¿Dónde puedo recolectar energía en mi hogar para alimentar mis sensores inalámbricos?

Estaba leyendo este artículo, "Cinco componentes básicos de los nodos de sensores inalámbricos autoalimentados" (compartido en Meta ) sobre la recolección de energía en IoT.

Enumera un par de fuentes de energía aprovechables, por ejemplo:

• energía térmica
• energía vibratoria

Estoy planeando implementar algunos prototipos, dispositivos de cosecha para explorar las posibilidades. Para obtener algunos datos experimentales sobre cuánta energía se puede cosechar en mi hogar. Actualmente estoy tratando de identificar los posibles lugares en mi hogar donde estos recolectores de energía podrían colocarse y utilizarse de manera eficiente.

Lo que pensé de:

• Tal vez se pueda conectar una cosechadora de energía vibratoria a la lavadora en el baño. Entorno de riesgo ya que la humedad puede ser bastante alta, por lo que se necesita protección adecuada.
• La cosechadora de energía térmica podría colocarse cerca del horno en la cocina.
• Se podrían colocar cosechadoras de energía térmica cerca de los elementos de calefacción en las habitaciones.

¿Qué otras partes del apartamento debo colocar más cosechadoras para experimentar?

Entonces, por ejemplo, ¿puede un horno microondas ser una posible fuente u otros aparatos de cocina de uso frecuente?

Tengo una caldera eléctrica encima de mi baño (dentro del apartamento), así que quizás las tuberías de agua caliente que bajan al baño también son buenas fuentes.

¿Qué más podría haber allí? ¿Hay más posibilidades de cosechar energía vibratoria en un hogar?

PUERTAS !!!

¡No sé si está dentro del alcance de su pregunta, pero no puede imaginar la energía desperdiciada de abrir / cerrar una puerta!

Una tira cómica francesa llamada Gaston Lagaffe escrita en 1970 presentó a una persona que cosechaba la energía de una puerta abierta para presionar naranjas, imprimir una imagen, hacer café, ...

EDITAR , gracias al comentario de Olivier Dulac, pude encontrar la tira sin tener que leer toda mi colección Gaston. Traducción de mi parte, pero no puedo traducir la última imagen, es un juego de palabras en francés sobre las palabras de deshacernos de nosotros mismos cuando estamos enojados.

Para permanecer en el alcance de su pregunta, estoy pensando en algunos escenarios:

• Pasos? Cosechando la vibración con una placa donde la gente camina más: entrada, donde pones tus abrigos, cerca de un campo de juego Kinect.
• Computadoras, servidores: cosechan su calor.
• Haga una caldera al aire libre con paneles de techo de agua caliente (por supuesto, necesita el acuerdo de su propietario) y aproveche el calor.
• Hay zapatos de carga!

La energía solar es incluso en interiores una alternativa a la recolección de energía térmica y vibracional. Esta fotovoltaica de interior utiliza tanto la luz natural como la luz artificial.

Sobre la viabilidad de la recolección de energía de luz interior para redes inalámbricas de sensores (Carlos Carvalho y Nuno Paulino) se analiza la recolección de energía de luz interior de la iluminación natural atenuada. Los autores describen la alimentación de un nodo sensor inalámbrico de baja potencia con un nivel de potencia promedio de 11.51 µW. Este bajo nivel de potencia promedio se logra mediante un ciclo de trabajo muy bajo del sistema que realiza una transmisión cada hora solamente.

El dimensionamiento de cosechadoras de energía solar para redes de sensores inalámbricos (Murata Application Note M1002) compara diferentes fuentes de energía ambiental:

Claramente, el uso de la luz ambiental en un ambiente interior produce un rendimiento más bajo que otras fuentes, aún así podría funcionar para ciertos casos de uso.

Si bien tengo tantas respuestas valiosas a mi pregunta, también he investigado más sobre el tema.

He encontrado una solución de recolección adicional y también un excelente diseño de referencia sobre un nodo sensor inalámbrico alimentado por energía solar, sin usar una batería.

Primero, el método adicional de Texas Instruments, que se llama técnica de recolección con interruptor de RF . (Vale la pena ver el video, la parte del interruptor de RF comienza a las 2:29.) Se basa en un interruptor magnético cuya estructura se puede ver en la imagen a continuación.

En el dibujo aquí en rojo está la parte del interruptor que el usuario presionará. Tenemos un imán dentro con los dos polos. Y esto está creando un campo magnético a través de este núcleo de regreso al otro polo.

Cuando el usuario activa el interruptor, puede ver los cambios en el campo. Va en la dirección opuesta a través del núcleo. Y sabemos por las ecuaciones de Maxwell que este cambio en el campo magnético a través de estos devanados producirá una corriente. Esta es la energía que podemos cosechar y utilizar.

El interruptor produce una corriente alterna que necesita convertirse en corriente continua que puede cargar un condensador. Entonces, la energía almacenada en el condensador se puede usar para alimentar una MCU inalámbrica de baja potencia.

TI se dio cuenta de esto y pudieron suministrar suficiente energía durante 21 milisegundos para la MCU inalámbrica.

El diseño de referencia es un dado solar que puede transmitir de forma inalámbrica los datos de un acelerómetro a un teléfono inteligente. La solución no utiliza batería y es bastante compacta. Vale la pena leer o navegar por los datos de prueba , esquemas y otros documentos proporcionados.

Esta es una idea que he tenido que tiraré aquí ...

Parece que debería ser posible tener un dispositivo pequeño que simplemente conecte un cable de alimentación varias veces (o enrolle el dispositivo alrededor del cable de alimentación, no estoy seguro de cuál). Cuando el dispositivo "host" se enciende y la corriente fluye, el "parásito" en el cable de alimentación se encenderá, obviamente, no mucho. Pero, tal vez lo suficiente como para enviar periódicamente un "ping" inalámbrico con una ID (como una dirección MAC) a algún receptor. Lo que esto te daría es un sensor que te dirá cada vez que se encienden dispositivos "tontos". Según la frecuencia de los pings, incluso podría inferir cuánta energía estaba usando el dispositivo tonto.

Dado que el mecanismo sería simple y económico, y no requeriría aprobación regulatoria para enchufarlo a la red eléctrica (UL / CE, etc.) posiblemente alguien podría venderlos en paquetes por un precio objetivo de ~ $ 5 cada uno. Cuando obtienes suficientes (lo cual sería el punto de tener mucho), un sistema de aprendizaje automático podría aprender cosas sobre tus hábitos: el secador de pelo está encendido, probablemente es ~ 30 minutos antes de acostarse. La cafetera está encendida, enciende la radio ... ese tipo de cosas. Y no tiene que comprar un secador de pelo inteligente o una máquina de café que cuesta 30-40 veces más que un sensor de $ 5 solo para obtener esos datos de uso.

Los radiadores deben ser una fuente de vibración (impulsada por la bomba), aunque probablemente necesite investigar las frecuencias de resonancia con bastante cuidado.

También es posible incorporar la recolección de energía cinética en los interruptores , aunque ese no es el caso de uso que está imaginando.

El otro lado de la ecuación es determinar cuánta energía necesita para una transmisión, lo que le dará información sobre la frecuencia con la que es posible transmitir, junto con su fuga / drenaje en espera.

Esta es una gran idea para recolectar energía de nuestro uso diario de energía. Pero debes tener en cuenta que la energía que cosechas proviene de alguna parte. Si desea obtener algo de calor de los elementos de calefacción de su habitación, debe tener en cuenta que todo el calor convertido en electricidad a través de su dispositivo no calentará la habitación. Por lo tanto, el calentador de su habitación tendrá que consumir más electricidad si desea mantener su habitación tan cómoda como solía ser antes de configurar su cosechadora de calor.

• Tome calor de los dispositivos donde se desperdicia calor (es decir, cualquier objeto cuyo papel principal no sea calentar, como las computadoras de los servidores, como se dijo anteriormente) parece estar más en el espíritu de lo que desea lograr.
• En un estilo Gaston-Lagaffe, puede configurar dispositivos pequeños en puertas, escaleras, etc. para crear energía cada vez que pase. Una idea, entre otras, puede instalar una pequeña dinamo en la parte superior de sus escaleras, y cada vez que baja toma una cuerda de nylon y ejecuta la dinamo. Una vez abajo, sueltas el cable y se rebobina. El cable de nylon durará unos 20 m si sus escaleras tienen 10 m de largo, por lo que con una buena relación de transmisión y una dinamo eficiente puede generar la cantidad de energía que necesita para cualquier dispositivo pequeño.

1. Señales wifi

   Olvídate de robar el Wi-Fi de tu vecino para navegar por Internet. Utilizando materiales cotidianos baratos, los investigadores de la Escuela de Ingeniería Pratt de la Universidad de Duke han desarrollado un dispositivo notable que puede convertir las señales de microondas, como las que se utilizan para transmitir Internet de forma inalámbrica, en electricidad utilizable. Por lo tanto, en el futuro, es posible que pueda utilizar la red Wi-Fi de su vecino para alimentar su hogar.

2. Campos EM de los cables de CA detrás de la pared (si está montado cerca de un cable eléctrico).

   Resumen: Ha habido un considerable interés en la recolección de energía para redes inalámbricas de sensores. Se ha propuesto la recolección de energía de fuentes térmicas como el calor corporal y fuentes mecánicas como el movimiento humano. También hay sistemas de redes de sensores que recogen energía de la parte visible del espectro electromagnético. Sin embargo, los niveles de luz ambiental en ambientes interiores son típicamente significativamente más bajos que los encontrados en exteriores y dependen mucho de la naturaleza del ambiente interior considerado. Recientemente, se propuso la sincronización del reloj de baja potencia utilizando energía electromagnética que irradia desde las líneas de alimentación de CA. En este documento, damos un paso adelante e intentamos responder la pregunta: ¿Se puede recolectar energía de la energía electromagnética que irradia de las líneas de alimentación de CA y utilizarla para operar una red de sensores inalámbricos con un ciclo de trabajo bajo? Encontramos que tal cosecha de energía parece prometedora.

1. Una bicicleta estática / cinta montada en una dinamo. Esto también le dará un incentivo para hacer ejercicio.
2. En lugar de utilizar el horno de microondas / horno de convección, que se comerá en su función, puede colocar una pequeña chimenea sobre el lugar de cocción (aunque los vapores que se escapan pueden suponer un problema).
3. No sé exactamente cómo, pero la gente se sienta en el sofá todo el día. Sé que es energía potencial, pero allí se podría lograr algo.
4. La idea de la puerta de las respuestas anteriores es genial.
5. Pequeños molinos de viento en el patio.
6. Las células solares (disponibles a bajo precio ahora) se pueden usar afuera.
7. Más loco : usar una pequeña turbina debajo de la ducha / grifo

Un diferencial de temperatura a menudo disponible que podría cosecharse sería:

La diferencia entre la temperatura interna de la casa y la externa .

Con un entorno de vida con temperatura controlada, a menudo habría un diferencial no trivial, de una forma u otra. Incluso sin eso, la temperatura externa a menudo cambia durante 24 horas, mientras que tratamos de mantener constantes las temperaturas internas: gran parte del día todavía podría haber un diferencial. Sé que el diferencial es menor, pero el punto es que está ahí la mayor parte del tiempo.

Una gran ventaja de esto, me parece a mí, para los sensores iOT, es que la fuente de energía está disponible en gran parte de la periferia del espacio habitable: techo, ventanas, paredes, piso (tal vez).

Por otra parte, tal vez solo estoy pensando que esto es razonable porque vivo en Australia y tenemos días por encima de los 40 grados centígrados. ;-)

No he hecho ningún cálculo para determinar si podrías cosechar suficiente energía ... Pero, obviamente, depende de cuánto necesites.

Una ventaja es que, al ser un dispositivo tan pasivo y de forma plana, probablemente podría diseñar algo bastante grande, por ejemplo, ¿6 pulgadas cuadradas? pero sigue siendo estéticamente agradable para montaje en techo o pared.

Una desventaja es que puede tener días seguidos donde no hay mucha diferencia, si la temperatura externa oscila alrededor de una temperatura ambiente confortable.

Solo un pensamiento. Aclamaciones.

APÉNDICE: Sí, sé que esto no es energía libre, pero el OP no lo pidió explícitamente. Un problema común con los dispositivos IoT es tener cables en todas partes. ¿Quizás el OP, al menos parcialmente, solo quiere evitar eso?

Tú.

El humano promedio produce 100 vatios de potencia en reposo . Eso es suficiente para poder aproximadamente 6 computadoras portátiles (suponiendo la estimación de 15 W para una computadora portátil de gama baja) si puede convertir el 100% de la energía que produce en electricidad. Por supuesto, no podemos vencer las leyes de la física e inevitablemente no puedes convertir el 100% de tu energía en electricidad; después de todo, necesita energía para su metabolismo y funciones corporales.

Hay startups creando fieltro que genera energía a partir del calor de su cuerpo (a partir de eso se pueden generar aproximadamente 1 o 2 vatios).

Alternativamente, puede usar una bicicleta estática para generar electricidad, como se muestra en este infografía realmente agradable del IEEE .

Y, si todo lo demás falla, siempre puede pedalear manualmente sus sensores:

^{Fuente: Wikipedia (dominio público)}

Este método depende de que estés dentro (y algunos métodos dependen de que estés realmente presente para operar la manivela / pedal / dinamo), por lo que no es completamente infalible.

Usted menciona generar electricidad a partir del calor. Todos los dispositivos que convierten la energía térmica en trabajo tienen un lado caliente y uno frío. La energía máxima teórica disponible del calor proviene de la diferencia entre esas temperaturas. Esto significa que las cosas frías son tan buenas para generar energía como las cosas calientes, pero lo hará aún mejor si puede obtener una cosa caliente muy cerca de una cosa fría y colocar un generador termoeléctrico en el medio.

También debes tener cuidado de no cosechar la energía que estás pagando para crear. Podría obtener algo de energía entre las tuberías de agua caliente y las tuberías de agua fría, pero entonces solo está haciendo que su calentador de agua trabaje más duro, también podría usar la alimentación de la red y pagarla directamente.

Por otro lado, si explota el diferencial de energía entre una tubería de aguas residuales (supongamos que alguien toma una ducha caliente o drena la pasta) y una tubería fría, entonces su agua fría se calienta un poco y sus aguas residuales se enfrían un poco, ninguno de estos es probable que sea un problema (a menos que la tubería fría específica que está utilizando alimente a su refrigerador).

Nieve deslizándose del techo

Esta es una respuesta particularmente al norte, pero si tiene un techo de metal con una pendiente bastante empinada y recibe una cantidad de nieve decente en el año, se desperdicia bastante energía cuando se desliza.

Alternativamente, para las personas que reciben menos nieve en el año, el agua de lluvia que sale del techo es un buen lugar para cosechar energía. Una dinamo eléctrica se puede conectar a sus canales, produciendo energía cada vez que llueve.

También podría estar conectado a su conexión a Internet y monitor:

1. La cantidad de lluvia
2. La cantidad de energía generada.
3. Una comparación entre la lluvia anticipada (del pronóstico del tiempo) y la lluvia real

Potencialmente, incluso podría tener sensores en las canaletas para ajustar la capacidad de generación de dinamo en función de la cantidad de agua que fluye.

Tu teléfono fijo.

Hay alrededor de 48V disponibles en cualquier línea fija en su casa. Un montón de malos artículos en Internet sobre este, aunque esto parece ser la mejor que he visto.

La Parte 68 de las reglamentaciones de telecomunicaciones de la Comisión Federal de Comunicaciones de EE. UU. Establece que cualquier dispositivo que se conecte a la línea telefónica y no se comunique activamente debe presentar una resistencia de al menos 5 MΩ

Muchas cocinas y otros electrodomésticos también tienen vibraciones significativas. Piense en lavavajillas y microondas en la cocina. Lavadoras y secadoras. Cualquier parte de la electrónica con un motor (¿ventiladores de enfriamiento, giradiscos?) Probablemente tenga una salida de vibración notable.

Hay muchas opciones posibles, pero en términos de la forma más fácil de cosechar mi lista sería:

1. Energía térmica captada por elementos termoeléctricos de Peltier . Los elementos termoeléctricos no son caros y están disponibles en Europa , en Alibaba.COM y Amazon.COM .

   Tenga en cuenta que en 1930 se utilizaron elementos termoeléctricos en radios de la URSS en tundras que recolectaban energía de lámparas de carburo .

2. La energía solar tiene hoy en día productos muy sofisticados y geniales. Por ejemplo, algo como SolarWindow puede ser un motivador para usarlo.

3. Los polímeros piezoeléctricos (descubiertos en 1880 por Pierre Curie y su hermano) son materiales realmente fascinantes. Durante varios años, mi equipo está jugando con el material PolyPower presentado por la empresa danesa Danfoss .

Una respuesta un poco oscura es "del sensor". Al impulsar el evento de hardware, puede mejorar la potencia de reserva en una magnitud tan grande que una batería puede considerarse una parte no reemplazable de su hardware.

Vea esta investigación de la Universidad de Bristol donde han optimizado un elemento de conmutación para la fuga de pA. Aunque he visto esto antes, no aprecié el valor práctico hasta que vi un video que describía el alcance para usar el dispositivo.