Pozyskiwanie energii w IoT: źródła, korzyści i zastosowania

Wyobraź sobie sieć 10 000 czujników rozmieszczonych na mostach, w gospodarstwach rolnych, magazynach i na ulicach miast. Nawet jeśli każda bateria wytrzyma pięć lat, oznacza to około 2 000 wymian baterii rocznie. Każda z nich wiąże się z wizytą na miejscu, poświęceniem czasu przez technika oraz ryzykiem, że urządzenie przestanie działać, zanim ktokolwiek to zauważy.

W przypadku wielu projektów z zakresu Internetu rzeczy (IoT) to właśnie bateria, a nie czujnik czy sieć, stanowi rzeczywiste ograniczenie pod względem kosztów i skali. Pozyskiwanie energii zmienia tę sytuację. Zamiast polegać wyłącznie na zgromadzonej energii, urządzenie pozyskuje niewielkie ilości energii z otoczenia: światła, ciepła, ruchu, przepływu powietrza lub fal radiowych.

Oto, jak to działa, które źródła warto rozważyć, gdzie ma to zastosowanie i jak połączyć to z odpowiednią łącznością.

Zanim przejdziemy do tematu IoT, czym właściwie jest pozyskiwanie energii?

Pozyskiwanie energii (zwane również odzyskiwaniem energii lub zasilaniem z otoczenia) to proces polegający na wychwytywaniu niewielkich ilości energii już obecnej w otoczeniu i przekształcaniu jej w energię elektryczną nadającą się do wykorzystania.

Wystarczy pomyśleć o kalkulatorze zasilanym energią słoneczną lub zegarku z automatycznym naciągiem. W IoT ta sama zasada zasila czujniki i urządzenia śledzące, które potrzebują zaledwie od mikrowatów do miliwatów i przez większość czasu pozostają w trybie uśpienia.

Kluczową kwestią jest to, że pozyskiwana energia jest niewielka i często pojawia się sporadycznie. Pozyskiwanie energii działa najlepiej, gdy urządzenie jest projektowane z uwzględnieniem tej rzeczywistości od samego początku.

W jaki sposób pozyskiwanie energii pomaga urządzeniom IoT?

• Dłuższa żywotność urządzenia. Moduł pozyskujący energię może w sposób ciągły doładowywać baterię lub superkondensator, dzięki czemu urządzenie może działać o wiele dłużej – czasami nawet przez cały okres eksploatacji.
• Niższe koszty konserwacji. Mniejsza liczba wymian baterii oznacza mniej wizyt serwisowych, co często stanowi największą oszczędność w trudno dostępnych miejscach, takich jak turbiny wiatrowe czy mosty.
• Wdrożenia, które wcześniej nie były praktyczne. Czujniki można umieścić tam, gdzie okablowanie jest niemożliwe.
• Mniej odpadów. W samych Stanach Zjednoczonych zużywa się rocznie prawie trzy miliardy baterii suchych. Biorąc pod uwagę, że wkrótce pojawi się dziesiątki miliardów podłączonych do sieci urządzeń, ograniczenie zużycia baterii stanowi prawdziwy sukces w zakresie zrównoważonego rozwoju.

Źródła energii do pozyskiwania zasilania dla urządzeń IoT

W tabeli przedstawiono powszechnie podawane dane porządku wielkości dla każdego źródła. Rzeczywista wydajność zależy w dużym stopniu od warunków otoczenia.

Podane wartości to typowe wyniki testów porównawczych, powszechnie stosowane w literaturze poświęconej pozyskiwaniu energii; własne pomiary przeprowadzone na miejscu zawsze są lepsze niż dane z tabeli.

Energia słoneczna

Przy projektowaniu czujników IoT zasilanych energią słoneczną należy wziąć pod uwagę dwie praktyczne kwestie. Po pierwsze, w pomieszczeniach tania ogniwo z krzemu amorficznego może przewyższać wydajnością drogie ogniwo krystaliczne, ponieważ lepiej radzi sobie z słabym, sztucznym oświetleniem. Po drugie, w krajach skandynawskich należy projektować z myślą o grudniu, a nie o czerwcu. Czujnik zasilany energią słoneczną w Tromsø musi przetrwać tygodnie nocy polarnej, więc pojemność akumulatora i cykl pracy mają równie duże znaczenie, jak rozmiar panelu.

Termoelektryczne

Generatory termoelektryczne (TEG) przekształcają różnicę temperatur w energię elektryczną. Ich sprawność wynosi zaledwie około 2–5%, ale mogą działać przy różnicach temperatur rzędu zaledwie kilku stopni. Wymagają one obwodów wzmacniających, ponieważ surowe napięcie wyjściowe wynosi często kilkadziesiąt milivoltów. Ciepłe rury, silniki, układy wydechowe i sieci ciepłownicze są naturalnymi kandydatami do zastosowania tej technologii. Główną wadą jest to, że często potrzebny jest radiator, aby utrzymać różnicę temperatur, co zwiększa gabaryty urządzenia.

Przepływ i wiatr

Małe turbiny i urządzenia wykorzystujące przepływ pozyskują energię z poruszającego się powietrza lub wody: kanałów wentylacyjnych, rurociągów, rzek lub odsłoniętych konstrukcji zewnętrznych. Najnowsze przeglądy badań szacują gęstość mocy pozyskiwanej z wiatru na 10–200 mW/cm³ (Du i in., 2025). Urządzenia te działają najlepiej tam, gdzie przepływ jest przewidywalny.

Wibracje i energia kinetyczna

Maszyny, pojazdy, mosty i tory kolejowe – wszystkie one wibrują. Zbieracze piezoelektryczne są kompaktowe i niedrogie, ale wytwarzają mniej energii. Zbieracze elektromagnetyczne dostarczają więcej energii, ale są większe i droższe. Kinetyczne zbieracze „uderzeniowe”, takie jak dźwignia naciskająca cewkę, mogą wygenerować wystarczającą ilość energii, aby zasilić prosty czujnik i jedną transmisję bezprzewodową. Tak właśnie działają samozasilające się włączniki światła.

RF / Elektromagnetyczne

Pozyskiwanie energii RF polega na wychwytywaniu energii z sygnałów radiowych, takich jak Wi-Fi, sieci komórkowe lub dedykowane nadajniki RF. Moc RF w otoczeniu jest bardzo ograniczona i w dużym stopniu zależy od warunków środowiskowych. Technologia RF sprawdza się najlepiej w przypadku obecności dedykowanego nadajnika w pobliżu lub w przypadku tagów o bardzo niskim poborze mocy. Stanowi to również podstawę dla technologii Ambient IoT.

Hybrydowe zasilanie z wielu źródeł

Systemy hybrydowe łączą dwa lub więcej źródeł, na przykład energię słoneczną z energią cieplną lub drgania z energią wiatru, dzięki czemu urządzenie nadal działa, gdy jedno ze źródeł przestaje dostarczać energię. Badacze wykazali, że hybrydowe urządzenia pozyskujące energię, wykorzystujące zjawisko triboelektryczne i elektromagnetyczne, mogą wytwarzać moc szczytową od kilku miliwatów do około 85 mW w testach przeprowadzonych przy wietrze (Du i in., 2025). Kompromisem jest to, że większa liczba urządzeń pozyskujących energię oznacza większe urządzenie i bardziej złożone zarządzanie energią.

Jak działa pozyskiwanie energii w IoT?

Urządzenie IoT wykorzystujące pozyskiwanie energii składa się z pięciu podstawowych elementów, które współpracują ze sobą:

1. Zbieracz energii (przetwornik). Ogniwo słoneczne, generator termoelektryczny, element piezoelektryczny lub antena, które przekształcają energię otoczenia w energię elektryczną.
2. Układ scalony do zarządzania zasilaniem (PMIC). Przekształca surowe, zmienne napięcie wyjściowe w stabilne napięcie. Dobre układy PMIC wykorzystują śledzenie punktu maksymalnej mocy (MPPT), aby w pełni wykorzystać potencjał pozyskiwacza w miarę zmiany warunków.
3. Magazyn energii. Superkondensator, akumulator lub oba te elementy. Magazyn energii wypełnia lukę między momentem, w którym energia jest dostępna, a momentem, w którym urządzenie jej potrzebuje, na przykład w nocy.
4. Czujnik i mikrokontroler. Czujnik IoT mierzy temperaturę, wibracje, położenie, wilgotność lub inne parametry wymagane przez daną aplikację. To właśnie czujniki o niskim poborze mocy sprawiają, że pozyskiwanie energii jest w ogóle opłacalne, ponieważ każdy zaoszczędzony mikrowat zmniejsza zależność od baterii.
5. Moduł radiowy. Przesyła dane do chmury. W większości projektów jest to element urządzenia zużywający najwięcej energii.

Proces ten przebiega w prostym cyklu: pozyskiwanie → magazynowanie → wybudzanie → pomiar → transmisja → uśpienie. Urządzenie przez większość czasu pozostaje w stanie uśpienia, podczas gdy moduł pozyskujący energię zapełnia magazyn, a następnie budzi się, dokonuje pomiaru, wysyła dane i ponownie przechodzi w stan uśpienia.

Czy pozyskiwanie energii jest odpowiednim rozwiązaniem dla Twojego urządzenia IoT?

Pozyskiwanie energii doskonale sprawdza się, gdy:

• Urządzenie wysyła niewielkie ilości danych w rzadkich odstępach czasu (od minut do godzin, a nie sekund)
• Wymiana baterii jest kosztowna, ryzykowna lub fizycznie trudna
• W miejscu instalacji dostępne jest niezawodne źródło energii z otoczenia
• Urządzenie ma pozostawać w terenie przez wiele lat

Rozwiązanie to jest mniej odpowiednie, gdy:

• Urządzenie przesyła dane w trybie ciągłym (wideo, telemetria o wysokiej częstotliwości)
• Urządzenie wymaga łączności w czasie rzeczywistym i stałej dostępności
• Środowisko nie zapewnia niezawodnego źródła (ciemna, nieruchoma szafka o stabilnej temperaturze)
• Wymagania dotyczące rozmiaru i kosztu jednostkowego są bardzo restrykcyjne

Przydatna praktyczna zasada: jeśli Twoje urządzenie może funkcjonować zgodnie z zasadą „przesyłaj dane, gdy jest energia”, warto rozważyć wykorzystanie energii z otoczenia. Jeśli musi przesyłać dane „bez względu na wszystko”, zaplanuj wykorzystanie energii z otoczenia jako przedłużenie żywotności baterii, a nie jako jej zamiennik.

Rzeczywiste przykłady zastosowań pozyskiwania energii w IoT

• Inteligentne miasta. Zasilane energią słoneczną czujniki parkowania, czujniki poziomu zapełnienia pojemników na śmieci oraz czujniki jakości powietrza zamontowane na słupach oświetleniowych i elementach małej architektury.
• Śledzenie zasobów i logistyka. Urządzenia śledzące zasilane energią słoneczną na kontenerach, przyczepach i wagonach kolejowych, które przekazują informacje o lokalizacji przez lata bez konieczności wymiany baterii.
• Przemysł i produkcja. Czujniki zasilane drganiami i ciepłem na silnikach, pompach i sprężarkach do monitorowania stanu technicznego i konserwacji predykcyjnej.
• Energetyka i usługi komunalne. Czujniki termoelektryczne na rurociągach i w sieciach ciepłowniczych oraz czujniki z własnym zasilaniem na napowietrznych liniach energetycznych.
• Rolnictwo. Zasilane energią słoneczną stacje pomiaru wilgotności gleby i stacje pogodowe rozmieszczone na rozległych polach.
• Inteligentne budynki. Zasilane światłem czujniki temperatury, obecności i stężenia CO₂.

Opcje łączności dla urządzeń IoT o ograniczonym zużyciu energii

Moduł radiowy jest zazwyczaj największym odbiorcą energii w urządzeniu wykorzystującym energię otoczenia. Dlatego wybór sposobu łączności nie jest odrębną decyzją. Stanowi on część budżetu energetycznego.

LTE-M / NB-IoT

LTE-M i NB-IoT to technologie komórkowe zaprojektowane z myślą o urządzeniach IoT o niskim poborze mocy. Dwie cechy sprawiają, że dobrze nadają się one do wykorzystania z odzyskanej energii:

• Tryb oszczędzania energii (PSM) pozwala urządzeniu pozostawać w stanie uśpienia przez wiele godzin lub dni, pozostając jednocześnie zarejestrowanym w sieci, dzięki czemu nie marnuje energii na ponowne nawiązywanie połączenia od początku.
• Rozszerzony tryb odbioru przerywanego (eDRX) pozwala urządzeniu nasłuchiwać przychodzących wiadomości wyłącznie w długich, ustalonych odstępach czasu.

LoRa / LoRaWAN

LoRaWAN zużywa bardzo mało energii na jedną wiadomość i oferuje duży zasięg, co czyni go atrakcyjnym rozwiązaniem dla niewielkich urządzeń zbierających dane. Wadą jest infrastruktura: potrzebne są bramki (oraz zasilanie i łącza zwrotne dla nich), a zasięg zależy od tego, kto je wdraża. Rozwiązanie to sprawdza się dobrze w przypadku wdrożeń typu kampusowego, takich jak gospodarstwo rolne, port lub teren przemysłowy, gdzie użytkownik kontroluje bramki.

Nie wiesz, które rozwiązanie pasuje do Twojego urządzenia? Narzędzie do wyboru sieci firmy Com4 pomoże Ci porównać dostępne opcje.

Główne wyzwania i ograniczenia pozyskiwania energii w IoT

Gęstość mocy i przerywany charakter zasilania

Źródła otoczenia dostarczają niewielkie ilości energii i rzadko zapewniają jej ciągły dopływ. Słońce zachodzi, maszyny się zatrzymują, a wiatr słabnie. Urządzenie musi magazynować energię i planować swoje zadania w oparciu o faktycznie dostępną energię, zamiast zakładać jej stały dopływ.

Rozmiar, obudowa i integracja

Większa moc zazwyczaj oznacza większy kolektor. Panele słoneczne wymagają powierzchni, kolektory termiczne potrzebują radiatorów, a systemy hybrydowe zawierają więcej elementów. W przeglądach badań zauważa się, że połączenie kilku kolektorów prowadzi do powstania większych urządzeń i bardziej złożonego zarządzania energią, a także że nadal nie ma uniwersalnego podejścia do integracji wielu źródeł (Du i in., 2025).

Żywotność magazynów energii

Akumulatory ulegają degradacji wraz z kolejnymi cyklami ładowania i nie radzą sobie dobrze w niskich temperaturach, co ma znaczenie podczas skandynawskich zim. Superkondensatory wytrzymują znacznie więcej cykli, ale magazynują mniej energii. To właśnie sposób magazynowania energii często decyduje o tym, czy urządzenie będzie działać przez 5 czy 15 lat.

Koszt początkowy i złożoność konstrukcji

Opracowanie i wykonanie konstrukcji wykorzystującej energię otoczenia jest droższe niż prostego urządzenia zasilanego baterią. Opłacalność wynika z niższych kosztów konserwacji w całym okresie eksploatacji, dlatego należy ją obliczać dla całego okresu użytkowania, a nie na jedną sztukę w momencie zakupu.

Wymogi regulacyjne w Norwegii: dyrektywa RED i ustawa CRA

Wykorzystanie energii otoczenia nie zmienia obowiązków związanych z zapewnieniem zgodności z przepisami. Jeśli urządzenie posiada funkcję radiową z dostępem do Internetu, może być konieczne spełnienie norweskich wymogów dotyczących cyberbezpieczeństwa określonych w dyrektywie w sprawie urządzeń radiowych (RED).

Według Nkom, norweskiego urzędu ds. komunikacji:

• Wymogi dotyczące cyberbezpieczeństwa określone w dyrektywie RED mają zastosowanie w Norwegii od 1 sierpnia 2025 r. do wprowadzanych na rynek urządzeń radiowych podłączonych do Internetu. Do wykazania zgodności można wykorzystać normy zharmonizowane EN 18031-1, -2 i -3.
• Ustawa o cyberodporności (CRA) wprowadza szersze wymagania dotyczące wszystkich produktów zawierających elementy cyfrowe. Obowiązki sprawozdawcze producentów obowiązują od 11 września 2026 r.
• Ustawa CRA wchodzi w życie w pełnym zakresie od 11 grudnia 2027 r., kiedy to zastąpi wymogi dotyczące cyberbezpieczeństwa zawarte w dyrektywie RED.

Dla zespołów produktowych oznacza to, że bezpieczeństwo musi być uwzględnione w projekcie od samego początku, w tym w przypadku urządzeń o bardzo niskim poborze mocy, gdzie liczy się każdy dodatkowy mikrojoul zużyty na szyfrowanie i aktualizacje.

Najnowsze osiągnięcia i trendy badawcze

Nanogeneratory tryboelektryczne i hybrydowe

Nanogeneratory tryboelektryczne (TENG) wytwarzają energię elektryczną w wyniku tarcia i kontaktu między materiałami, podobnie jak w przypadku elektryczności statycznej. Są tanie, elastyczne i skalowalne. W badaniach nad sieciami energetycznymi pojedyncza obracająca się jednostka TENG pozyskująca energię magnetyczną z linii przesyłowych osiągnęła napięcie w obwodzie otwartym wynoszące do 1,5 kV oraz moc wyjściową 6,67 mW. Konstrukcje hybrydowe łączące TENG z generatorami termoelektrycznymi lub elektromagnetycznymi już teraz zasilają czujniki z własnym źródłem zasilania, służące do monitorowania wiatru, drgań linii oraz grubości lodu (Du i in., 2025).

Integracja AI/ML

Sztuczna inteligencja pomaga na dwa sposoby. W samym urządzeniu lekkie modele uczenia maszynowego przewidują, ile energii będzie dostępne (na przykład jutrzejsze nasłonecznienie), i dostosowują częstotliwość pomiarów oraz transmisji danych. W badaniach naukowych sztuczna inteligencja przyspiesza odkrywanie i optymalizację nowych materiałów do pozyskiwania energii.

IoT w otoczeniu

Wersja 19 standardu 3GPP wprowadza standaryzację Ambient IoT: urządzeń o ultra niskim poborze mocy, charakteryzujących się szczytowym poborem mocy rzędu około 1 µW, zasilanych energią pozyskaną z otoczenia i komunikujących się bezpośrednio ze stacjami bazowymi sieci komórkowych (3GPP). Pierwszym priorytetem są zastosowania związane z inwentaryzacją i sterowaniem w pomieszczeniach, a bardziej zaawansowane typy urządzeń są planowane w wersji 20.

Jak rozpocząć korzystanie z pozyskiwania energii w IoT?

Zacznij od przypadku użycia i środowiska

Określ, co urządzenie ma mierzyć, jak często i gdzie będzie się znajdować. Odwiedź miejsce instalacji. Czy występuje tam światło? Ciepło? Wibracje? Jak zmieniają się te czynniki w ciągu dnia i roku?

Oszacuj bilans energetyczny

Oblicz dzienne zapotrzebowanie na energię (tryb uśpienia + pomiary + transmisja) i porównaj je z ilością energii dostarczaną przez generator w najgorszym scenariuszu, a nie w dniu typowym.

Wybierz odpowiedni(e) moduł(y) pozyskujący(e) energię

Dopasuj źródło do otoczenia: światło do oświetlonych przestrzeni, ciepło do ciepłych powierzchni, wibracje do maszyn. Rozważ rozwiązanie hybrydowe tylko wtedy, gdy jedno źródło nie jest wystarczająco niezawodne.

Dopasuj pojemność magazynu na czarną godzinę

Dobierz pojemność superkondensatora lub akumulatora tak, aby urządzenie mogło przetrwać najdłuższy przewidywany okres braku pozyskiwania energii, np. skandynawską zimę, przestój fabryki lub pochmurny tydzień.

Wybierz rozwiązanie łączności o niskim poborze mocy i dostosuj je

Wybierz technologię radiową dostosowaną do wymagań dotyczących ładunku, mobilności i zasięgu, a następnie wykorzystaj tryby PSM, eDRX oraz inteligentne interwały raportowania, aby ograniczyć zużycie energii. Zaprogramuj oprogramowanie sprzętowe tak, aby uwzględniało zużycie energii i dostosowywało częstotliwość raportowania do dostępnych zasobów energii.

Tworzenie prototypów, pomiary i testy w terenie

Wyniki laboratoryjne rzadko sprawdzają się w rzeczywistych warunkach. Zmierz rzeczywiste zużycie energii i przeprowadź testy na miejscu w różnych porach roku. Laboratorium testowe Com4 oraz bezpłatny zestaw testowy IoT pozwalają przetestować łączność komórkową na własnym sprzęcie przed wdrożeniem na większą skalę.

Planowanie zgodności z przepisami i zarządzanie cyklem życia

Od samego początku uwzględnij wymagania bezpieczeństwa RED/CRA oraz zaplanuj, w jaki sposób będziesz zdalnie monitorować urządzenia i zarządzać nimi po ich wdrożeniu, na przykład za pomocą platformy do zarządzania łącznością, takiej jak Polaris CMP.

Wnioski

Pozyskiwanie energii nie wyeliminuje baterii ze wszystkich urządzeń IoT i nie ma takiej potrzeby. Jego prawdziwa wartość polega na zmianie ekonomiki dużych wdrożeń: mniejsza liczba wizyt na miejscu, dłuższa żywotność urządzeń oraz swoboda umieszczania czujników w miejscach, do których wcześniej nie było to możliwe.

Projekty, które odnoszą sukces, od samego początku traktują energię jako ograniczenie projektowe: analizują otoczenie, planują każdy mikrojoul i dobierają odpowiednią łączność.

Jeśli tworzysz urządzenie o ograniczonych zasobach energetycznych i chcesz wiedzieć, która opcja łączności pozwoli Ci najlepiej wykorzystać budżet energetyczny, skontaktuj się z Com4. Pomożemy Ci przetestować ją w rzeczywistych sieciach, zanim podejmiesz ostateczną decyzję.