Onde posso coletar energia em minha casa para alimentar meus sensores sem fio?

Eu estava lendo este artigo, "Cinco blocos de construção de nós de sensores sem fio auto-alimentados" (compartilhados no Meta ) sobre a coleta de energia na IoT.

Ele lista algumas fontes de energia colhíveis, por exemplo:

• energia térmica
• energia de vibração

Estou planejando implementar algum protótipo, dispositivos de colheita para explorar as possibilidades. Para obter alguns dados experimentais sobre quanta energia pode ser colhida em minha casa. Atualmente, estou tentando identificar os possíveis pontos em minha casa onde esses coletores de energia podem ser colocados e usados ​​com eficiência.

O que eu pensei:

• Talvez um coletor de energia por vibração possa ser conectado à máquina de lavar no banheiro. Ambiente arriscado, pois a umidade pode ser bastante alta, portanto é necessária uma proteção adequada.
• Coletor de energia térmica pode ser colocado perto do forno na cozinha.
• Coletores de energia térmica podem ser colocados perto dos elementos de aquecimento nos quartos.

Em que outras partes do apartamento devo colocar mais ceifeiras para experimentar?

Por exemplo, um forno de microondas pode ser uma fonte possível ou outros utensílios de cozinha usados ​​com frequência?

Eu tenho uma caldeira elétrica acima do meu banheiro (dentro do apartamento), então talvez os canos de água quente que correm até o banheiro também sejam boas fontes.

O que mais poderia estar lá? Existem mais possibilidades de coletar energia vibratória em uma casa?

PORTAS !!!

Não sei se isso está no escopo da sua pergunta, mas você não pode imaginar a energia desperdiçada de abrir / fechar uma porta!

Uma história em quadrinhos francesa chamada Gaston Lagaffe, escrita em 1970, apresentou uma pessoa que colhia a energia de uma porta de abertura para pressionar laranjas, imprimir uma foto, fazer café, ...

EDIT , graças ao comentário de Olivier Dulac, eu consegui encontrar a tira sem ter que ler toda a minha coleção Gaston! Traduzindo se de mim, mas não consigo traduzir a última imagem, é um trocadilho francês com palavras sobre desequilibrar a nós mesmos quando estamos loucos.

Para permanecer no escopo da sua pergunta, estou pensando em alguns cenários:

• Passos? Colheita da vibração com uma placa onde as pessoas andam mais: entrada, onde você coloca seus casacos, perto de um campo de jogos Kinect.
• Computadores, servidores: colha o calor.
• Faça uma caldeira ao ar livre usando painéis de teto de água quente (é claro que você precisa do acordo do seu senhorio) e colha o calor.
• Há sapatos de carregamento!

A energia solar é ainda dentro de casa uma alternativa à captação de energia térmica e vibracional. Essa energia fotovoltaica interna utiliza tanto a luz natural quanto a artificial.

Sobre a viabilidade da captação de energia luminosa em ambientes internos para redes de sensores sem fio (Carlos Carvalho e Nuno Paulino) discute a captação de energia luminosa em ambientes internos da iluminação natural atenuada. Os autores descrevem a alimentação de um nó sensor sem fio de baixa potência com um nível médio de energia de 11,51 µW. Esse baixo nível médio de energia é atingido por um ciclo de operação muito baixo do sistema, fazendo apenas uma transmissão a cada hora.

Dimensionamento de coletores de energia solar para redes de sensores sem fio (nota de aplicação Murata M1002) compara diferentes fontes de energia ambiente:

Claramente, o uso da luz ambiente em um ambiente interno produz um retorno mais baixo do que outras fontes, ainda assim poderia funcionar em certos casos de uso.

Embora tenha respostas valiosas para a minha pergunta, também fiz algumas pesquisas adicionais sobre o assunto.

Encontrei uma solução de colheita adicional e também um excelente design de referência sobre um nó sensor sem fio, alimentado por energia solar, sem usar uma bateria.

Primeiro, o método adicional da Texas Instruments, que é chamado de técnica de colheita de chaves de RF . (Vale a pena assistir ao vídeo, a parte do comutador de RF começa às 2:29.) É baseado em um comutador magnético cuja estrutura pode ser vista na imagem abaixo.

No desenho aqui no vermelho está a parte do interruptor que o usuário pressionará. Temos um ímã dentro com os dois pólos. E isso está criando um campo magnético através desse núcleo de volta ao outro polo.

Quando o usuário aciona a chave, você pode ver as alterações do campo. Vai na direção oposta através do núcleo. E sabemos pelas equações de Maxwell que essa mudança no campo magnético através desses enrolamentos produzirá uma corrente. É a energia que podemos colher e fazer uso.

O comutador produz uma corrente CA que precisa ser convertida em corrente CC, que pode carregar um capacitor. Em seguida, a energia armazenada no capacitor pode ser usada para alimentar um MCU sem fio de baixa potência.

A TI realmente percebeu isso e eles foram capazes de fornecer energia suficiente por 21 milissegundos para o MCU sem fio.

O design de referência é um Solar Dice que pode transmitir sem fio os dados de um acelerômetro para um smartphone. A solução não usa uma bateria e bastante compacta. Vale a pena ler ou navegar nos dados de teste , esquemas e outros documentos fornecidos .

Essa é uma ideia que eu vou jogar aqui ...

Parece que deve ser possível ter um pequeno dispositivo que você simplesmente enrole um cabo de alimentação principal algumas vezes (ou enrole o dispositivo ao redor do cabo de alimentação, não sei qual). Quando o dispositivo "host" é ligado e a corrente está fluindo, o "parasita" no cabo de alimentação fica ligado - não muito, obviamente. Mas, talvez o suficiente para enviar periodicamente um "ping" sem fio com um ID (como um endereço MAC) para algum receptor. O que isso faria com você é um sensor que informava sempre que dispositivos "burros" eram ligados. Com base na frequência dos pings, você pode até inferir quanta energia o dispositivo burro estava usando.

Como o mecanismo seria simples e barato, e não requer aprovação regulatória para conectar à rede elétrica (UL / CE etc.), possivelmente alguém poderia vendê-los em pacotes por um preço-alvo de ~ $ 5 cada. Quando você recebe o suficiente deles (o que é o ponto de ter muito), um sistema de aprendizado de máquina pode aprender coisas sobre seus hábitos: o secador de cabelo está ligado, provavelmente leva cerca de 30 minutos para dormir. A máquina de café está ligada, ligue o rádio ... esse tipo de coisa. E você não precisa comprar um secador de cabelo ou máquina de café inteligente que custa entre 30 e 40 vezes mais que um sensor de US $ 5 apenas para obter esses dados de uso.

Os radiadores devem ser uma fonte de vibração (acionada pela bomba), embora você provavelmente precise investigar as frequências de ressonância com muito cuidado.

Também é possível incorporar a coleta de energia cinética em comutadores , embora esse possa não ser exatamente o caso de uso que você está imaginando.

O outro lado da equação é determinar quanta energia você precisa para uma transmissão, que fornecerá algumas informações sobre a frequência com que é possível transmitir, juntamente com o seu dreno de vazamento / espera.

Essa é uma ótima idéia para coletar energia do nosso uso diário de energia. Mas você deve considerar que a energia que você colhe vem de algum lugar. Se você deseja coletar algum calor dos elementos de aquecimento da sala, lembre-se de que todo o calor convertido em eletricidade pelo dispositivo não aquecerá a sala. Portanto, o aquecedor do seu quarto terá que consumir mais eletricidade se você quiser mantê-lo tão confortável quanto antes de instalar o coletor de calor.

• Pegue calor de dispositivos onde o calor é desperdiçado (ou seja, qualquer objeto cuja função principal não seja aquecer, como computadores de servidores, como mencionado acima) parece estar mais dentro do espírito do que você deseja alcançar.
• No estilo Gaston-Lagaffe, você pode configurar pequenos dispositivos em portas, escadas, etc ... para criar energia toda vez que passa. Uma idéia, entre outras, você pode montar um pequeno dínamo no topo da escada, e toda vez que descer, pegue um cordão de nylon e execute o dínamo. Uma vez descendo a escada, você solta o fio e ele rebobina. O cabo de nylon funcionará por cerca de 20m se suas escadas tiverem 10m de comprimento, portanto, com uma boa relação de transmissão e um dínamo eficiente, você poderá gerar a quantidade de energia necessária para qualquer dispositivo pequeno ao redor.

1. Sinais WiFi

   Esqueça de roubar o Wi-Fi do seu vizinho para navegar na Internet. Usando materiais cotidianos baratos, pesquisadores da Pratt School of Engineering da Duke University desenvolveram um dispositivo notável que pode converter sinais de microondas, como os usados ​​para transmitir a Internet sem fio, em eletricidade utilizável. Portanto, no futuro, você poderá usar a rede Wi-Fi do seu vizinho para alimentar sua casa.

2. Campos EM dos fios CA atrás da parede (se montados perto de um fio elétrico).

   Resumo - Houve um interesse considerável na coleta de energia para redes de sensores sem fio. A coleta de energia de fontes térmicas, como calor corporal e fontes mecânicas, como movimento humano, foi proposta. Também existem sistemas de rede de sensores que coletam energia da parte visível do espectro eletromagnético. No entanto, os níveis de luz ambiente em ambientes internos são tipicamente significativamente inferiores aos encontrados em ambientes externos e altamente dependentes da natureza do ambiente interno considerado. Recentemente, foi proposta a sincronização do relógio de baixa potência usando energia eletromagnética que irradia das linhas de energia CA. Neste artigo, vamos um passo à frente e tentamos responder à pergunta: A energia eletromagnética pode ser coletada da energia eletromagnética que irradia das linhas de energia CA e pode ser utilizada para operar uma rede de sensores sem fio com um baixo ciclo de trabalho? Achamos que essa captação de energia parece promissora.

1. Uma bicicleta ergométrica / esteira montada em um dínamo. Isso também lhe dará um incentivo para se exercitar.
2. Em vez de usar o forno micro-ondas / forno de convecção, que irá consumir sua função, você pode colocar uma pequena chaminé sobre o local de cozimento (embora os vapores que escapam possam representar um problema).
3. Não sei exatamente como, mas as pessoas se sentam no sofá o dia todo. Eu sei que é energia potencial, mas algo poderia ser alcançado lá.
4. A ideia da porta das respostas acima é ótima.
5. Pequenos moinhos de vento no pátio.
6. Células solares (disponíveis no preço barato agora) podem ser usadas fora.
7. Mais louco : Usar uma pequena turbina sob o chuveiro / torneira

Um diferencial de temperatura frequentemente disponível que pode ser colhido seria:

a diferença entre a temperatura interna da casa e a externa .

Com um ambiente com temperatura controlada, frequentemente haveria um diferencial não trivial, de um jeito ou de outro. Mesmo sem isso, a temperatura externa geralmente muda por 24 horas, enquanto tentamos manter a temperatura interna constante - a maior parte do dia ainda pode haver um diferencial. Eu sei que o diferencial é menor, - mas o ponto é - ele está lá a maior parte do tempo.

Uma enorme vantagem disso, para mim, para os sensores iOT, é que a fonte de energia está disponível em grande parte da periferia da sala de estar - teto, janelas, paredes, piso (talvez).

Por outro lado, talvez eu esteja pensando que isso é sensato, porque moro na Austrália e temos dias acima de 40 graus Celsius. ;-)

Eu não fiz nenhum cálculo para descobrir se você poderia obter energia suficiente ... Mas, obviamente - Depende de quanto você precisa.

Uma vantagem é que, sendo um dispositivo tão passivo e de forma plana, você provavelmente poderia projetar algo bastante grande, digamos, 6 polegadas quadradas? mas ainda esteticamente agradável para montagem no teto ou na parede.

Uma desvantagem é que você pode ter dias seguidos onde não há muito diferencial - se a temperatura externa pairar em torno de uma temperatura ambiente confortável.

Apenas um pensamento. Felicidades.

ADENDO: Sim, eu sei que isso não é energia livre, mas o OP não pediu explicitamente isso. Um problema comum com dispositivos de IoT está executando fios em todos os lugares. Talvez o OP, pelo menos parcialmente, só queira evitar isso?

Vocês.

O ser humano médio produz 100 watts de potência em repouso . Isso é suficiente para alimentar cerca de 6 laptops (assumindo a estimativa de 15 W para um laptop de baixo custo) se você puder converter 100% da energia que produz em eletricidade. É claro que não podemos derrotar as leis da física e, inevitavelmente, você não pode converter 100% de sua energia em eletricidade; afinal, você precisa de energia para o seu metabolismo e funções corporais.

Existem startups criando feltros que geram energia a partir do calor do seu corpo (aproximadamente 1 ou 2 watts podem ser gerados a partir disso).

Como alternativa, você pode usar uma bicicleta ergométrica para gerar eletricidade, conforme mostrado neste infográfico muito bom do IEEE .

E, se tudo mais falhar, você sempre pode acionar manualmente seus sensores:

^{Fonte: Wikipedia (domínio público)}

Esse método depende de você estar dentro (e alguns métodos dependem de você estar realmente presente para operar a manivela / pedal / dínamo), portanto, não é totalmente infalível.

Você menciona a geração de eletricidade a partir do calor. Todos os dispositivos que transformam energia térmica em trabalho têm um lado quente e um lado frio. A energia máxima teórica disponível a partir do calor vem da diferença entre essas temperaturas. Isso significa que as coisas frias são tão boas para gerar energia quanto as coisas quentes - mas você se sairá melhor se conseguir uma coisa quente muito próxima de uma coisa fria e colocar um gerador termoelétrico no meio.

Você também deve tomar cuidado para não coletar energia que está pagando para criar. Você pode obter energia entre canos de água quente e canos de água fria - mas então está apenas fazendo o seu aquecedor de água trabalhar mais - pode usar a energia da rede elétrica e pagá-la diretamente.

Por outro lado, se você explorar o diferencial de energia entre um cano de esgoto (suponha que alguém tome um banho quente ou escoe massas) e um cano frio, sua água fria ficará um pouco mais quente e seu esgoto ficará um pouco mais frio - nenhum deles é provável que seja um problema (a menos que o tubo frio específico que você está usando alimenta a geladeira).

Neve deslizando do telhado

Esta é uma resposta particularmente do norte, mas se você tem um telhado de metal com uma inclinação bastante íngreme e recebe uma quantidade razoável de neve no ano, há um pouco de energia sendo desperdiçada quando se desliza.

Como alternativa, para as pessoas que recebem menos neve no ano, a água da chuva que sai do telhado é um bom lugar para coletar energia. Um dínamo elétrico pode ser conectado às suas calhas, produzindo energia sempre que chove.

Também pode ser conectado à sua conexão à Internet e ao monitor:

1. A quantidade de chuva
2. A quantidade de energia gerada
3. Uma comparação entre a precipitação prevista (da previsão do tempo) e a precipitação real

Potencialmente, você pode até ter sensores nas calhas para ajustar a capacidade de geração do dínamo com base na quantidade de água que flui.

Sua linha terrestre.

Há cerca de 48V disponível em qualquer linha terrestre da sua casa. Muitos artigos ruins na internet sobre isso, embora este pareça ser o melhor que eu já vi.

A parte 68 dos regulamentos de telecomunicações da Comissão Federal de Comunicações dos EUA declara que qualquer dispositivo que se conecte à linha telefônica e não esteja se comunicando ativamente deve apresentar uma resistência de pelo menos 5 MΩ

Muitos aparelhos de cozinha e outros eletrodomésticos também apresentam vibrações significativas. Pense máquina de lavar louça e microondas na cozinha. Lavadora e secadora de roupas. Qualquer parte da eletrônica com um motor (ventiladores de refrigeração? Toca-discos?) Provavelmente possui uma saída de vibração notável.

Existem muitas opções possíveis, mas em termos da maneira mais fácil de coletar minha lista seria:

1. Energia térmica capturada por elementos termoelétricos de Peltier . Os elementos termoelétricos não são caros e estão disponíveis na Europa , no Alibaba.COM e na Amazon.COM .

   Observe que, em 1930, os elementos termoelétricos eram usados ​​em rádios na URSS em tundras que coletavam energia de lâmpadas de metal duro .

2. Atualmente, a energia solar possui produtos muito sofisticados e bacanas. Por exemplo, algo como o SolarWindow pode ser um motivador para usá-lo.

3. Os polímeros piezoelétricos (descobertos em 1880 por Pierre Curie e seu irmão) são realmente materiais fascinantes. Por vários anos, minha equipe está jogando com esse material PolyPower, introduzido pela empresa dinamarquesa Danfoss .

Uma resposta um pouco obscura é 'do sensor'. Ao fazer o evento de hardware ser impulsionado, você pode potencialmente melhorar a energia em espera por uma magnitude tão grande que uma bateria pode ser considerada uma parte não substituível do seu hardware.

Veja esta pesquisa da Universidade de Bristol, onde eles otimizaram um elemento de comutação para vazamento de pA. Embora eu tenha visto isso de passagem antes, não apreciei o valor prático até assistir a um vídeo que descrevia o escopo de uso do dispositivo.