ezek az intelligens épületfelügyeleti rendszerek távolról, bárhonnan vezérelhetők. Az elavult nehéz építőipari berendezések helyettesítése lehetségessé válik olyan érzékelőkkel, amelyeket olyan jellemzőkkel lehet irányítani, mint a rezgés és a hőmérsékleti ingadozások. Mindezzel nyilvánvalóan sok energia és költség takarítható meg, és csökkennek a karbantartási költségek is.
Végülis az épületek vonatkozásában az IoT egyik legfontosabb hatása az energiahatékonyság. Az érzékelőhálózatok olyan információkat szolgáltatnak, amelyek segítenek a vezetőknek vagyonuk hatékonyabb ellenőrzésében, miközben csökkentik a környezetre káros hulladék mennyiségét.

Néhány példa:

• Érzékelők használata a hőmérséklet-szabályozáshoz;

• Szelepmozgatók használata a HVAC (hűtő, szellőztető és légkondicionáló) vezérléshez;

• Komplex alkalmazások, például az épület teljes energiaautomatizálásának biztosítása;

• Az időjárás-előrejelzések figyelembevétele a valós idejű energiaköltségek megtakarítása érdekében.

Vezeték nélküli érzékelő-csomópontok: Az energiagyűjtés kulcsfontosságú alkalmazása

Az épületautomatizálási rendszerek esetében az energiagyűjtő rendszerek kulcsfontosságú eleme a rádiós érzékelők alkalmazása. Az Amerikai Egyesült Államokban az épületek az energia legnagyobb mértékű felhasználói, amelyeket szorosan követ a szállítási és ipari szegmens.
Az energiagyűjtési technikát használó vezeték nélküli hálózat tetszőleges számú érzékelőt összeköthet az épületben a HVAC és az elektromos áram költségeinek csökkentése érdekében a hőmérséklet szabályozásával vagy a világítás kikapcsolásával azokban az épületrészekben vagy helyiségekben, ahol nem tartózkodik senki. Ezen túlmenően az energiagyűjtő elektronika költségei gyakran alacsonyabbak, mint a tápenergia-ellátó vezetékek létesítése vagy az elemek cseréjéhez szükséges szokásos karbantartás, tehát az energiagyűjtési technika bevezetésével egyértelműen gazdasági haszon jár.
A vezeték nélküli érzékelőhálózat számos előnye eltűnik azonban, ha minden csomópontnak saját külső áramforrásra van szüksége. Annak ellenére, hogy a folyamatban lévő energiagazdálkodási fejlesztések lehetővé tették az elektronikus áramkörök hosszabb működését egy adott tápegységnél, ennek léteznek korlátai, ezért az energiagyűjtés kiegészítő megközelítést kínál. Az energiagyűjtés tehát a vezeték nélküli érzékelő-csomópontok tápenergia-ellátásának eszköze lehet azáltal, hogy a helyi környezet energiáját felhasználható elektromos energiává alakítja. A környezeti energiaforrások közé tartoznak a fény, a hőkülönbségek, a mechanikai rezgések, az átvitt RF jelek vagy bármilyen olyan forrás, amely az átalakítón keresztül elektromos töltést hozhat létre. Ezek az energiaforrások körülöttünk vannak, és megfelelő eszközzel, például hőmérsékletkülönbség esetében termoelektromos generátorral (TEG), a rezgéseknél piezoelektromos elemmel, a napfény (vagy beltéri világítás) vonatkozásában pedig fotovoltaikus cellával átalakíthatók elektromos energiává. Még a nedvességből származó galván energia is felhasználható. Ezek az úgynevezett „ingyenes” energiaforrások alkalmasak az elektronikus alkatrészek és rendszerek autonóm táplálására.

1. ábra  A tipikus energiagyűjtő rendszer főbb egységei

A teljes mértékben vezeték nélkül, mikrowatt nagyságrendű teljesítményen működő érzékelő-csomópontok már akalmasak a nem hagyományos táplálásra. Ez indokolja az energiagyűjtést, amely energiát szolgáltat az akkumulátorok töltéséhez, kiegészítéséhez vagy kiváltásához olyan rendszerekben, ahol az akkumulátor használata kényelmetlen, nem praktikus, drága vagy veszélyes. Ezzel kiküszöbölhető az is, hogy vezetékeknek kelljen áramot szállítaniuk vagy adatokat továbbítaniuk.
Egy tipikus energiagyűjtő konfiguráció vagy vezeték nélküli érzékelő-csomópont (WSN) négy blokkból áll, amint az az 1. ábrán látható. Ezek a következők:

• Környezeti energiaforrások;

• Átalakítóelem és teljesítményátalakító áramkör a későbbi elektronika táplálására;

• Érzékelőelem, amely a csomópontot összeköti a fizikai világgal, és egy mikroprocesszorból vagy egy mikrovezérlőből álló számítástechnikai egység a mérési adatok feldolgozására és tárolására;

•  Kommunikációs elem, amely rövid hatótávolságú rádió a szomszédos csomópontokkal és a külvilággal való vezeték nélküli kommunikációhoz.

A környezeti energiaforrásokra példaként említhetők a hőtermelő forráshoz, például HVAC-csatornákhoz csatlakoztatott TEG-k (vagy hőelemek) vagy rezgő mechanikai forráshoz kapcsolt piezoelektromos átalakító, amelyet például ablaküveghez erősítettek. Hőforrás esetén egy kompakt termoelektromos készülék kis hőmérsékleti különbségeket elektromos energiává alakíthat, ha mechanikai rezgések vagy feszültségek vannak, akkor piezoelektromos eszköz használható elektromos energia átalakítására.
Az előállított elektromos energiát egy energiagyűjtő áramkörrel konvertálhatják, és az elektronikai egység ellátásához szükséges mértékűre alakíthatják. Ezáltal egy mikroprocesszor felébreszthet egy érzékelőt, hogy leolvasson vagy mérjen egy adatot, amelyet analóg-digitális átalakítón (ADC) keresztül egy ultra kis teljesítményű vezeték nélküli adó-vevő továbbíthat.
Természetesen az energiagyűjtő egység által előállított energia függ a forrás működési idejétől, ezért az energiagyűjtő források összehasonlításának elsődleges mutatója a teljesítmény sűrűsége, nem pedig az energia sűrűsége. Az energiatermelés általában alacsony, változó és kiszámíthatatlanul rendelkezésre álló teljesítményszintnek felel meg, ezért gyakran alkalmaznak hibrid struktúrát, az energiagyűjtővel összekapcsolt másodlagos energiaforrást. Az energiagyűjtő egység a rendszer egyrészt korlátlan másrészt hiányos, tökéletlen energiaforrása. A szükség esetén aktív másodlagos energiaforrás akár akkumulátor, akár kondenzátor, nagyobb kimeneti energia leadására képes, viszont kevesebb energiát tárol – és amelyet egyébként rendszeresen tölt az energiagyűjtő. Olyan helyzetekben tehát, amikor nincs környezeti energia, ahonnan az energiát lehet gyűjteni, a másodlagos energiaforrás használható a vezeték nélküli érzékelő-csomópontok (WSN) táplálására.
A teljesen önálló vezeték nélküli érzékelőrendszer sikeres megtervezéséhez könnyen hozzáférhető energiatakarékos mikrokontrollerekre és átalakítókra van szükség, amelyek minimális energiafogyasztást igényelnek. Az ilyen energiagyűjtő rendszerek tipikus összeállítását az 1. ábra szemlélteti. Ezek jellemzően alacsony teljesítményű, különálló konfigurációkból állnak, általában 30 vagy több alkatrészt tartalmaznak. Az ilyen konstrukciók alacsony átalakítási hatékonysággal és magas nyugalmi áramokkal rendelkeznek. Ezek a hiányosságok veszélyeztetik a végrendszer teljesítményét.
Mivel a magas nyugalmi áram korlátozza az energiagyűjtő-forrás kimeneti teljesítményét, először meg kell küzdenie a saját működéséhez szükséges áramszinttel, mielőtt bármilyen többletenergiát szolgáltatna a kimenetnek. Ennek megoldására lehetőség az ADI Power by Linear™ (PbL) terméksorozata, amely új szintre hozza a teljesítményt és az egyszerűséget.

2. ábra  Egy tipikus LTC3109 alkalmazási példa

Egy példa az energiagyűjtésre

Az LTC3109 egy magas integráltsági fokú DC-DC konverter és energiamenedzsment integrált áramkör. Begyűjtheti és kezelheti a többletenergiát olyan rendkívül alacsony bemeneti feszültségű forrásokból, mint a TEG-ek, a hőelemek és még a kis napelemek is. Egyedülálló szabadalmaztatott autopolaritás-topológiája lehetővé teszi, hogy polaritástól függetlenül akár 30 mV-os bemeneti forrásokból is működjön.
A 2. ábrán látható áramkör két kompakt step-up transzformátort tartalmaz az LTC3109 bemeneti feszültségforrásának növelésére, amely ezután teljes energiagazdálkodási megoldást kínál a vezeték nélküli érzékeléshez és adatok gyűjtéséhez. Kis hőmérsékleti különbségek begyűjtésével a hagyományos energiafogyasztás helyett előállítja a rendszer energiáját.
Az egyes transzformátorok szekunder tekercsén keletkező váltakozó feszültséget a külső töltőszivattyú-kondenzátor és az LTC3109 belső egyenirányítói segítségével megnövelik és egyenirányítják. Ez az egyenirányító áramkör táplálja az áramot a VAUX kivezetésbe, feltöltve a külső VAUX kondenzátort, majd a többi kimenetet. A belső 2,2 V-os LDO-szabályozó alacsony fogyasztású processzort vagy más alacsony fogyasztású áramkört képes táplálni.

Következtetés

Az analóg kapcsolóüzemű tápegység tervezési tapasztalatainak hiánya megnehezíti a hatékony energiamegtakarítási rendszerek tervezését a zöld épületekben történő felhasználáshoz. Az egyik elsődleges akadály a távoli, vezeték nélküli érzékeléssel kapcsolatos energiagazdálkodás. Ennek ellenére az olyan termékek, mint az LTC3109, szinte bármilyen hőforrásból kinyerhetik az energiát, lehetővé téve ezáltal a rendszer tervezőjének, hogy energiagyűjtésre alkalmas energiaforrást használjon. Ez nemcsak a fosszilis tüzelőanyagok felhasználását csökkenti, hanem hozzájárul az épület környezetének zöldebbé tételéhez a jelenlegi és a jövő generációk számára.
További műszaki és kereskedelmi információkat az Analog Devices hivatalos hazai forgalmazójától, az Arrow Electronics Hungary-től kaphatnak.

Szerző: Tony Armstrong – Üzletfejlesztési igazgató

Arrow Electronics Hungary
1138 Budapest, Váci út 140.
Bihari Tamás,
Senior Field Application Engineer
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.