Wo kann ich zu Hause Energie für die Stromversorgung meiner drahtlosen Sensoren gewinnen?

Ich habe den Artikel "Fünf Bausteine ​​für drahtlose Sensorknoten mit eigener Stromversorgung" (auf Meta geteilt ) über Energy Harvesting im Internet der Dinge gelesen.

Es werden einige erneuerbare Energiequellen aufgelistet, zum Beispiel:

• Wärmeenergie
• Vibrationsenergie

Ich plane, einige Prototypen zu implementieren und Geräte zu ernten, um die Möglichkeiten auszuloten. Um einige experimentelle Daten darüber zu erhalten, wie viel Energie in meinem Haus gewonnen werden kann. Derzeit versuche ich, die möglichen Stellen in meinem Haus zu identifizieren, an denen diese Energy Harvester platziert und effizient genutzt werden könnten.

Woran ich dachte:

• Vielleicht könnte ein Vibration Energy Harvester an die Waschmaschine im Badezimmer angeschlossen werden. Gefährliche Umgebung, da die Luftfeuchtigkeit sehr hoch sein kann und daher ein angemessener Schutz erforderlich ist.
• Ein thermischer Energie-Harvester könnte in der Nähe des Ofens in der Küche aufgestellt werden.
• Wärmeenergie-Erntemaschinen können in der Nähe der Heizelemente in den Schlafzimmern aufgestellt werden.

In welchen anderen Teilen der Wohnung sollte ich weitere Erntemaschinen zum Experimentieren platzieren?

Kann zum Beispiel eine Mikrowelle eine mögliche Quelle sein oder andere häufig verwendete Küchengeräte?

Ich habe einen elektrischen Boiler über meinem Badezimmer (in der Wohnung). Vielleicht sind die Warmwasserleitungen, die zum Badezimmer führen, auch eine gute Quelle.

Was könnte es sonst noch geben? Gibt es noch weitere Möglichkeiten, um Vibrationsenergie in einem Haus zu ernten?

TÜREN !!!

Ich weiß nicht, ob es im Rahmen Ihrer Frage liegt, aber Sie können sich die verschwendete Energie beim Öffnen / Schließen einer Tür nicht vorstellen!

Ein französischer Comic namens Gaston Lagaffe aus dem Jahr 1970 stellte eine Person vor, die die Energie einer sich öffnenden Tür nutzte, um Orangen zu pressen, ein Bild zu drucken, Kaffee zu kochen, ...

BEARBEITEN , dank Olivier Dulacs Kommentar konnte ich den Streifen finden, ohne meine gesamte Gaston-Sammlung lesen zu müssen! Übersetzung, wenn von mir, aber ich kann das letzte Bild nicht übersetzen, es ist ein französisches Wortspiel für Worte über uns selbst, wenn wir verrückt sind.

Um im Rahmen Ihrer Frage zu bleiben, denke ich an einige Szenarien:

• Schritte? Ernten Sie die Vibration mit einer Gedenktafel, auf der die Menschen am häufigsten gehen: Eingang, auf dem Sie Ihre Mäntel ablegen, in der Nähe eines Kinect-Spielfelds.
• Computer, Server: ernten ihre Wärme.
• Stellen Sie einen Außenkessel mit Heißwasserdachplatten her (natürlich benötigen Sie die Zustimmung Ihres Vermieters) und ernten Sie die Wärme.
• Es werden Schuhe aufgeladen!

Solarenergie ist sogar in Innenräumen eine Alternative zum Ernten von Wärme- und Schwingungsenergie. Diese Indoor-Photovoltaik nutzt sowohl das natürliche Licht als auch das künstliche Licht.

Über die Machbarkeit der Lichtenergiegewinnung in Innenräumen für drahtlose Sensornetzwerke (Carlos Carvalho und Nuno Paulino) wird die Lichtenergiegewinnung in Innenräumen für die gedämpfte natürliche Beleuchtung erörtert. Die Autoren beschreiben die Stromversorgung eines drahtlosen Sensorknotens mit geringer Leistung und einem durchschnittlichen Leistungspegel von 11,51 µW. Dieses niedrige durchschnittliche Leistungsniveau wird durch einen sehr niedrigen Arbeitszyklus des Systems erreicht, das nur eine Übertragung pro Stunde durchführt.

Dimensionierung von Solar Energy Harvestern für drahtlose Sensornetzwerke (Murata Application Note M1002) vergleicht verschiedene Umgebungsenergiequellen:

Es ist klar, dass die Verwendung von Umgebungslicht in Innenräumen eine geringere Rendite als bei anderen Lichtquellen erzielt, dies könnte jedoch in bestimmten Anwendungsfällen funktionieren.

Während ich so viele wertvolle Antworten auf meine Frage hatte, habe ich mich auch weiter mit dem Thema befasst.

Ich habe eine zusätzliche Erntelösung und auch ein großartiges Referenzdesign für einen drahtlosen, solarbetriebenen Sensorknoten gefunden, ohne eine Batterie zu verwenden.

Zuerst die zusätzliche Methode von Texas Instruments, die als RF-Switch-Harvesting-Technik bezeichnet wird . (Das Video ist sehenswert, der HF-Schalterteil beginnt um 2:29.) Es basiert auf einem Magnetschalter, dessen Struktur auf dem Bild unten zu sehen ist.

Auf der Zeichnung hier in rot ist der Schalterteil, den der Benutzer drückt. Wir haben einen Magneten mit den beiden Polen im Inneren. Und dies erzeugt ein Magnetfeld durch diesen Kern zurück zum anderen Pol.

Wenn der Benutzer den Schalter drückt, können Sie die Feldänderungen sehen. Es geht in die entgegengesetzte Richtung durch den Kern. Und wir wissen aus Maxwells Gleichungen, dass diese Änderung des Magnetfelds durch diese Wicklungen einen Strom erzeugt. Das ist Energie, die wir ernten und nutzen können.

Der Schalter erzeugt einen Wechselstrom, der in Gleichstrom umgewandelt werden muss, der einen Kondensator aufladen kann. Die im Kondensator gespeicherte Energie kann dann zur Versorgung einer drahtlosen MCU mit geringem Stromverbrauch verwendet werden.

TI hat dies tatsächlich erkannt und konnte für die drahtlose MCU 21 Millisekunden lang genug Energie liefern.

Das Referenzdesign ist ein Solar Dice, mit dem die Daten eines Beschleunigungsmessers drahtlos auf ein Smartphone übertragen werden können. Die Lösung benötigt keinen Akku und ist recht kompakt. Lesen oder stöbern Sie in den bereitgestellten Testdaten , Schaltplänen und anderen Dokumenten.

Das ist eine Idee, die ich hier rausschmeißen werde ...

Anscheinend sollte es möglich sein, ein kleines Gerät zu haben, bei dem Sie einfach ein Netzkabel ein paarmal umwickeln (oder das Gerät um das Netzkabel wickeln, ich bin mir nicht sicher, welches). Wenn das "Host" -Gerät eingeschaltet ist und Strom fließt, wird der "Parasit" am Netzkabel mit Strom versorgt - offensichtlich nicht viel. Aber vielleicht genug, um regelmäßig einen drahtlosen "Ping" mit einer ID (wie einer MAC-Adresse) an einen Empfänger zu senden. Was dies Ihnen bringen würde, ist ein Sensor, der Ihnen anzeigt, wann "dumme" Geräte eingeschaltet wurden. Anhand der Häufigkeit der Pings können Sie möglicherweise sogar ableiten, wie viel Strom das dumme Gerät verbraucht hat.

Da der Mechanismus einfach und kostengünstig ist und keine behördliche Genehmigung für das Anschließen an das Stromnetz (UL / CE usw.) erfordert, könnte möglicherweise jemand diese Packungen zu einem Richtpreis von jeweils ~ 5 USD verkaufen. Wenn Sie genug davon haben (was der Grund dafür sein würde, viel davon zu haben), könnte ein maschinelles Lernsystem Dinge über Ihre Gewohnheiten lernen: Der Haartrockner ist eingeschaltet, es ist wahrscheinlich ~ 30 Minuten vor dem Zubettgehen. Die Kaffeemaschine ist an, das Radio einschalten ... so etwas. Und Sie müssen keinen intelligenten Haartrockner oder eine Kaffeemaschine kaufen, die 30- bis 40-mal so viel kostet wie ein 5-Dollar-Sensor, um diese Nutzungsdaten zu erhalten.

Radiatoren sollten eine Vibrationsquelle sein (von der Pumpe angetrieben), obwohl Sie wahrscheinlich die Resonanzfrequenzen sehr sorgfältig untersuchen müssten.

Es ist auch möglich, kinetische Energiegewinnung in Switches einzubetten , obwohl dies möglicherweise nicht der Anwendungsfall ist, den Sie sich vorstellen.

Auf der anderen Seite der Gleichung wird bestimmt, wie viel Energie Sie für eine Übertragung benötigen. Auf diese Weise erhalten Sie einige Informationen darüber, wie oft eine Übertragung möglich ist, zusammen mit Ihrer Leckage / Standby-Drainage.

Dies ist eine großartige Idee, um Energie aus unserem täglichen Energieverbrauch zu gewinnen. Aber du musst bedenken, dass die Energie, die du erntest, irgendwo herkommt. Wenn Sie etwas Wärme aus Ihren Raumheizelementen gewinnen möchten, müssen Sie sich darüber im Klaren sein, dass die gesamte Wärme, die über Ihr Gerät in Strom umgewandelt wird, den Raum nicht heizt. Ihre Raumheizung muss also mehr Strom verbrauchen, wenn Sie Ihren Raum so komfortabel wie früher halten möchten, bevor Sie Ihren Heat Harvester aufstellen.

• Nehmen Sie Wärme von Geräten, bei denen Wärme verschwendet wird (dh von Objekten, deren Hauptaufgabe es ist, nicht zu heizen, wie z. B. Computern von Servern, wie oben erwähnt).
• Im Gaston-Lagaffe-Stil können Sie kleine Geräte an Türen, Treppen usw. anbringen, um bei jedem Vorbeigehen Energie zu erzeugen. Unter anderem können Sie einen kleinen Dynamo oben auf Ihrer Treppe aufstellen und jedes Mal, wenn Sie nach unten gehen, eine Nylonschnur nehmen und den Dynamo laufen lassen. Sobald Sie die Treppe hinunter sind, lassen Sie die Schnur los und sie spult zurück. Die Nylonschnur ist ca. 20 m lang, wenn Ihre Treppen 10 m lang sind. Mit einem guten Übersetzungsverhältnis und einem effizienten Dynamo können Sie also die Energiemenge erzeugen, die Sie für jedes kleine Gerät in der Nähe benötigen.

1. WiFi-Signale

   Vergessen Sie, das WLAN Ihres Nachbarn zu stehlen, um im Internet zu surfen. Forscher der Pratt School of Engineering der Duke University haben aus billigen Alltagsmaterialien ein bemerkenswertes Gerät entwickelt, das Mikrowellensignale, wie sie zur drahtlosen Übertragung des Internets verwendet werden, in nutzbaren Strom umwandeln kann. In Zukunft können Sie möglicherweise stattdessen das Wi-Fi-Netzwerk Ihres Nachbarn verwenden, um Ihr Zuhause mit Strom zu versorgen.

2. EM-Felder von AC-Kabeln hinter der Wand (falls in der Nähe eines elektrischen Kabels montiert).

   Zusammenfassung - Das Interesse an Energy Harvesting für drahtlose Sensornetzwerke ist groß. Es wurde vorgeschlagen, Energie aus Wärmequellen wie Körperwärme und mechanischen Quellen wie menschlicher Bewegung zu gewinnen. Es gibt auch Sensornetzwerksysteme, die Energie aus dem sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums gewinnen. Das Umgebungslicht in Innenräumen ist jedoch in der Regel erheblich geringer als im Freien und hängt stark von der Art des betrachteten Innenraumklimas ab. Kürzlich wurde eine Niedrigleistungstaktsynchronisation unter Verwendung von elektromagnetischer Energie, die von Wechselstromleitungen abgestrahlt wird, vorgeschlagen. In diesem Artikel gehen wir einen Schritt voraus und versuchen, die folgende Frage zu beantworten: Kann Energie aus der elektromagnetischen Energie gewonnen werden, die von Wechselstromleitungen ausgestrahlt wird, und zum Betreiben eines drahtlosen Sensornetzwerks mit einem niedrigen Arbeitszyklus verwendet werden? Wir finden, dass eine solche Energiegewinnung vielversprechend erscheint.

1. Ein Heimtrainer / Laufband, das an einem Dynamo befestigt ist. Dies gibt Ihnen auch einen Anreiz zum Trainieren.
2. Anstatt den Mikrowellen- / Konvektionsofen zu verwenden, der ihre Funktion beeinträchtigt, können Sie einen kleinen Schornstein über den Garraum stellen (obwohl die austretenden Dämpfe möglicherweise ein Problem darstellen).
3. Ich weiß nicht genau wie, aber die Leute sitzen den ganzen Tag auf der Couch. Ich weiß, dass es potenzielle Energie ist, aber dort könnte etwas erreicht werden.
4. Die Türidee aus den obigen Antworten ist großartig.
5. Kleine Windmühlen im Patio.
6. Solarzellen (jetzt günstig erhältlich) können im Freien verwendet werden.
7. Verrückteste : Mit einer kleinen Turbine unter der Dusche / Wasserhahn

Ein häufig verfügbarer Temperaturunterschied, der geerntet werden könnte, wäre:

der Unterschied zwischen der Innentemperatur und der Außentemperatur .

In einem temperaturgesteuerten Wohnumfeld gibt es oft ein nicht triviales Differenzial, auf die eine oder andere Weise. Auch ohne dies ändert sich die Außentemperatur häufig innerhalb von 24 Stunden, während wir versuchen, die Innentemperatur konstant zu halten. Ich weiß, der Unterschied ist gering, aber der springende Punkt ist, er ist die meiste Zeit da.

Für iOT-Sensoren scheint mir ein großer Vorteil zu sein, dass die Energiequelle an einem großen Teil der Peripherie des Wohnraums verfügbar ist - Decke, Fenster, Wände, Boden (vielleicht).

Andererseits denke ich vielleicht nur, dass dies sinnvoll ist, weil ich in Australien lebe und wir Tage über 40 Grad Celsius haben. ;-)

Ich habe keine Berechnungen angestellt, um herauszufinden, ob Sie genug Energie ernten können ... Aber natürlich - Kommt darauf an, wie viel Sie brauchen.

Ein Vorteil ist, dass Sie als solch passives Gerät mit planarer Form wahrscheinlich etwas ziemlich Großes entwerfen könnten, z. B. 6 Zoll im Quadrat? aber dennoch ästhetisch ansprechend für die Decken- oder Wandmontage.

Ein Nachteil ist, dass Sie möglicherweise Tage hintereinander haben, an denen es keine großen Unterschiede gibt - Wenn die Außentemperatur um eine angenehme Raumtemperatur schwankt.

Nur ein Gedanke. Prost.

ADDENDUM: Ja, ich weiß, dass dies keine freie Energie ist, aber das OP hat nicht ausdrücklich darum gebeten. Ein häufiges Problem bei IoT-Geräten ist, dass überall Kabel verlegt werden. Vielleicht will das OP das zumindest teilweise vermeiden?

Du.

Der Durchschnittsmensch erzeugt im Ruhezustand 100 Watt Leistung . Dies reicht aus, um ungefähr 6 Laptops mit Strom zu versorgen (vorausgesetzt, ein Low-End-Laptop hat 15 W), wenn Sie 100% der von Ihnen erzeugten Energie in Strom umwandeln können . Natürlich können wir die Gesetze der Physik nicht umgehen, und zwangsläufig können Sie nicht 100% Ihrer Energie in Elektrizität umwandeln. Schließlich brauchen Sie Energie für Ihren Stoffwechsel und Ihre Körperfunktionen.

Es gibt Startups, die Filz herstellen, der aus Ihrer Körperwärme Strom erzeugt (ungefähr 1 oder 2 Watt können daraus erzeugt werden).

Alternativ können Sie ein Heimtrainer verwenden, um Strom zu erzeugen, wie in dieser wirklich schönen Infografik des IEEE gezeigt .

Und wenn alles andere fehlschlägt, können Sie Ihre Sensoren jederzeit per Handpedal betätigen:

^{Quelle: Wikipedia (gemeinfrei)}

Diese Methode setzt voraus, dass Sie sich im Inneren befinden (und einige Methoden setzen voraus, dass Sie tatsächlich anwesend sind, um die Kurbel / das Pedal / den Dynamo zu bedienen), daher ist sie nicht absolut narrensicher.

Sie erwähnen die Erzeugung von Strom aus Wärme. Alle Geräte, die Wärmeenergie in Arbeit umwandeln, haben eine heiße und eine kühle Seite. Die theoretische maximale Energie, die aus der Wärme zur Verfügung steht, ergibt sich aus der Differenz dieser Temperaturen. Dies bedeutet, dass kalte Dinge genauso gut für die Energieerzeugung sind wie heiße Dinge - aber Sie werden es noch besser machen, wenn Sie eine heiße Sache sehr nahe an eine kalte Sache bringen und einen thermoelektrischen Generator dazwischen legen können .

Sie sollten auch darauf achten, nicht die Energie zu ernten, für die Sie bezahlen. Sie könnten etwas Energie zwischen Warmwasser- und Kaltwasserleitungen gewinnen - aber dann machen Sie Ihren Warmwasserbereiter nur noch härter - und könnten genauso gut nur die Netzstromversorgung nutzen und direkt dafür bezahlen.

Wenn Sie dagegen die Energiedifferenz zwischen einer Abwasserleitung (angenommen, jemand duscht heiß oder lässt Nudeln ab) und einer kalten Leitung ausnutzen, wird Ihr kaltes Wasser etwas wärmer und Ihr Abwasser etwas kühler - beides nicht sind wahrscheinlich ein Problem (es sei denn, das spezifische kalte Rohr, das Sie verwenden, speist in Ihren Kühlschrank).

Schnee rutscht vom Dach

Dies ist eine besonders nördliche Antwort. Wenn Sie jedoch ein Metalldach mit einem ziemlich steilen Hang haben und im Jahr eine ordentliche Menge Schnee bekommen, wird beim Abrutschen einiges an Energie verschwendet.

Für Menschen, die im Jahr weniger Schnee bekommen, ist das vom Dach kommende Regenwasser ein guter Ort, um Energie zu ernten. Ein elektrischer Dynamo kann an Ihre Dachrinnen angeschlossen werden und bei Regen jederzeit Energie produzieren.

Es kann auch an Ihre Internetverbindung und Ihren Monitor angeschlossen werden:

1. Die Menge der Niederschläge
2. Die erzeugte Energiemenge
3. Ein Vergleich zwischen den erwarteten Niederschlägen (aus der Wettervorhersage) und den tatsächlichen Niederschlägen

Möglicherweise haben Sie sogar Sensoren in den Rinnen, um die Leistung der Dynamoerzeugung auf der Grundlage der durchfließenden Wassermenge anzupassen.

Dein Festnetz.

An jedem Festnetzanschluss in Ihrem Haus sind ca. 48 V verfügbar. Viele schlechte Artikel im Internet darüber, obwohl dies das Beste zu sein scheint, was ich je gesehen habe.

Gemäß Teil 68 der Telekommunikationsvorschriften der US-amerikanischen Federal Communications Commission muss jedes Gerät, das an die Telefonleitung angeschlossen ist und nicht aktiv kommuniziert, einen Widerstand von mindestens 5 MΩ aufweisen

Viele Küchen- und andere Haushaltsgeräte weisen ebenfalls erhebliche Vibrationen auf. Denken Sie Spülmaschine und Mikrowelle in der Küche. Waschmaschine und Trockner. Jede Elektronik mit einem Motor (Lüfter, Plattenspieler) hat wahrscheinlich eine bemerkenswerte Vibrationsleistung.

Es gibt viele Möglichkeiten, aber in Bezug auf den einfachsten Weg, meine Liste zu ernten, wäre:

1. Thermische Energie, die von thermoelektrischen Peltier- Elementen erfasst wird . Thermoelektrische Elemente sind nicht teuer und in Europa über Alibaba.COM und Amazon.COM erhältlich .

   Bitte beachten Sie, dass wieder 1930 thermoelektrischen Elemente wurden in Radios in der UdSSR in verwendet Tundren Gewinnung von Energie aus Karbid - Lampen .

2. Solarenergie hat heutzutage sehr raffinierte und coole Produkte. Zum Beispiel kann SolarWindow ein Motivator für die Verwendung sein.

3. Piezoelektrische Polymere (1880 von Pierre Curie und seinem Bruder entdeckt) sind wirklich faszinierende Materialien. Seit einigen Jahren spielt mein Team mit solchem ​​Material PolyPower, das von der dänischen Firma Danfoss eingeführt wurde .

Eine etwas undeutliche Antwort ist "vom Sensor". Indem Sie die Hardware ereignisgesteuert machen, können Sie die Standby-Leistung potenziell so stark verbessern, dass ein Akku als nicht austauschbarer Teil Ihrer Hardware betrachtet werden kann.

Sehen Sie sich diese Studie der Universität Bristol an, in der sie ein Schaltelement für die Leckage von pA optimiert haben. Obwohl ich das schon früher im Vorbeigehen gesehen habe, habe ich den praktischen Nutzen erst geschätzt, als ich mir ein Video angesehen habe, in dem der Anwendungsbereich des Geräts beschrieben wurde.