- RF Energy Harvesting ทำงานอย่างไร?
- s คืออะไร
- การประยุกต์ใช้การเก็บเกี่ยวพลังงานวิทยุในทางปฏิบัติ
- ข้อ จำกัด ของการเก็บเกี่ยวพลังงาน RF
- RF Energy Harvesting Hardware ที่มีจำหน่ายในตลาด
- การใช้การเก็บเกี่ยวพลังงาน RF ในแอปพลิเคชัน IOT
มีอุปกรณ์ไร้สายจำนวนมากที่ใช้งานได้ทั่วโลกซึ่งทำให้ชีวิตของผู้คนง่ายและสะดวกสบายในหลาย ๆ ด้าน แต่อุปกรณ์ไร้สายเหล่านี้จำเป็นต้องชาร์จซ้ำแล้วซ้ำอีกเพื่อใช้งาน แต่ถ้าเราสามารถใช้ความถี่วิทยุเดียวกันกับที่ถ่ายโอนข้อมูลเพื่อชาร์จอุปกรณ์ได้ เทคโนโลยีนี้จะลดหรือละเว้นการใช้แบตเตอรี่ในการเปิดวงจรภายในอุปกรณ์ แนวคิดคือการเก็บเกี่ยวพลังงานจากความถี่วิทยุโดยใช้เสาอากาศแทนการสร้างพลังงานจากการเคลื่อนไหวหรือพลังงานแสงอาทิตย์ บทความนี้จะกล่าวถึงรายละเอียดเกี่ยวกับการเก็บเกี่ยวพลังงาน RF
RF Energy Harvesting ทำงานอย่างไร?
RF มีแหล่งที่มามากมาย แต่สิ่งสำคัญที่ต้องทำความเข้าใจก่อนคือจะแปลง RF เป็นพลังงานหรือไฟฟ้าได้อย่างไร? กระบวนการนี้ค่อนข้างง่ายเหมือนกับกระบวนการปกติของเสาอากาศที่รับสัญญาณ ดังนั้นให้เราเข้าใจกระบวนการแปลงโดยใช้แผนภาพง่ายๆ
แหล่งที่มา (อาจเป็นอุปกรณ์หรือวงจรอิเล็กทรอนิกส์ใดก็ได้ที่) ส่งสัญญาณ RF และวงจรแอปพลิเคชันซึ่งมีวงจรในตัวสำหรับการแปลงพลังงานจะได้รับ RF ซึ่งจะทำให้เกิดความต่างศักย์ตามความยาวของเสาอากาศและสร้างการเคลื่อนที่ของ ผู้ให้บริการชาร์จผ่านเสาอากาศ ผู้ให้บริการประจุจะย้ายไปที่วงจรการแปลง RF เป็น DCกล่าวคือขณะนี้ประจุจะถูกแปลงเป็นกระแสไฟฟ้ากระแสตรงโดยใช้วงจรที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุชั่วคราว จากนั้นใช้วงจร Power Conditioningพลังงานจะถูกขยายหรือแปลงเป็นค่าศักย์ตามที่โหลดต้องการ
มีแหล่งที่มามากมายที่ส่งสัญญาณ RF เช่นสถานีดาวเทียมสถานีวิทยุอินเทอร์เน็ตไร้สาย แอปพลิเคชันใด ๆ ที่มีวงจรการเก็บเกี่ยวพลังงาน RF ติดอยู่จะได้รับสัญญาณและแปลงเป็นกระแสไฟฟ้า
ขั้นตอนการแปลงเริ่มต้นเมื่อเสาอากาศรับสัญญาณได้รับสัญญาณและก่อให้เกิดความต่างศักย์ตามความยาวของเสาอากาศซึ่งทำให้เกิดการเคลื่อนที่ในตัวพาประจุของเสาอากาศ ผู้ให้บริการชาร์จเหล่านี้จากเสาอากาศจะย้ายไปยังวงจรจับคู่อิมพีแดนซ์ที่เชื่อมต่อผ่านสายไฟเครือข่ายความต้านทานการจับคู่ (IMN) ทำให้แน่ใจว่าการถ่ายโอนอำนาจจากเสาอากาศ (ที่มา RF) ไป/ แรงดันคูณ Rectifier (โหลด) เป็นสูงสุด อิมพีแดนซ์ในวงจร RF มีความสำคัญพอ ๆ กับความต้านทานในวงจร DC เพื่อการถ่ายโอนพลังงานที่เหมาะสมระหว่างแหล่งจ่ายและโหลด
สัญญาณ RF ที่ได้รับที่เสาอากาศมีรูปคลื่นไซน์กล่าวคือเป็นสัญญาณ AC และจำเป็นต้องแปลงเป็นสัญญาณ DC หลังจากผ่าน IMN วงจรเรียงกระแสหรือตัวคูณแรงดันไฟฟ้าจะแก้ไขและขยายสัญญาณตามความต้องการของแอปพลิเคชัน วงจรเรียงกระแสไม่ใช่ครึ่งคลื่นเต็มคลื่นหรือวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ แต่เป็นวงจรตัวคูณแรงดันไฟฟ้า (วงจรเรียงกระแสพิเศษ) ซึ่งจะแก้ไขสัญญาณและยังเพิ่มสัญญาณที่แก้ไขตามความต้องการของแอปพลิเคชัน
กระแสไฟฟ้าที่แปลงจาก AC เป็น DC โดยใช้ตัวคูณแรงดันไฟฟ้าจะย้ายไปยังวงจรการจัดการพลังงานซึ่งใช้ตัวเก็บประจุหรือแบตเตอรี่เพื่อเก็บไฟฟ้าและจ่ายให้กับโหลด (แอปพลิเคชัน) เมื่อใดก็ตามที่ต้องการ
s คืออะไร
ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้มีอุปกรณ์จำนวนมากที่ใช้สัญญาณ RF ซึ่งหมายความว่าจะมีแหล่งที่มามากมายสำหรับการรับสัญญาณ RF สำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงาน
แหล่ง RFที่สามารถใช้เป็นแหล่งพลังงาน ได้แก่
- สถานีวิทยุ: สถานีวิทยุเก่าแก่ แต่มีค่าควรปล่อยสัญญาณ RF เป็นประจำซึ่งสามารถใช้เป็นแหล่งพลังงานได้
- สถานีโทรทัศน์:นี่เป็นแหล่งที่เก่าแก่ แต่คุ้มค่าซึ่งส่งสัญญาณตลอด 24 ชั่วโมงทุกวันและถือเป็นแหล่งพลังงานที่ดี
- โทรศัพท์มือถือและสถานีฐาน:โทรศัพท์มือถือหลายพันล้านเครื่องและสถานีฐานปล่อยสัญญาณ RF ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานที่ดี
- เครือข่ายไร้สาย:มีเราเตอร์และอุปกรณ์ไร้สาย Wi-Fi จำนวนมากอยู่ทุกหนทุกแห่งและควรได้รับการพิจารณาว่าเป็นแหล่งที่ดีสำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงานจาก RF
อุปกรณ์เหล่านี้เป็นอุปกรณ์สำคัญที่มีอยู่ทั่วโลกซึ่งเป็นแหล่ง RF ที่สำคัญที่สามารถใช้ในการเก็บเกี่ยวพลังงานเช่นสร้างพลังงานไฟฟ้า
การประยุกต์ใช้การเก็บเกี่ยวพลังงานวิทยุในทางปฏิบัติ
แอปพลิเคชั่นบางส่วนของEnergy Harvester โดยใช้ระบบRFมีดังต่อไปนี้:
- บัตร RFID:เทคโนโลยี RFID (Radio Frequency Identification) ใช้แนวคิดของการเก็บเกี่ยวพลังงานซึ่งเรียกเก็บเงินจาก 'แท็ก' โดยรับสัญญาณ RF จากเครื่องอ่าน RFID เอง แอปพลิเคชั่นสามารถพบเห็นได้ในห้างสรรพสินค้าเมโทรสถานีรถไฟอุตสาหกรรมวิทยาลัยและสถานที่อื่น ๆ อีกมากมาย
- การวิจัยหรือการประเมินผล: Powercast ของ บริษัท ได้เปิดตัวบอร์ดประเมินผล - "P2110 Eval board" ที่สามารถใช้เพื่อวัตถุประสงค์ในการวิจัยหรือสำหรับการประเมินแอพพลิเคชั่นใหม่ ๆ โดยพิจารณาถึงพลังที่จำเป็นและได้รับและการเปลี่ยนแปลงที่จะทำหลังการประเมิน
นอกเหนือจากการใช้งานจริงแล้วยังมีอีกหลายสาขาที่สามารถใช้เทคโนโลยีการเก็บเกี่ยวพลังงานได้เช่นในการตรวจสอบอุตสาหกรรมอุตสาหกรรมการเกษตรเป็นต้น
ข้อ จำกัด ของการเก็บเกี่ยวพลังงาน RF
ด้วยการใช้งานที่ดีและข้อดีหลายประการก็มีข้อเสียอยู่เช่นกันและข้อเสียเหล่านี้เกิดจากข้อ จำกัด ที่มีอยู่ในสิ่งนั้น
ดังนั้นข้อ จำกัด สำหรับระบบการเก็บเกี่ยวพลังงาน RF คือ:
- การพึ่งพา:การพึ่งพาเฉพาะของระบบการเก็บเกี่ยวพลังงาน RF คือคุณภาพของสัญญาณ RF ที่ได้รับ ค่า RF สามารถลดลงได้เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของบรรยากาศหรือสิ่งกีดขวางทางกายภาพและสามารถต้านทานการส่งสัญญาณ RF ทำให้มีพลังงานต่ำเป็นเอาต์พุต
- ประสิทธิภาพ: เนื่องจากวงจรประกอบด้วยชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่สูญเสียการทำงานไปตามกาลเวลาและให้ผลลัพธ์ที่ไม่ดีหากไม่มีการเปลี่ยนแปลงตามนั้น ด้วยเหตุนี้จะส่งผลต่อประสิทธิภาพของระบบโดยรวมและให้ผลลัพธ์ที่ไม่เหมาะสมในทางกลับกัน
- ความซับซ้อน:ตัวรับสัญญาณสำหรับระบบจำเป็นต้องได้รับการออกแบบตามการใช้งานและวงจรเก็บพลังงานซึ่งทำให้การสร้างมีความซับซ้อน
- ความถี่:วงจรหรืออุปกรณ์ใด ๆ ที่ออกแบบมาเพื่อรับสัญญาณ RF เพื่อเก็บเกี่ยวพลังงานสามารถออกแบบมาเพื่อใช้งานย่านความถี่เดียวและไม่ใช้หลายย่าน ดังนั้นจึง จำกัด เฉพาะในแถบสเปกตรัมเท่านั้น
- เวลาในการชาร์จ:กำลังไฟสูงสุดจากการแปลงเป็นมิลลิวัตต์หรือไมโครวัตต์ ดังนั้นพลังที่ต้องการโดยแอปพลิเคชันจะต้องใช้เวลานานในการผลิต
นอกเหนือจากข้อ จำกัด เหล่านี้การเก็บเกี่ยวพลังงานโดยใช้คลื่นความถี่วิทยุ (RF) ยังมีข้อดีอีกหลายประการซึ่งเป็นผลมาจากการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมอัตโนมัติการเกษตร IOT อุตสาหกรรมการดูแลสุขภาพเป็นต้น
RF Energy Harvesting Hardware ที่มีจำหน่ายในตลาด
ฮาร์ดแวร์ที่มีจำหน่ายในตลาดที่รองรับการเก็บเกี่ยวพลังงานความถี่วิทยุได้แก่:
- Powercast P2110B: บริษัท Powercast ได้เปิดตัว P2110B ซึ่งสามารถใช้สำหรับการประเมินผลและการใช้งานตามแอปพลิเคชัน
- การใช้งาน:
- เซ็นเซอร์ไร้สายที่ไม่ต้องใช้แบตเตอรี่
- การตรวจสอบอุตสาหกรรม
- สมาร์ทกริด
- ป้องกัน
- การสร้างระบบอัตโนมัติ
- น้ำมันก๊าซ
- การชาร์จแบตเตอรี่ใหม่
- เซลล์เหรียญ
- เซลล์ฟิล์มบาง
- อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังต่ำ
- เซ็นเซอร์ไร้สายที่ไม่ต้องใช้แบตเตอรี่
- คุณสมบัติ:
- ประสิทธิภาพการแปลงสูง
- แปลงสัญญาณ RF ระดับต่ำเพื่อเปิดใช้งานแอพพลิเคชั่นระยะยาว
- เอาท์พุทแรงดันไฟฟ้าที่ควบคุมได้สูงสุด 5.
- กระแสไฟขาออกสูงสุด 50mA
- ตัวบ่งชี้ความแรงของสัญญาณที่ได้รับ
- ช่วงการใช้งาน RF กว้าง
- ใช้งานได้ถึง -12 dBm
- รีเซ็ตได้จากภายนอกสำหรับการควบคุมไมโครโปรเซสเซอร์
- ช่วงอุณหภูมิอุตสาหกรรม
- เป็นไปตามข้อกำหนด RoHS
- Powercast P1110B:คล้ายกับ P2110B Powercast P1110B มีคุณสมบัติและแอพพลิเคชั่นดังต่อไปนี้
- คุณสมบัติ:
- ประสิทธิภาพการแปลงสูง> 70%
- การใช้พลังงานต่ำ
- เอาต์พุตแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดค่าได้เพื่อรองรับการชาร์จแบตเตอรี่ Li-ion และ Alkaline
- การทำงานจาก 0V เพื่อรองรับการชาร์จตัวเก็บประจุ
- ตัวบ่งชี้ความแรงของสัญญาณที่ได้รับ
- ช่วงการใช้งานกว้าง
- ลดกำลังไฟฟ้าเข้า -5 dBm
- ช่วงอุณหภูมิอุตสาหกรรม
- เป็นไปตาม RoHS
- การใช้งาน:
- เซ็นเซอร์ไร้สาย
- การตรวจสอบอุตสาหกรรม
- สมาร์ทกริด
- การตรวจสอบสุขภาพโครงสร้าง
- ป้องกัน
- การสร้างระบบอัตโนมัติ
- การเกษตร
- น้ำมันก๊าซ
- บริการระบุตำแหน่ง
- ทริกเกอร์ไร้สาย
- อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังต่ำ
- เซ็นเซอร์ไร้สาย
นี่คืออุปกรณ์เก็บเกี่ยวพลังงานที่ใช้ RF สองชนิดที่มีอยู่ในตลาดและได้รับการพัฒนาโดย บริษัทPowercast
การใช้การเก็บเกี่ยวพลังงาน RF ในแอปพลิเคชัน IOT
ด้วยความนิยมที่เพิ่มขึ้นของ Internet of Things (IoT) ในระบบอัตโนมัติของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แอปพลิเคชัน IoT จึงได้รับการพัฒนาสำหรับบ้านและอุตสาหกรรมซึ่งอาจยังคงใช้พลังงานได้นานหลายปีเพื่อรอการกระตุ้น ด้วยความสามารถในการเก็บเกี่ยวพลังงานอุปกรณ์ดังกล่าวสามารถดึงพลังงานออกจากอากาศเพื่อชาร์จแบตเตอรี่ของตัวเองหรือเก็บเกี่ยวพลังงานจากสิ่งแวดล้อมได้เพียงพอจนแบตเตอรี่อาจไม่ต้องใช้แหล่งพลังงานภายนอกในการชาร์จ ปัจจุบันเซ็นเซอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยตัวเองดังกล่าวมักเรียกว่า " พลังงานศูนย์"เซ็นเซอร์ไร้สายสำหรับความสามารถในการให้ข้อมูลเซ็นเซอร์โดยตรงบนคลาวด์ IoT โดยใช้เกตเวย์ไร้สายที่ไม่มีแหล่งพลังงานที่ชัดเจน ด้วยการเก็บเกี่ยวพลังงานจากแหล่งพลังงาน RF ที่มีอยู่อุปกรณ์ไร้สายรุ่นใหม่ที่ใช้พลังงานต่ำพิเศษ (ULP) เช่นเซ็นเซอร์ IoT สามารถพัฒนาขึ้นสำหรับแอปพลิเคชันที่มีการบำรุงรักษาต่ำเช่นการตรวจสอบระยะไกล
การเก็บเกี่ยวพลังงานถือเป็นเหมือนเทคโนโลยี "คู่หู" สำหรับการสื่อสารแบบไร้สายเนื่องจากสามารถยืดอายุแบตเตอรี่สำหรับอุปกรณ์พกพาและอาจใช้งานแบตเตอรี่สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บางชนิดได้