Un nod alimentat de la o baterie are o dată de expirare clară: se termină energia, se termină funcționarea. Un nod cu Energy Harvesting nu are baterie de schimbat, dar are o problemă mai subtilă - energia nu vine niciodată constant, iar sistemul trebuie proiectat să supraviețuiască exact acele intervale în care sursa nu oferă nimic. Acest curs acoperă lanțul complet: sursele disponibile (solar, termoelectric, vibrații, RF), conversia și managementul puterii, modelarea consumului pe stări, și dimensionarea stocării pentru scenariul cel mai nefavorabil, nu pentru medie.
1Obiectul și structura cursului6 min
Numeroase sisteme embedded trebuie să funcționeze timp îndelungat în locații unde alimentarea de la rețea nu e disponibilă, iar înlocuirea bateriilor e dificilă sau costisitoare - noduri IoT distribuite, senzori industriali pe utilaje, sisteme de monitorizare structurală, dispozitive medicale purtabile. Reducerea consumului microcontrolerelor și senzorilor a făcut posibilă alimentarea unor astfel de sisteme direct din energia disponibilă în mediu - proces numit Energy Harvesting.
- Puterea medie și energia autonomiei se calculează din profilul de consum pe stări
- Managementul energetic adaptiv modifică frecvența operațiilor pe baza energiei disponibile
În multe aplicații, energia recoltată completează energia stocată și reduce frecvența operațiilor de mentenanță. Doar în condiții bine definite se obține funcționarea complet autonomă pe termen foarte lung.
Rezultate ale învățării
- Să descrieți lanțul energetic complet, de la sursă la sistemul embedded
- Să calculați autonomia unei baterii și condiția de neutralitate energetică
- Să estimați puterea disponibilă din surse fotovoltaice, termoelectrice, vibraționale și RF
- Să dimensionați o sursă și o rezervă de stocare pentru scenariul cel mai nefavorabil
- Să modelați consumul unui nod pe stări și să calculați puterea și energia medie
- Să explicați rolul pragurilor energetice în funcționarea intermitentă
2Principiul general al Energy Harvesting8 min
Un sistem de Energy Harvesting transformă o formă de energie disponibilă în mediu într-o tensiune și un curent utilizabile de circuitul electronic. Lanțul energetic general este:
sursă → convertor → management energetic → stocare → sistem
embeddedSursa furnizează o putere dependentă de mediul exterior. Convertorul realizează transformarea fizică (lumină în energie electrică, diferență de temperatură în tensiune, deformare mecanică în sarcină electrică). Managementul energetic adaptează tensiunea, urmărește punctul optim de funcționare al sursei și controlează încărcarea stocării.
P_util = η_conv · η_PMIC · P_sursă - randamentul global nu e
constant, variază cu tensiunea de intrare, curentul de sarcină și temperatura.De ce e nevoie de stocare
Energia recoltată și energia consumată nu sunt, de regulă, disponibile în același moment - un panou fotovoltaic produce ziua, dar nodul trebuie să funcționeze și noaptea; un transceiver poate solicita, pentru câteva milisecunde, o putere mult mai mare decât cea furnizată instantaneu de sursă.
E_s(t₂) = E_s(t₁) + ∫[P_h(t) - P_c(t) - P_l(t)]dt, cu
0 ≤ E_s(t) ≤ E_max3Autonomie și neutralitate energetică10 min
Autonomia reprezintă perioada în care sistemul poate funcționa fără alimentare externă sau intervenție de mentenanță. Pentru un sistem alimentat exclusiv din baterie, autonomia e limitată de energia inițială disponibilă.
T_ideal = C_B / I_mediu, unde C_B e capacitatea în amper-oră.O baterie de 2000 mAh alimentează un sistem cu curent mediu 0,1 mA. Care e autonomia ideală, și cea reală, cu un factor de utilizare k_u = 0,75?
Vezi rezolvarea
T_ideal = 2000/0,1 = 20 000 h ≈ 2,28 ani
Aceasta e o valoare teoretică. Autonomia reală, influențată de autodescărcare, temperatură,
îmbătrânire și tensiunea minimă acceptată, se apropie mai bine prin
T_real ≈ k_u × C_B/I_mediu: cu k_u = 0,75, T_real ≈ 1,71 ani. Într-o
rețea cu mii de noduri, înlocuirea periodică a bateriilor poate deveni mai costisitoare decât
echipamentele monitorizate - exact motivația pentru Energy Harvesting.
P̄_h ≥ P̄_c + P̄_l (puterea medie recoltată acoperă consumul plus pierderile).Condiția de medie nu e suficientă dacă recoltarea și consumul sunt distribuite diferit în timp - un sistem poate produce suficientă energie într-o lună și totuși se poate opri într-o perioadă consecutivă de mai multe zile fără sursă. Pentru o proiectare robustă trebuie analizat un scenariu nefavorabil explicit: luna cu producția minimă, mai multe zile consecutive cu iluminare redusă, temperaturile care reduc capacitatea bateriei - nu doar media anuală.
Când energia disponibilă scade, sistemul poate reduce nivelul serviciului furnizat înainte de a ajunge la oprire - management energetic adaptiv, cu moduri decise de nivelul stocării:
mod = normal (E_s ≥ E_H) | economic (E_L < E_s < E_H) |
supraviețuire (E_s ≤ E_L)În modul economic, sistemul poate transmite mai rar; în modul de supraviețuire, poate păstra numai măsurătorile esențiale și opri comunicațiile necritice.
4Surse de energie pentru sisteme embedded8 min
Alegerea sursei începe prin măsurarea condițiilor reale din mediul de funcționare - o tehnologie performantă în laborator poate furniza foarte puțină energie dacă nu e adaptată aplicației.
| Sursă | Convertor | Avantaj principal | Limitare principală |
|---|---|---|---|
| Lumină | Celulă fotovoltaică | Putere relativ ridicată | Dependentă de iluminare |
| Gradient termic | Generator termoelectric | Fără componente mobile | Necesită diferență de temperatură |
| Vibrații | Piezoelectric / electromagnetic / capacitiv | Potrivit pentru utilaje | Sensibil la frecvență și amplitudine |
| Radiofrecvență | Antenă și redresor | Funcționare fără contact | Putere ambientală redusă |
| Mișcare umană | Convertor mecanic | Integrare în dispozitive purtabile | Disponibilitate dependentă de utilizator |
O sursă trebuie evaluată atât prin putere, cât și prin disponibilitate: energia solară are variații zilnice și sezoniere estimabile; vibrațiile industriale pot fi disponibile numai în timpul funcționării utilajului; energia termoelectrică dispare dacă cele două fețe ale convertorului ajung la aceeași temperatură. O sursă cu putere medie mare, dar cu întreruperi lungi, poate necesita o stocare mai mare decât o sursă modestă, dar disponibilă continuu.
E_h,min ≥ E_c,max + E_rezervă, pentru scenariul nefavorabil. Dacă o
singură sursă nu satisface condiția, poate fi combinată: P_h(t) = Σ P_h,j(t) (arhitectură
hibridă, de exemplu fotovoltaic + termoelectric).Utilizarea mai multor surse crește disponibilitatea, dar introduce mai multe convertoare, circuite suplimentare de adaptare, control mai complex și cost și dimensiune mai mari - decizia trebuie luată prin compararea energiei suplimentare cu resursele necesare integrării.
5Conversia fotovoltaică9 min
Conversia fotovoltaică e una dintre cele mai utilizate metode de alimentare a sistemelor embedded autonome - celulele transformă direct energia luminoasă în energie electrică, fără componente mecanice în mișcare.
P_PV = G·A·η_PV, unde G e iradierea incidentă, A suprafața
activă, η_PV randamentul conversiei - util pentru o dimensionare preliminară, dar randamentul
variază cu temperatura, spectrul luminii și punctul de funcționare.O celulă fotovoltaică nu se comportă ca o sursă ideală de tensiune: la borne deschise
(I=0, V=V_OC) și în scurtcircuit (V=0, I=I_SC), puterea transmisă e
nulă în ambele cazuri. Puterea maximă se obține într-un punct intermediar, numit MPP
(Maximum Power Point): P_max = V_MPP · I_MPP.
FF = (V_MPP · I_MPP) / (V_OC · I_SC) - oferă o indicație privind forma caracteristicii
și performanța electrică a celulei. Conectarea directă a panoului la baterie sau la sarcină nu
garantează funcționarea la punctul de putere maximă - de aceea e nevoie de un circuit
MPPT (Maximum Power Point Tracker), care modifică impedanța aparentă văzută de panou,
urmărind condiția dP_PV/dV_PV = 0, prin metode precum perturbare-și-observare sau
menținerea unei fracții din V_OC.P_PV,min = E_consum,zi / (H_echiv,min · η_sistem), unde
H_echiv,min e numărul de ore echivalente la putere nominală, în scenariul cel mai nefavorabil.Un nod consumă 24 mWh/zi. Ce putere nominală minimă trebuie să aibă panoul, dacă în scenariul nefavorabil H_echiv,min = 2 h, iar η_sistem = 0,70?
Vezi rezolvarea
P_PV,min = 24 mWh / (2 h × 0,70) ≈ 17,1 mW
În practică se adaugă o rezervă pentru umbrire, murdărire, îmbătrânire și variațiile meteorologice - un panou de două sau trei ori mai mare decât valoarea minimă poate fi justificat, dar nu trebuie ales fără o analiză energetică explicită care să arate de ce.
6Conversia termoelectrică și mecanică10 min
Energia termică și energia mecanică sunt surse importante în medii industriale - conducte, motoare, compresoare și structuri aflate în mișcare pot furniza energie locală pentru senzori.
Generatorul termoelectric
Conversia termoelectrică folosește efectul Seebeck: o diferență de temperatură produce o tensiune electrică.
V_OC = S_echiv·ΔT, cu ΔT = T_H - T_C. Puterea transmisă unei
sarcini R_L: P_L = V_OC²R_L/(R_i+R_L)², maximă la R_L = R_i, unde
P_max = V_OC²/(4R_i).Dacă fața rece nu poate evacua căldura, diferența de temperatură la bornele modulului scade, chiar dacă temperaturile mediului par favorabile - un calcul care ignoră disiparea termică reală supraestimează sistematic puterea disponibilă.
Conversia vibrațiilor
Un convertor de vibrații e reprezentat frecvent printr-un sistem masă-arc-amortizor:
mẍ + cẋ + kx = -mÿ, cu frecvența proprie neamortizată
f₀ = (1/2π)√(k/m). În apropierea rezonanței, energia convertită poate crește
semnificativ - dar o rezonanță foarte îngustă devine dezavantajoasă dacă frecvența sursei se
modifică.
Un motor rulează la n = 1500 rot/min. Frecvența fundamentală de rotație e
f_rot = n/60 = 25 Hz - dar spectrul poate conține armonici și frecvențe asociate
rulmenților, nu doar această componentă fundamentală.
Trei mecanisme principale de conversie: piezoelectric (deformarea materialului produce
sarcină electrică), electromagnetic (mișcarea relativă magnet-bobină induce o tensiune,
v(t) = -N·dΦ/dt) și electrostatic (vibrația modifică o capacitate,
C(x) = εA/d(x), necesitând de regulă o polarizare inițială sau un material electret).
Creșterea lățimii de bandă utile reduce, de regulă, amplitudinea maximă obținută la o singură
frecvență - proiectarea e un compromis între puterea de vârf și robustețea la variația sursei.
7Recoltarea energiei RF8 min
Un sistem RF Energy Harvesting captează energia electromagnetică printr-o antenă și o transformă într-o tensiune continuă. Trebuie diferențiate recoltarea ambientală (puterea depinde de emițătoarele deja existente, variabilă necontrolat) de transferul dedicat (emițătorul, antenele și distanța sunt proiectate special pentru alimentarea receptorului).
P_R = P_T·G_T·G_R·(λ/4πd)², sau logaritmic:
P_R[dBm] = P_T[dBm] + G_T[dBi] + G_R[dBi] - L_cale[dB]. Nu descrie complet propagarea
în interior sau în câmp apropiat.Ansamblul antenă + redresor e numit rectenna: antenă → adaptare de impedanță → redresor
RF-DC → filtru → stocare/DC-DC. Puterea continuă obținută e P_DC = η_RF-DC · P_R, iar
randamentul redresorului scade semnificativ la niveluri foarte mici de putere - eficiența măsurată
la putere ridicată nu poate fi extrapolată automat pentru energie RF ambientală, mult mai slabă.
O măsurare și o transmisie necesită E_operație = 1 mJ. Puterea DC medie obținută din RF ambiental e P_DC,mediu = 10 µW. Care e timpul minim ideal de încărcare între două operații?
Vezi rezolvarea
T_încărcare ≥ E_operație / P_DC,mediu = 1 mJ / 10 µW = 100 s
În practică trebuie incluse pierderile, consumul în repaus și energia minimă necesară pornirii - valoarea reală va fi mai mare de 100 s.
Energia RF ambientală e adecvată pentru acumulare lentă, funcționare intermitentă și senzori cu consum foarte redus. Transferul dedicat e folosit în RFID pasiv, NFC și senzori interogați de un cititor - un dispozitiv RFID pasiv nu transmite prin generarea activă a unei unde proprii, ci modifică impedanța antenei și modulează semnalul reflectat, reducând drastic energia necesară comunicației.
8Conversia și managementul puterii9 min
Sursele de Energy Harvesting nu pot alimenta, în general, direct un sistem embedded - tensiunea și curentul variază cu iluminarea, temperatura sau vibrațiile, în timp ce microcontrolerul necesită o tensiune stabilă. Circuitul intermediar se numește PMIC (Power Management Integrated Circuit): redresare, adaptare a punctului de funcționare, conversie DC-DC, controlul încărcării, protecția stocării.
η_global = η_redresare × η_DC-DC × η_încărcare × η_regulator - chiar dacă fiecare etapă
are un randament ridicat individual (de exemplu 90% fiecare), produsul a patru astfel de etape
scade sub 66% - motiv pentru care fiecare verigă a lanțului trebuie optimizată, nu doar una
singură.Pornirea la rece (cold start)
La început, elementul de stocare e descărcat, iar PMIC-ul trebuie să pornească folosind exclusiv energia furnizată instantaneu de sursă - o dificultate specifică sistemelor Energy Harvesting, fără echivalent la un sistem alimentat de baterie preîncărcată. Soluția uzuală: o cale de pornire (consum propriu minim, funcționează de la tensiuni foarte mici) și o cale principală, cu randament mai ridicat, activată după ce stocarea a acumulat suficientă energie.
MPPT și adaptarea impedanței
Circuitul MPPT modifică impedanța aparentă prezentată sursei, Z_in = V_s/I_s,
urmărind transferul maxim de putere. Pentru un generator modelat Thévenin, condiția e
R_sarcină = R_intern. MPPT-ul nu trebuie evaluat doar prin randamentul conversiei -
trebuie inclus și consumul propriu al circuitului de măsurare și control:
P_câștig = P_MPPT - P_fără_MPPT - P_control. Pentru surse foarte slabe, un algoritm
simplificat poate produce mai multă energie netă decât un control complex, dacă acesta din
urmă consumă mai mult decât câștigă.
Praguri energetice și funcționare intermitentă
Unele sisteme nu recoltează suficientă putere pentru funcționare continuă - energia se
acumulează până la un prag, sistemul execută o operație, apoi revine la încărcare:
încărcare → pornire → măsurare → transmisie → oprire, cu două praguri distincte
(V_pornire > V_oprire) pentru a evita comutări repetate la limită.
E_util = ½C(V_pornire² - V_oprire²). Operația poate fi executată
doar dacă E_util ≥ E_operație + E_rezervă.Datele importante trebuie salvate înainte de oprire, iar operațiile asupra memoriei nevolatile trebuie proiectate astfel încât o oprire neașteptată la mijlocul unei scrieri să nu lase sistemul într-o stare inconsistentă - o preocupare de proiectare software direct legată de caracterul imprevizibil al sursei de energie.
9Modelarea consumului pe stări10 min
Un nod senzorial funcționează, de regulă, în mai multe stări: sleep, trezire, măsurare,
procesare, transmisie, revenire în sleep. Energia consumată într-o stare e Eᵢ = Pᵢtᵢ,
iar energia unui ciclu complet e E_ciclu = Σ Pᵢtᵢ.
Un nod are perioada de ciclu T_C = 600 s, cu profilul:
| Stare | Putere | Durată | Energie |
|---|---|---|---|
| Sleep | 8 µW | 598 s | 4,784 mJ |
| Măsurare | 5 mW | 1 s | 5 mJ |
| Procesare | 12 mW | 0,5 s | 6 mJ |
| Transmisie | 120 mW | 0,5 s | 60 mJ |
Care e puterea medie, și energia zilnică?
Vezi rezolvarea
E_ciclu = 4,784 + 5 + 6 + 60 = 75,784 mJ
P_medie = 75,784 mJ / 600 s ≈ 126,3 µW
E_zi = P_medie × 24 h ≈ 3,03 mWh
Deși nodul petrece 99,7% din timp în sleep, transmisia (doar 0,5 s din 600 s) reprezintă aproape 80% din energia consumată în ciclu. Reducerea numărului de transmisii - de exemplu agregând mai multe măsurători înainte de a transmite - poate fi mai eficientă decât optimizarea suplimentară a sleep-ului sau a procesării, care contribuie deja foarte puțin.
10Neutralitatea energetică în timp6 min
Compararea energiilor medii e necesară, dar nu suficientă - evoluția stocării trebuie analizată pe intervale discrete, pas cu pas.
E_s[k+1] = E_s[k] + η_c·E_h[k] - E_c[k]/η_d - E_l[k], limitată la
0 ≤ E_s[k] ≤ E_max, unde η_c și η_d sunt randamentele de încărcare, respectiv
descărcare.Pentru verificarea unui proiect trebuie analizate: nivelul minim al energiei stocate atins pe parcursul simulării, numărul de zile consecutive fără producție suficientă, energia pierdută atunci când stocarea e plină (recoltare irosită), perioadele în care serviciul trebuie redus, și timpul necesar recuperării complete după o descărcare semnificativă.
11Stocarea energiei9 min
Elementul de stocare separă temporal producerea energiei de consum. Alegerea se face pe baza energiei totale necesare, a vârfurilor de putere, a numărului de cicluri și a condițiilor de mediu.
| Caracteristică | Baterie | Supercondensator |
|---|---|---|
| Densitate energetică | ridicată | redusă |
| Densitate de putere | moderată | ridicată |
| Număr de cicluri | limitat | foarte ridicat |
| Tensiune la descărcare | relativ stabilă | scade continuu |
| Utilizare tipică | stocare pe termen lung | vârfuri de putere, cicluri dese |
E_B,util = V_nom·C_B·DOD·η_d (DOD = adâncimea permisă de
descărcare). Supercondensator: E_SC,util = ½C(V_max² - V_min²).Sistemul trebuie să funcționeze N_A = 5 zile fără recoltare, cu E_consum,zi = 24 mWh, V_nom = 3,7 V, DOD = 0,8, η_d = 0,9. Care e capacitatea minimă a bateriei?
Vezi rezolvarea
C_B,min = (N_A × E_consum,zi) / (V_nom × DOD × η_d) = (5 × 24 mWh) / (3,7 × 0,8 × 0,9)
≈ 45 mAh
În practică se alege o capacitate mai mare, pentru a include îmbătrânirea bateriei, reducerea capacității la temperaturi joase, autodescărcarea și incertitudinea modelului energetic - 45 mAh e un minim teoretic, nu o țintă de proiectare finală.
P_sarcină = P_baterie + P_supercondensator.
Supercondensatorul reduce curentul de vârf furnizat de baterie, diminuând căderea de tensiune,
încălzirea internă și degradarea produsă de impulsuri repetate. Arhitectura hibridă e justificată
când consumatorul are putere medie redusă, dar solicită impulsuri scurte și repetate de curent -
exact profilul tipic al unui nod IoT cu transmisie radio periodică.12Noduri senzoriale autonome energetic8 min
Integrarea tuturor conceptelor de mai sus într-un nod senzorial real presupune coordonarea sursei de energie, a stocării, a senzorilor și a strategiei de comunicație - niciuna izolat nu garantează autonomia.
Arhitectura tipică a unui nod autonom energetic include: sursa de recoltare și convertorul asociat, PMIC-ul cu funcția de cold start, elementul de stocare (baterie, supercondensator sau hibrid), microcontrolerul cu moduri de consum redus, senzorii, și interfața de comunicație (cea mai costisitoare energetic, de regulă).
Adaptarea serviciului la energia disponibilă poate acționa pe mai mulți parametri simultan: perioada de eșantionare, numărul de transmisii, puterea radio, precizia măsurătorilor, complexitatea procesării și numărul de senzori activi. Alegerea combinației potrivite depinde de care dintre acești parametri afectează cel mai puțin calitatea serviciului per unitate de energie economisită - o analiză specifică fiecărei aplicații, nu o rețetă universală.
Trebuie adaptate simultan arhitectura hardware, frecvența măsurătorilor, strategia de comunicație, algoritmii software, capacitatea de stocare și comportamentul explicit definit pentru condiții energetice nefavorabile - un convertor de energie conectat la un nod proiectat fără să țină cont de aceste constrângeri rareori produce autonomie reală pe termen lung.
13Erori frecvente5 min
- „Dacă energia medie recoltată depășește consumul mediu, sistemul e sigur neutru energetic." Fals - condiția de medie nu ține cont de distribuția în timp. Un sistem poate avea medie anuală favorabilă și, totuși, să se descarce complet într-o perioadă consecutivă nefavorabilă. Analizați evoluția E_s[k] pas cu pas, pentru scenariul cel mai nefavorabil credibil, nu doar media.
- „Un randament de 90% pe fiecare etapă a lanțului de conversie înseamnă un sistem eficient." Randamentul global e produsul randamentelor individuale - patru etape la 90% fiecare produc doar ~66% randament global, o pierdere ușor de subestimat dacă etapele sunt privite izolat. Calculați întotdeauna η_global ca produs al tuturor etapelor lanțului, nu doar al celei mai vizibile.
- „Puterea nominală a unui convertor descrie corect energia disponibilă în aplicație." Nu - puterea nominală e măsurată în condiții ideale de laborator. Energia utilă reală depinde de disponibilitate, orientare, îmbătrânire și scenariul nefavorabil concret al aplicației. Dimensionați pe baza energiei utile estimate în condițiile reale ale aplicației, nu pe fișa tehnică a componentei.
14Rezumat și glosar5 min
Un sistem cu Energy Harvesting înlocuiește certitudinea energiei stocate cu o sursă variabilă, imprevizibilă pe termen scurt - proiectarea corectă cere analiza scenariului nefavorabil, nu doar a mediei. Sursele principale (fotovoltaic, termoelectric, vibrații, RF) au caracteristici foarte diferite de putere și disponibilitate, iar alegerea sau combinarea lor trebuie ghidată de profilul real al aplicației. Circuitul de management al puterii (PMIC) trebuie să rezolve redresarea, adaptarea impedanței (MPPT), pornirea la rece și, adesea, funcționarea pe praguri de energie. Modelarea consumului pe stări arată frecvent că un eveniment scurt, dar de putere ridicată (transmisia radio), domină energia totală, chiar dacă restul timpului e petrecut într-un mod de consum minim. Dimensionarea stocării trebuie făcută pentru scenariul cel mai nefavorabil - zile consecutive fără recoltare suficientă - iar arhitecturile hibride baterie+supercondensator combină avantajele fiecărei tehnologii.
15Întrebări de verificare6 min
- Care e lanțul energetic general al unui sistem cu Energy Harvesting?
- De ce nu e suficientă condiția „puterea medie recoltată depășește puterea medie consumată"?
- Ce reprezintă punctul de putere maximă (MPP) al unei celule fotovoltaice, și de ce e nevoie de MPPT?
- Ce este pornirea la rece (cold start), și de ce e o problemă specifică sistemelor cu Energy Harvesting?
- De ce randamentul global al lanțului de conversie e produsul, nu suma, randamentelor individuale?
- Cum se calculează capacitatea minimă a unei baterii pentru o rezervă de N zile fără recoltare?
- Ce rol are un supercondensator într-o arhitectură hibridă de stocare?
16Direcții de aprofundare2 min
Cursul următor, ultimul din serie, trece la comunicația în rețelele de dispozitive IoT - cum comunică nodurile studiate în acest curs cu restul sistemului, ce protocoale sunt potrivite pentru consum energetic redus, și cum se integrează totul într-o arhitectură completă.
Dimensionarea sursei, a stocării și modelarea profilului de consum discutate aici devin cod și măsurători reale în Laboratorul 02, unde analizați stările de consum și autonomia unui nod ESP32-C6.