IoT, AI và Edge Computing thúc đẩy phát triển năng lượng thông minh

Ngày: 04/01/2021

Mục lục
Công nghệ đang có xu hướng hướng tới các ứng dụng năng lượng thấp, bao gồm mạng năng lượng thấp, cấy ghép y tế, thiết bị đeo, robot, thiết bị di động, nhà máy thông minh v.v. Tuổi thọ pin luôn được xem xét trong các thiết bị năng lượng thấp, các ứng dụng ở một địa điểm xa và cấy ghép y tế.

Bài viết này sẽ kiểm tra quản lý năng lượng thông minh, bao gồm thu hoạch năng lượng bằng ánh sáng mặt trời, nhiệt và chuyển động. Liệu có thể có một nguồn năng lượng tái tạo bền vững mà chúng ta có thể sử dụng trong cuộc sống hàng ngày và các tình huống khẩn cấp không?
 
IoT, AI và Edge Computing thúc đẩy phát triển năng lượng thông minh
 

Vấn đề tìm nguồn năng lượng ở biên


Sự phát triển của internet vạn vật (IoT) đã mạnh mẽ đến mức dự đoán sớm 50 tỷ thiết bị IoT của Cisco vào năm 2020 đang ngày càng khả thi. Tuy nhiên, việc mở rộng IoT sẽ gây ra tắc nghẽn về hậu cần, đặc biệt là năng lượng.

Ví dụ, có một chi phí đáng kể liên quan đến việc sản xuất pin lớn. Ngoài ra, lượng lithium thô cần thiết để sản xuất đủ pin để cung cấp năng lượng cho các thiết bị IoT này sẽ vượt xa sản lượng lithium toàn cầu hàng năm. Ngoài ra, việc cài đặt và thay thế các pin này cho mọi thiết bị IoT sẽ đòi hỏi rất lớn, và có thể không thể đánh giá được, chi phí, thời gian và lao động. Theo một tính toán, trong một thế giới có 1 nghìn tỷ thiết bị IoT chạy bằng pin và thời lượng pin trung bình là 10 năm, vẫn sẽ có hơn 250 triệu thiết bị IoT cần thay pin mỗi ngày. Hơn nữa, pin lithium cũ, bị loại bỏ mang lại gánh nặng đáng kể cho môi trường. Nhiều thiết bị sẽ được cài đặt ở những vị trí xa hoặc khó tiếp cận càng làm tăng thêm thách thức.

Ví dụ về các địa điểm từ xa bao gồm các mỏ dầu và tua bin gió. Hoặc lấy trường hợp khoang ngực của bệnh nhân tim, nơi các bác sĩ cần cài đặt và sau đó có thể thay thế máy tạo nhịp tim bằng phẫu thuật.

Chúng ta có thể cố gắng làm cho pin bền hơn bằng cách giảm mức tiêu thụ năng lượng của thiết bị. Ví dụ, các mạch và cảm biến tích hợp được chế tạo bằng các công nghệ như Bluetooth Low Energy có mức tiêu thụ năng lượng cực thấp. Ngoài ra, một bộ đếm thời gian đánh thức thức ăn khác, sẽ kích hoạt các cảm biến để thực hiện các tác vụ trong một khung thời gian ngắn chỉ khi cần thiết có thể giảm mức tiêu thụ năng lượng tới 1.000 ×. Ngoài ra, chúng ta có thể tăng dung lượng pin cao hôn. Ví dụ, làm việc với các nhà nghiên cứu khác, Nokia Labs đã phát triển một loại pin mới hứa hẹn mang lại tuổi thọ 2,5 lần cho pin ngày nay.

Cuối cùng, chúng ta có thể sử dụng sạc cảm ứng hoặc sạc không dây, truyền năng lượng cho thiết bị IoT từ xa. Ví dụ, máy tạo nhịp tim cấy ghép ban đầu có thể sạc lại . Tuy nhiên, những máy tạo nhịp có thể sạc lại này cần phải thay thế thường xuyên. Ngoài ra, nếu bệnh nhân quên sạc máy tạo nhịp tim, hậu quả có thể đe dọa đến tính mạng.

Vì những lí do trên, các thiết bị IoT không dùng pin có thể thu năng lượng từ môi trường xung quanh là cần thiết.
 

Năng lượng mặt trời 


Năng lượng mặt trời là một công nghệ đã được thiết lập, trong đó bức xạ mặt trời, hay năng lượng quang điện, được thu hoạch và sau đó chuyển đổi thành dòng điện. Thách thức chính cho việc thích ứng năng lượng mặt trời cho IoT không dùng pin sẽ là thu nhỏ và linh hoạt.

Alta Devices đã phát triển một panel thu năng lượng mặt trời bằng vật liệu gọi là gallium arsenide. Các tấm mini của nó được cho là hiệu quả hơn, mỏng, nhẹ và linh hoạt hơn các tấm thông thường. Alta Devices đã áp dụng pin mặt trời của mình để cung cấp năng lượng cho các vệ tinh nhỏ, chi phí thấp có chứa các cảm biến điện từ, bức xạ và quán tính để phân tích khoa học về khí quyển. 

Các công ty khác đã phát triển các tấm pin mặt trời nhỏ gọn, năng lượng thấp có thể được cài đặt trên các thiết bị IoT bao gồm VVoltaic Systems, ON Semiconductor, Ribes Tech, e-peas, EnOcean, and Everactive. Một số công ty này cũng sản xuất các bảng linh hoạt, dễ dàng thích ứng với các thiết bị IoT khác nhau. Đáng chú ý, Everactive có thể thu hoạch năng lượng mặt trời ngay cả trong những căn phòng thiếu sáng. Exeger , mặt khác, đang đi một con đường thu hoạch ánh sáng khác. Họ sử dụng vật liệu nano, giống như chất diệp lục trong thực vật, chuyển đổi các photon thành năng lượng.
 

Năng lượng từ Nhiệt lượng (Thân) Nhiệt


Ngày nay, hơn 30% năng lượng được tạo ra trong ngành bị mất do nhiệt thải. Do đó, có một lượng năng lượng đáng kể có thể được thu hoạch trong các quy trình công nghiệp hoặc xe hơi.

Có một số cách để thu hoạch nhiệt. Van sưởi tự cấp nguồn, được kích hoạt bởi bộ chuyển đổi DC-DC và phần tử Peltier, cần chênh lệch nhiệt độ chỉ 2 ° C để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử. Năng lượng nhiệt cũng có thể thu được thông qua các vật liệu nhiệt điện, chẳng hạn như tinh thể, chuyển đổi nhiệt độ không đổi thành năng lượng điện.

Ví dụ, máy gặt năng lượng nhiệt Evercell của The Face Enterprises tận dụng sự chênh lệch nhiệt độ trong vật liệu để tạo ra điện, miễn là nhiệt độ môi trường cao hơn độ không tuyệt đối. Các công ty khác như e-peas, EnOcean và Everactive cũng đã phát triển một công nghệ để thu hoạch năng lượng từ chênh lệch nhiệt độ.

Về mặt y tế, các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu các máy phát nhiệt điện có thể chuyển đổi nhiệt từ cơ thể người thành điện áp thành cảm biến y tế. Cuối cùng, một phòng thí nghiệm khác đang nghiên cứu phát triển máy tạo nhịp tim được cung cấp năng lượng từ các bộ phận của cơ thể con người có chênh lệch nhiệt độ 5 độ C.
 

Năng lượng từ Chuyển động


Nhiều cách để thu hoạch năng lượng từ chuyển động bao gồm năng lượng cơ học, năng lượng rung động và năng lượng sóng.

Năng lượng cơ học được thu hoạch thông qua các vật liệu áp điện, có thể tạo ra điện từ áp suất bằng cách tích lũy một điện tích để đáp ứng với kích thích cơ học. Đèn hiệu caster của Dai Nippon Printing không dùng pin. Caster bao gồm một đơn vị phát điện quay loại cảm ứng điện từ và mạch đèn hiệu. Trong khi caster đang lăn, nó tạo ra năng lượng quay để vận hành đèn hiệu. Ngoài ra, một nhóm các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc đã phát triển một máy tạo nhịp tự cấp, thu hoạch năng lượng từ nhịp tim. Cho đến nay, máy tạo nhịp tim chỉ được thử nghiệm trên lợn.

Có nhiều rung động từ các máy móc trong hầu hết các thiết lập công nghiệp. Năng lượng có thể được chiết xuất từ ​​hầu hết các rung động và biến thành điện bằng máy gặt điện động. Ví dụ, ReVibe Energy đang phát triển các cảm biến chạy bằng rung có các ứng dụng trong ngành hàng không, công nghiệp, khai thác mỏ và đường sắt, nơi có các nguồn rung liên tục. Các công ty khác như EnOcean, Everactive và e-peas cũng đã phát triển các sản phẩm để thu hoạch năng lượng rung động.

Một cách tiếp cận áp điện cũng có thể cho phép khai thác năng lượng từ thủy triều để chuyển đổi thành điện năng. Xây dựng một thiết bị áp điện vào một máy bơm dưới nước của một giàn khoan dầu ngoài khơi giúp nó có thể thu hoạch năng lượng từ sóng. Năng lượng thu hoạch có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các cảm biến IoT. Bằng cách này, một cảm biến IoT theo dõi trạng thái bơm có thể được cấp nguồn để thu thập và truyền dữ liệu. Một phòng thí nghiệm nghiên cứu tại MIT cũng sử dụng phương pháp áp điện để phát triển cảm biến không dùng pin để thăm dò dưới nước.
 

Năng lượng từ Sóng radio và Tín hiệu TV


Sóng vô tuyến là một loại bức xạ điện từ. Năng lượng điện từ có rất nhiều trong không gian, đến từ nhiều nguồn khác nhau như trạm vệ tinh, internet không dây, đài phát thanh và phát sóng đa phương tiện kỹ thuật số.

Một hệ thống năng lượng thu hoạch năng lượng tần số vô tuyến bao gồm ăng-ten và mạch chỉnh lưu. Hệ thống thu hoạch có thể thu và chuyển đổi năng lượng điện từ thành dòng điện xoay chiều hoặc dòng điện trực tiếp.

Thẻ Bluetooth không dùng pin của Wiliot cũng có thể thu năng lượng từ năng lượng tần số vô tuyến xung quanh trong môi trường xung quanh. Everactive cũng đã phát triển các sản phẩm tương tự. Cuối cùng, đậu Hà Lan đã phát triển các công nghệ để quét năng lượng từ các nguồn tần số vô tuyến khác nhau.
 

Năng lượng từ Sạc không dây


Nếu thu hoạch năng lượng từ môi trường xung quanh là không khả thi, việc truyền năng lượng từ nguồn bên ngoài sang thiết bị IoT có thể là một giải pháp thay thế. Ví dụ, bộ sạc không dây tầm xa, nhỏ gọn của Wi-Charge có thể được cắm vào ổ cắm điện tiêu chuẩn và sau đó được sử dụng để truyền năng lượng đến các thiết bị IoT ở khoảng cách 30 feet. Những bộ sạc không dây từ xa này sẽ loại bỏ sự cần thiết của dây nguồn cũng như thay pin.

Nỗ lực phát triển máy tạo nhịp tim có thể được sạc không dây, được ghi nhận trước đó, gần đây đã có một khởi động lại đáng kể. Một nhóm hợp tác từ Đại học Rice và Viện Tim Texas đã phát triển một máy tạo nhịp tim không dùng pin, thu hoạch năng lượng tần số vô tuyến được truyền bởi một bộ pin bên ngoài. Chiến lược này có thể vượt qua nhu cầu trước đây để thay thế pin cũ thông qua phẫu thuật. Ngoài ra, phương pháp này khắc phục vấn đề bệnh nhân quên sạc máy tạo nhịp tim, bởi vì một cơ chế bên ngoài giờ đây có thể kiểm soát việc truyền năng lượng tần số vô tuyến cho máy tạo nhịp tim.
 

Xu hướng và thách thức trong tương lai


Pin đã có từ nhiều năm. Không dùng pin có lợi ích lâu dài và bền vững, nhưng nó sẽ đòi hỏi đầu tư trả trước để thực hiện các công nghệ thu hoạch năng lượng. Ngoài ra, có những vấn đề tiềm năng cần được giải quyết.

Mặc dù chúng ta có thể cố gắng chọn nguồn năng lượng phù hợp nhất để thu hoạch trong hệ thống không dùng pin, chúng ta vẫn cần chuẩn bị cho việc mất năng lượng tiềm năng. Do đó, hệ thống IoT không dùng pin cần phải tiết kiệm năng lượng nhất có thể. Ví dụ, một nền tảng giao tiếp không dây từ Jeeva Wireless đã giảm công suất 10.000 × so với các bộ đàm thông thường. Ngoài ra, chúng ta cần các cảm biến thông minh để phân tích năng lượng cần thiết để hoàn thành mỗi chu kỳ truyền cảm giác và khoảng thời gian lặp lại cần thiết; bằng cách này, chúng ta có thể đảm bảo rằng có đủ năng lượng được thu hoạch để thực hiện chu trình.

Một thách thức khác sẽ là cải thiện tuổi thọ và hiệu suất của các thành phần không dùng pin của thiết bị IoT. Những nỗ lực để tăng tuổi thọ của pin, đặc biệt đối với máy điều hòa nhịp tim, đã không đạt được lực kéo vì không có điểm nào trong việc phát triển pin vượt xa các thành phần khác; một cuộc phẫu thuật sẽ là cần thiết để thay thế toàn bộ hệ thống ngay khi một thành phần không còn tồn tại. Do đó, điều quan trọng là đảm bảo tiến trình thực hiện trong hệ thống cung cấp điện phù hợp chặt chẽ với phần còn lại của thiết bị IoT.

Xem thêm: