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Além do Arduino: Energia para as Coisas da Internet das Coisas

Matheus Manini 0

Antes de mais nada, olá! Somos da omni-electronica, uma empresa de IoT que tem tudo a ver com tecnologia! Fazemos produtos e projetos para o mercado brasileiro e abrimos uma série de 5 publicações para explicar como isso funciona. Chamamos a série de:  “Além do Arduino” e vamos abordar como fazer um produto profissional no mercado brasileiro! Infelizmente, (ainda) não vamos falar de código, tutoriais de como fazer algum projeto em específico, mas vamos abordar os detalhes que seu produto ou projeto precisa ter para ser profissional! Hoje começaremos falando de energia!

Internet das Coisas, do inglês Internet of Things (IoT), tornou-se um jargão de negócios e da ciência, mas seu significado ainda é nebuloso para muitos; isso é normal, porque a própria definição de IoT se atualiza com a tecnologia. A omni dá sua definição que espera ter validade sempre: Internet das Coisas é o conceito de conectar coisas: objetos, aparelhos, sensores, prédios, etc., entre si – ou equivalentemente à internet -, diretamente ou por meio de um proxy (um cliente intermediário na rede). Ou seja, IoT possibilita acesso às informações das coisas por outras coisas. Ainda existe um último detalhe: o que são essas coisas. As coisas são qualquer elemento que uma pessoa consiga ver, manipular e controlar, mas é importante dividí-las em duas categorias: ativas e passivas. Coisas ativas irão ter comportamentos próprios, trocando informações quando precisarem ou forem requisitadas, são essas as coisas que precisam de energia. Ainda existem coisas passivas, mas essas respondem apenas a comandos e sua energização é simples, é como Tags de RFID ou NFC. Aqui, discutiremos como dar energia para coisas ativas, que são as que tem maior potencial de mudar o mundo.

Nos produtos desenvolvidos pela omni, é difícil o consumo médio ultrapassar 1mA. Para efeito de comparação, celulares possuem baterias de até 4000mAh e descarregam em um dia de uso, ou seja, um celular que realize as atividades de um consumidor tem consumo médio de no máximo 150mA. Fatores como degradação da bateria, perdas de resistência interna e outros fatores levam a estimar um consumo médio de 100mA em um aparelho celular. Isso significa que seriam necessários de 100 a 150 dispositivos da omni-electronica para consumir o mesmo que um único celular hoje em dia. Visualmente, isso tudo ao lado.

Trabalhar com baixo consumo é muito desafiador, envolve conhecimento de muitas técnicas para redução de consumo e principalmente técnicas para extração de energia livre do ambiente, mas o ganho é equivalentemente igual: podemos ter sensores ou coisas ativas sem precisar de baterias ou pontos de energia. Aqui, vamos expor as tecnologias e desafios que possibilitam energizar os dispositivos que compõe a Internet das Coisas que é visão da omni. Além disso, nos próximos artigos vamos tratar de como economizar e extrair energia.

Apesar de dobrarmos a capacidade de processamento a cada 18 meses (Lei de Moore), a densidade de energia das baterias tem dobrado a cada 120 meses (10 anos!), seguindo a lei de Snail. Nos últimos 20 anos melhoramos nossos processadores em 300 vezes e as baterias em 4. Além disso, baterias degradam, têm número de ciclos de utilização contados e duram em média 3 anos. Isso é um grande incomodo para negócios e tecnologia, pois ninguém quer trocar equipamentos a cada 3 anos. Ainda existe um último fator: baterias tem temperatura de operação limitadas, afinal, são reações químicas que as fazem funcionar. Temperaturas altas degradam ainda mais rápido as baterias e temperaturas baixas fazem com que a bateria perca capacidade nominal e conduza menos. Atualmente, são poucos produtos que possuem sistemas complexos que possam substituir completamente ou utilizar em parceria as baterias. Esses sistemas, chamados de energy harvesting, têm se tornado mais comuns e necessitam ser implementados para o verdadeiro potencial do IoT. Além da implementação desses sistemas, também é interessante o uso alternativo de armazenamento de energia, como de supercapacitores.

 

Supercapacitores têm como característica os opostos das baterias: funcionam sobre grande variação de temperatura, desde congelantes -40 até 80 graus Celsius; não têm grande capacidade de armazenamento de energia; carregam ou descarregam quase instantaneamente; tem maior tempo de vida; e têm grande eficiência energética. Um supercapacitor pequeno, de 1 Farad, têm carga de aproximadamente 3 Coulombs em nossos dispositivos, muito inferior aos 10000 Coulombs de uma bateria potente. Porém, a 1mA de consumo médio, precisamos apenas de 0.001 Coulomb para funcionar. Ou seja, nosso supercapacitor simples, consegue energizar nossos dispositivos por quase 1 hora. É aí que entra o energy-harvesting, temos 1 hora para garantir que nosso supercapacitor carregue-se novamente. Os processos de energy harvesting são muitos e serão abordados em no nosso próximo post, mas para não ficar devendo, uma placa solar de 50 x 20 mm (um pouco menor que o tamanho do seu dedo mindinho) pode carregar o sistema em apenas 20 segundos em ambiente externo e 5 minutos em ambiente interno, muito mais do que precisamos, então para nossos sistemas, é mais do que o necessário! 

É claro que em algumas aplicações ainda não é tecnologicamente possível atingir um nível de consumo tão baixo. Mas mesclar tecnologias de supercapacitoresenergy harvesting e baterias apresentam pouca variação de custo e podem aumentar bastante a longevidade do produto, além de trazer facilidades como não necessitar de pontos de energia. É o futuro da sustentabilidade e dos sensores de IoT, um futuro que a omni está criando para o mercado. Por fim, deixamos uma pequena tabela comparando as tecnologias: 

Tecnologia 

Bateria 

Supercapacitores 

Híbrido (EH+SC) 

Custo (médio)  U$ 10,00 U$ 2,00 U$10,00
Custos extras (médio) U$ 5,00 (EH) U$ 5,00 U$ 5,00
Eficiência  70~90% 95% ~95%
Tempo de vida*  1-3 anos 5-10 anos 5-10 anos
Temperatura de operação  -10 a 40 °C -40 a 80 °C -10 a 40 °C
Ciclos de operação 500~10.000 100.000~1.000.000 100.000~1.000.000

*varia com consumo do dispositivo

EH = Energy harvesting

SC = Supercapacitor

 

Para o mercado, as soluções comuns de bateria (e energy harvesting) são mais custosas e tem menor tempo de vida, o que, para algumas aplicações, é um no-no na hora da venda. É claro que as baterias não estão com seus dias contados, em diversas aplicações são ideais ou suficientes, mas se quiser se destacar no mercado, a solução híbrida é o futuro da tecnologia e custa o mesmo!

Ainda está por aqui? Quer saber mais de baterias? Veja esse vídeo super legal do canal MinutePhysics, que explica a física por trás das baterias e até o próximo post que vamos explicar como é um sistema de energy harvesting!

 

Referências desse artigo:

64. ON MOORE’S LAW AND SNAIL’S LAW

Imagens: Designed by Freepik 

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