شبكة استشعار لاسلكية
البنية المادية لعقدة الاستشعار > مولد الطاقة

امدادات الطاقة من عقد الاستشعار
بالنسبة لعقد أجهزة الاستشعار اللاسلكية غير المترابطة، فإن مصدر الطاقة هو مكون أساسي للنظام. هنالك
جانبين اساسين : أولا، تخزين الطاقة وتوفير الطاقة في النموذج المطلوب؛ ثانيا،
في محاولة لتجديد الطاقة المستهلكة من قبل «الكسح» من بعض مصدر الطاقة العقدة الخارجية
متأخر، بعد فوات الوقت
يتم عادة تخزين الطاقة باستخدام البطاريات. كما التوجه الخام، العادي
مخازن البطارية حوالي 2.2-2.5 آه في 1.5 V. تصميم البطارية هو العلم والصناعة في حد ذاته، و
وقد اجتذبت الكسح الطاقة الكثير من الاهتمام في البحوث. هذا القسم يمكن أن توفر سوى بعض
لمحات صغيرة من هذا المجال الشاسع. بعض الأوراق التي تتناول هذه الأسئلة (وتكون بمثابة الأساس
لهذا القسم)
تخزين الطاقة: بطاريات
البطاريات التقليدية
مصدر الطاقة لعقدة الاستشعار هو بطارية، إما غير قابلة للشحن («البطاريات الأولية») أو،
إذا كان جهاز مسح الطاقة موجود على العقدة، قابلة لإعادة الشحن أيضا («البطاريات الثانوية»).
في بعض الأشكال أو غيرها، والبطاريات هي مخازن الكيماوية والكهربائية للطاقة - المواد الكيميائية التي هي العامل الرئيسي المحدد لتكنولوجيا البطاريات
عند هذه البطاريات، تفرض متطلبات صعبة للغاية:
القدرات: وينبغي أن يكون قدرة عالية في وزن صغير، حجم صغير، وانخفاض الأسعار. الرئيسية
متري هو الطاقة في وحدة التخزين، J / CM3. ويبين الجدول 2-2 بعض القيم النموذجية لكثافة الطاقة،
باستخدام التقليدية، وتقنيات البطارية ماكروسيل. وبالإضافة إلى ذلك، فإن البحث عن «ميكروسكيل»
البطاريات، على سبيل المثال، أودعت مباشرة على رقاقة، ويجري حاليا.
القدرة تحت الحمل: يجب أن تحمل أنماط الاستخدام المختلفة كما عقدة استشعار يمكن أن تستهلك
مستويات مختلفة تماما من السلطة مع مرور الوقت ورسم فعلا عالية الحالية في عملية معينة
أساليب
الأرقام الحالية على استهلاك الطاقة من العقد وسن تختلف ويتم التعامل معها بالتفصيل في
القسم 2.2، لذلك فمن الصعب توفير مبادئ توجيهية دقيقة. ولكن بالنسبة لمعظم التكنولوجيات، و
أكبر البطارية، وأكثر قوة يمكن تسليمها فورا. وبالإضافة إلى ذلك، تصنيف
سعة البطارية المحددة من قبل الشركة المصنعة صالحة فقط طالما أقصى التفريغ
لا يتم تجاوز التيارات، لئلا تنخفض القدرة أو حتى فشل البطارية المبكرة يحدث .
التفريغ الذاتي: يجب أن يكون التفريغ الذاتي منخفض؛ فإنها قد تضطر أيضا إلى أن تستمر لفترة طويلة
(باستخدام تكنولوجيات معينة، لا تعمل البطاريات إلا لبضعة أشهر، بصرف النظر عن
سواء تم سحب الطاقة منها أم لا).
فبطاريات الزنك - الهواء، على سبيل المثال، ليس لها سوى عمر قصير جدا (حسب ترتيب الأسابيع)
والتي تعوض كثافة الطاقة العالية بشكل جذاب.
إعادة الشحن الفعال: يجب أن تكون عملية إعادة الشحن فعالة حتى عند توفرها بشكل متقطع ومتقطع
إعادة شحن الطاقة؛ وبالتالي، يجب أن البطارية لا تظهر أي «تأثير الذاكرة».
بعض تقنيات استخراج الطاقة الموصوفة أدناه ليست قادرة إلا على إنتاج التيار
في منطقة μA (ولكن ربما مستدامة) في عدد قليل فقط فولت في أحسن الأحوال. البطارية الحالية
فإن التكنولوجيا لن تقوم أساسا بإعادة شحن هذه القيم .
الاسترخاء: تأثير الاسترخاء - على ما يبدو إعادة شحن الذاتي فارغة أو فارغة تقريبا
البطارية عندما لا يوجه أي تيار منه، على أساس عمليات نشر الكيميائية داخل
الخلية - ينبغي فهمها بوضوح. عمر البطارية والقدرة القابلة للاستخدام هو إلى حد كبير
تمديد إذا كان هذا التأثير هو الاستدانة. وكمثال واحد، فمن الممكن استخدام بطاريات متعددة
بالتوازي مع «جدول» التفريغ من بطارية واحدة إلى أخرى، اعتمادا على الاسترخاء
مخازن الطاقة غير التقليدية:
وبصرف النظر عن البطاريات التقليدية، هناك أيضا أشكال أخرى من خزانات الطاقة التي يمكن التفكير فيها
بمعنى أوسع، خلايا الوقود أيضا مؤهلة كتخزين الكهربائية والكيميائية للطاقة، مباشرة
إنتاج الطاقة الكهربائية عن طريق أكسدة الهيدروجين أو الوقود الهيدروكربوني. خلايا الوقود لديها بالفعل
(مثل الميثانول كمخازن وقود 17.6 كيلوجول / سم 3)، ولكنها متاحة حاليا
فإن الأنظمة لا تزال تتطلب حجم الحد الأدنى غير مؤهل للمضخات والصمامات، وما إلى ذلك. أكثر قليلا
النهج التقليدي لاستخدام الطاقة المخزنة في الهيدروكربونات هو استخدام نسخ مصغرة من الحرارة
محركات، على سبيل المثال، توربينات . تقلص هذه المحركات الحرارة إلى الأحجام المطلوبة لا يزال يتطلب
جهد بحثي كبير في أنظمة ميكروكلترومشانيكال ؛ التوقعات المتعلقة
الطاقة تتراوح بين 0.1-10 واط في أحجام حوالي 1 سم مكعب . وأخيرا، حتى المواد المشعة
قد اقترح كمخزن للطاقة وهناك خيار آخر يسمى «قبعات الذهب»، وذات جودة عالية
والمكثفات ذات قدرة عالية، والتي يمكن تخزين كميات كبيرة نسبيا من الطاقة، يمكن أن يكون بسهولة و
بسرعة إعادة شحنها، ولا تبلى مع مرور الوقت.
التحويل (التيار المباشر- التيار المباشر)
لسوء الحظ، البطاريات (أو غيرها من أشكال تخزين الطاقة) وحدها ليست كافية ك مصدر طاقة مباشرة
لعقدة الاستشعار. مشكلة واحدة نموذجية هي الحد من الجهد البطارية كما لها
قطرات القدرات. وبالتالي، يتم تسليم أقل قوة لدوائر عقدة أجهزة الاستشعار، مع فوري
العواقب على الترددات مذبذب وقوة الإرسال - عقدة على بطارية ضعيفة سوف
لديها مجموعة نقل أصغر من واحد مع بطارية كاملة، وربما رمي قبالة أي المعايرة
القيام به لمجموعة في نطاقات البطارية كاملة.
(التيار المباشر-التيار المباشر) محول يمكن استخدامها للتغلب على هذه المشكلة من خلال تنظيم الجهد تسليمها
إلى الدوائر العقدة. لضمان الجهد المستمر على الرغم من انخفاض الجهد إمدادات البطارية،
(التيار المباشر-التيار المباشر) تحويل لديه لرسم التيار أعلى على نحو متزايد من البطارية عندما تكون البطارية
أصبحت بالفعل ضعيفة، وتسريع الموت البطارية، و
(التيار المباشر-التيار المباشر) تحويل لا تستهلك الطاقة لتشغيلها الخاص، والحد من الكفاءة العامة. لكن ال
مزايا عملية يمكن التنبؤ بها خلال دورة الحياة بأكملها يمكن أن تفوق هذه العيوب.
كسح الطاقة:
بعض من مخازن الطاقة غير التقليدية المذكورة أعلاه - خلايا الوقود، محركات الحرارة الصغيرة، النشاط الإشعاعي
- تحويل الطاقة من بعض المخزنة، شكل ثانوي إلى كهرباء في أقل مباشرة وسهلة
استخدام الطريقة من البطارية العادية ستفعل. يتم تخزين امدادات الطاقة بأكملها على العقدة نفسها - مرة واحدة
يتم استنفاد امدادات الوقود، فشل عقدة
لضمان عقد طويل الأمد حقا وشبكات الاستشعار اللاسلكية، ومثل هذا مخزن الطاقة محدودة
غير مقبول. بدلا من ذلك، يجب استغلال الطاقة من بيئة العقدة وإتاحتها
إلى العقدة - يجب أن تجري عملية سحب الطاقة. توجد عدة مقاربات:
الخلايا الكهروضوئية : يمكن استخدام الخلايا الشمسية المعروفة لعقد أجهزة الاستشعار. الطاقة المتاحة
يعتمد على ما إذا كانت العقد تستخدم في الهواء الطلق أو في الداخل، وفي الوقت المحدد من اليوم وما إذا كان
للاستخدام في الهواء الطلق. تقنيات مختلفة هي الأنسب للاستخدام في الهواء الطلق أو في الأماكن المغلقة
وتتراوح الطاقة الناتجة بين 10 ميكرو واط / سم 2 في الداخل و 15 ميجاواط / سم 2 في الهواء الطلق.
خلايا واحدة تحقيق إنتاج الناتج مستقرة إلى حد ما حوالي 0.6 V (وبالتالي يجب أن
يمكن استخدامها في سلسلة) طالما أن تيار المسحوب لا يتجاوز عتبة حرجة، والتي
يعتمد، من بين عوامل أخرى، على شدة الضوء. وبالتالي، عادة ما تستخدم الخلايا الشمسية
لإعادة شحن البطاريات الثانوية. أفضل المقايضات بين تعقيد الدوائر إعادة شحن،
وكفاءة الخلايا الشمسية، وعمر البطارية لا تزال أسئلة مفتوحة.
تدرجات درجة الحرارة : يمكن تحويل الاختلافات في درجة الحرارة مباشرة إلى طاقة كهربائي
من الناحية النظرية، حتى الفرق الصغيرة، على سبيل المثال، 5 K يمكن أن تنتج قوة كبيرة، ولكن
الأجهزة العملية تقع قصيرة جدا من الحدود العليا النظرية (نظرا لكفاءة كارنوت) عادة ما يتم النظر في مولدات الطاقة الحرارية الحرارية القائمة على تأثير سيبيك؛ مثال واحد هو
مولد، والتي سوف تكون متاحة تجاريا في وقت قريب، أن يحقق حوالي 80 μW / CM2 في
حوالي 1 V من 5 الفرق في درجة الحرارة كلفن
الاهتزازات: شكل واحد تقريبا من الطاقة الميكانيكية هو الاهتزازات: الجدران أو النوافذ في
المباني هي صدى مع السيارات أو الشاحنات المارة في الشوارع، وآلات غالبا ما يكون انخفاض التردد
الاهتزازات، التهوية أيضا يسبب ذلك، وهلم جرا. تعتمد الطاقة المتاحة على
سواء الاتساع والتردد للاهتزاز وتتراوح من حوالي 0.1 μW / CM3 تصل إلى
10، 000 μW / cm3 لبعض الحالات القصوى (الحدود العليا النموذجية هي أقل).
تحويل الاهتزازات إلى الطاقة الكهربائية يمكن أن يتم عن طريق وسائل مختلفة، على أساس
الكهرومغناطيسية، كهرباء، أو كهرضغطية المبادئ. ويبين الشكل 2-4، على سبيل المثال، أ
مولد يعتمد على مكثف متغير الأجهزة العملية من 1 CM3 يمكن أن تنتج عنه
200 μW / CM3 من 2.25 م / ث 2، 120 هرتز مصادر الاهتزاز، في الواقع كافية لقوة بسيطة
المرسلات اللاسلكية
اختلافات الضغط: تشبه إلى حد ما الاهتزازات، ويمكن أيضا أن تستخدم تباين الضغط كما
مصدر الطاقة. وتستخدم هذه المولدات الكهربائية كهرضغطية بالفعل. واحد معروف
على سبيل المثال هو إدراج مولد كهرضغطية في كعب حذاء، لتوليد الطاقة
كما يمشي الإنسان حول هذا الجهاز يمكن أن تنتج، في المتوسط μW / CM2. أنه،
ومع ذلك، ليس من الواضح كيف يمكن تطبيق هذه التكنولوجيات على الشبكات الاجتماعية.
تدفق الهواء / السائل: آخر مصدر الطاقة المستخدمة في كثير من الأحيان هو تدفق الهواء أو السائل في مصانع الرياح أو
التوربينات. التحدي هنا هو مرة أخرى التصغير، ولكن بعض من العمل على ميليمترسكال
قد تكون التوربينات الغازية ميمس قابلة لإعادة الاستخدام غير أن هذا لم ينتج حتى الآن
أي نتائج ملحوظة.