ระบบการจัดการพลังงานที่เก็บเกี่ยวพลังงานโดยรอบจะจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์ขนาดเล็กหลายพันล้านเครื่องบนอินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง
โดย MICHAEL ALLEN
อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กที่เชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตกำลังแพร่หลาย Internet of Things (IoT) ที่เรียกว่าช่วยให้อุปกรณ์อัจฉริยะในบ้านและเทคโนโลยีที่สวมใส่ได้ เช่น นาฬิกาอัจฉริยะของเราสามารถสื่อสารและใช้งานร่วมกันได้ อุปกรณ์ IoT มีการใช้กันมากขึ้นในอุตสาหกรรมทุกประเภทเพื่อขับเคลื่อนการเชื่อมต่อระหว่างกันและระบบอัตโนมัติอัจฉริยะซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ ‘การปฏิวัติอุตสาหกรรมครั้งที่สี่’
การปฏิวัติอุตสาหกรรมครั้งที่ 4 เกิดขึ้นจากเทคโนโลยีดิจิทัลที่แพร่หลายอยู่แล้ว เช่น อุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ ปัญญาประดิษฐ์ หุ่นยนต์ และการพิมพ์ 3 มิติ คาดว่าจะเป็นปัจจัยสำคัญในการปฏิวัติสังคม เศรษฐกิจ และวัฒนธรรม
อุปกรณ์ไร้สายขนาดเล็ก ทำงานอัตโนมัติ เชื่อมต่อถึงกัน และบ่อยครั้งเหล่านี้มีบทบาทสำคัญในชีวิตประจำวันของเรา โดยช่วยให้เรามีทรัพยากรมากขึ้นและประหยัดพลังงาน มีระเบียบ ปลอดภัย และมีสุขภาพดี
อย่างไรก็ตาม มีความท้าทายที่สำคัญ – วิธีเพิ่มพลังให้กับอุปกรณ์ขนาดเล็กเหล่านี้ คำตอบที่ชัดเจนคือ “แบตเตอรี่” แต่มันไม่ง่ายอย่างนั้น
อุปกรณ์ขนาดเล็ก
อุปกรณ์เหล่านี้จำนวนมากมีขนาดเล็กเกินไปที่จะใช้แบตเตอรี่ที่มีอายุการใช้งานยาวนาน และอยู่ในสถานที่ห่างไกลหรือเข้าถึงยาก เช่น กลางมหาสมุทรเพื่อติดตามตู้คอนเทนเนอร์ขนส่งสินค้าหรือที่ด้านบนสุดของไซโลเก็บเมล็ดพืช ระดับของธัญพืช ตำแหน่งประเภทนี้ทำให้การบริการอุปกรณ์ IoT บางตัวมีความท้าทายอย่างมากในเชิงพาณิชย์และเป็นไปไม่ได้ในด้านลอจิสติกส์
Mike Hayes หัวหน้า ICT ด้านประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่ Tyndall National Institute ในไอร์แลนด์สรุปตลาด ‘คาดการณ์ว่าเราจะมีเซ็นเซอร์หนึ่งล้านล้านตัวในโลกภายในปี 2568’ เขากล่าว ‘นั่นคือหนึ่งพันพันล้านเซ็นเซอร์’
ตัวเลขดังกล่าวไม่ได้บ้าอย่างที่คิดในตอนแรก ตามที่ Hayes ผู้ประสานงาน โครงการ EnABLES ที่ได้รับทุนสนับสนุนจาก Horizon (โครงสร้างพื้นฐานของยุโรปที่ขับเคลื่อนอินเทอร์เน็ตของสิ่งต่างๆ) กล่าว
หากคุณนึกถึงเซ็นเซอร์ในเทคโนโลยีที่อาจมีคนพกติดตัวหรือมีอยู่ในรถ บ้าน สำนักงาน รวมถึงเซ็นเซอร์ที่ฝังอยู่ในโครงสร้างพื้นฐานรอบตัว เช่น ถนนและทางรถไฟ คุณจะเห็นได้ว่าตัวเลขนั้นมาจากไหน เขาอธิบาย .
‘ในโลกของเซ็นเซอร์ IoT ที่คาดการณ์ไว้ในปี 2025 เราจะทิ้งแบตเตอรี่มากกว่า 100 ล้านก้อนทุกวันลงในหลุมฝังกลบ เว้นแต่เราจะยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่อย่างมีนัยสำคัญ” เฮย์สกล่าว
อายุการใช้งานแบตเตอรี่
การฝังกลบไม่ได้เป็นเพียงปัญหาด้านสิ่งแวดล้อมเท่านั้น เราต้องพิจารณาด้วยว่าวัสดุทั้งหมดที่ใช้ทำแบตเตอรี่จะมาจากไหน โครงการ EnABLES เรียกร้องให้สหภาพยุโรปและผู้นำในอุตสาหกรรมคิดเกี่ยวกับอายุการใช้งานแบตเตอรี่ตั้งแต่เริ่มต้นเมื่อออกแบบอุปกรณ์ IoT เพื่อให้แน่ใจว่าแบตเตอรี่ไม่ได้จำกัดอายุการใช้งานของอุปกรณ์
‘เราไม่ต้องการให้อุปกรณ์มีอายุการใช้งานตลอดไป’ เฮย์สกล่าว ‘เคล็ดลับคือคุณต้องมีอายุยืนกว่าแอปพลิเคชันที่คุณให้บริการ ตัวอย่างเช่น หากคุณต้องการตรวจสอบอุปกรณ์อุตสาหกรรม คุณอาจต้องการให้อุปกรณ์ใช้งานได้นาน 5-10 ปี และในบางกรณี หากคุณใช้บริการเป็นประจำทุกๆ สามปี เมื่อแบตเตอรี่มีอายุการใช้งานนานกว่าสามหรือสี่ปีก็ถือว่าดีพอ’
แม้ว่าอุปกรณ์จำนวนมากจะมีอายุการใช้งานมากกว่า 10 ปี แต่โดยทั่วไปแล้วอายุการใช้งานแบตเตอรี่ของเซ็นเซอร์ไร้สายจะอยู่ที่หนึ่งถึงสองปีเท่านั้น
ขั้นตอนแรกในการยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่คือการเพิ่มพลังงานจากแบตเตอรี่ นอกจากนี้การลดการใช้พลังงานของอุปกรณ์จะยืดอายุแบตเตอรี่ แต่ EnABLES กำลังก้าวไปไกลกว่านั้น
โครงการนี้รวบรวมสถาบันวิจัยชั้นนำของยุโรป 11 แห่ง ร่วมกับผู้มีส่วนได้ส่วนเสียรายอื่น EnABLES กำลังทำงานเพื่อพัฒนาวิธีการใหม่ๆ ในการเก็บเกี่ยวพลังงานแวดล้อมขนาดเล็ก เช่น แสง ความร้อน และการสั่นสะเทือน
การเก็บเกี่ยวพลังงานดังกล่าวจะช่วยยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ให้ยาวนานขึ้น เป้าหมายคือการสร้างแบตเตอรี่ที่ชาร์จเองได้ยาวนานขึ้นหรือทำงานโดยอัตโนมัติในที่สุด
เครื่องเก็บเกี่ยวพลังงาน
เครื่องเก็บเกี่ยวพลังงานรอบข้าง เช่น เครื่องเก็บเกี่ยวแบบสั่นสะเทือนขนาดเล็กหรือแผงโซลาร์เซลล์ในร่ม ที่ผลิตพลังงานในปริมาณต่ำ (ในช่วงมิลลิวัตต์) สามารถยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ของอุปกรณ์ต่างๆ ได้อย่างมาก ตามข้อมูลของ Hayes ซึ่งรวมถึงสิ่งของในชีวิตประจำวัน เช่น นาฬิกา ป้ายระบุความถี่วิทยุ (RFID) เครื่องช่วยฟัง เครื่องตรวจจับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และเซ็นเซอร์อุณหภูมิ แสงและความชื้น
EnABLES ยังออกแบบเทคโนโลยีหลักอื่นๆ ที่จำเป็นสำหรับอุปกรณ์ IoT ขนาดเล็กอีกด้วย ไม่พอใจกับการปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงาน โปรเจ็กต์ยังพยายามพัฒนากรอบงานและเทคโนโลยีที่ได้มาตรฐานและทำงานร่วมกันได้สำหรับอุปกรณ์เหล่านี้
หนึ่งในความท้าทายที่สำคัญของเครื่องมือ IoT ที่ขับเคลื่อนด้วยตนเองคือการจัดการพลังงาน แหล่งพลังงานอาจไม่สม่ำเสมอและอยู่ในระดับต่ำมาก (ไมโครวัตต์) และวิธีการเก็บเกี่ยวที่แตกต่างกันจะจ่ายพลังงานรูปแบบต่างๆ ที่ต้องใช้เทคนิคที่แตกต่างกันในการแปลงเป็นไฟฟ้า
หยดคงที่
Huw Davies เป็นประธานเจ้าหน้าที่บริหารของ Trametoซึ่งเป็นบริษัทที่กำลังพัฒนาการจัดการพลังงานสำหรับการใช้งานไฟฟ้าแบบเพียโซ เขาชี้ให้เห็นว่าพลังงานจากอุปกรณ์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์มีแนวโน้มที่จะหลั่งไหลออกมาอย่างต่อเนื่อง ในขณะที่พลังงานจากอุปกรณ์เพียโซอิเล็กทริก ซึ่งแปลงพลังงานรอบข้างจากการเคลื่อนไหว (การสั่นสะเทือน) เป็นพลังงานไฟฟ้า โดยทั่วไปมาในลักษณะระเบิด
‘คุณต้องการวิธีเก็บพลังงานนั้นไว้ภายในร้านก่อนที่จะส่งเข้าสู่โหลด ดังนั้นคุณต้องมีวิธีจัดการมัน’ เดวีส์กล่าว
เขาเป็นผู้ประสานงานโครงการของ โครงการ HarvestAll ที่ได้รับทุนสนับสนุนจาก Horizon ซึ่งได้พัฒนาระบบการจัดการพลังงานสำหรับพลังงานแวดล้อมที่เรียกว่า OptiJoule
OptiJoule ทำงานร่วมกับวัสดุเพียโซอิเล็กทริก โฟโตโวลตาอิก และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบใช้ความร้อน มันสามารถทำงานกับแหล่งใด ๆ เหล่านี้ด้วยตัวเอง หรือกับแหล่งเก็บเกี่ยวพลังงานหลายแหล่งในเวลาเดียวกัน
เป้าหมายคือการทำให้เซ็นเซอร์อัตโนมัติสามารถพึ่งพาตนเองได้ โดยหลักการแล้วมันค่อนข้างง่าย “สิ่งที่เรากำลังพูดถึงคือเซ็นเซอร์พลังงานต่ำพิเศษที่ใช้การวัดแบบดิจิทัล” เดวีส์กล่าว ‘อุณหภูมิ ความชื้น ความดัน ไม่ว่าจะเป็นอะไรก็ตาม ด้วยข้อมูลจากสิ่งนั้นถูกส่งไปยังอินเทอร์เน็ต’
วงจรรวม
อุปกรณ์วงจรรวมการจัดการพลังงานของ HarvestAll จะปรับให้เข้ากับเครื่องเก็บเกี่ยวพลังงานที่แตกต่างกัน โดยจะใช้พลังงานที่แตกต่างกันและไม่ต่อเนื่องซึ่งสร้างขึ้นโดยผู้เก็บเกี่ยวเหล่านี้และจัดเก็บไว้ เช่น ในแบตเตอรี่หรือตัวเก็บประจุ จากนั้นจะจัดการการส่งพลังงานที่สม่ำเสมอไปยังเซ็นเซอร์
เช่นเดียวกับโครงการ EnABLES แนวคิดคือการสร้างเทคโนโลยีที่ได้มาตรฐานซึ่งจะช่วยให้มีการพัฒนาอย่างรวดเร็วของอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ยาวนาน/อุปกรณ์ IoT แบบอัตโนมัติในยุโรปและทั่วโลก
เดวีส์กล่าวว่าวงจรการจัดการพลังงานทำงานอย่างอิสระและอัตโนมัติอย่างสมบูรณ์ ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้สามารถเสียบเข้ากับเครื่องเก็บเกี่ยวพลังงาน หรือเครื่องเกี่ยวนวดและเซ็นเซอร์ร่วมกันได้ Davies กล่าวว่าการทดแทนแบตเตอรี่มีข้อได้เปรียบที่สำคัญเนื่องจาก ‘มันจะใช้งานได้’
การวิจัยในบทความนี้ได้รับทุนจากสหภาพยุโรป บทความนี้เผยแพร่ครั้งแรกในHorizonนิตยสาร EU Research and Innovation
ข้อมูลเพิ่มเติม
ตามลิงค์ด้านล่างสำหรับข้อมูลเพิ่มเติม
