Solcellen skal kunne skrives ut og omdanne takbelysning til elektrisitet

[Redaksjonen.]

Solcellen skal kunne skrives ut og omdanne takbelysning til elektrisitet

[Simen1]

At IoT-dingser enten drives direkte eller lader opp batteriene sine av omgivelselys er en bra ting, men jeg lurer på hvor kostnadseffektive akkurat denne blekkskriverteknologien er i forhold til vanlige silisiumbaserte solceller som sannsynligvis har langt høyere virkningsgrad og samtidig er svært så kostnadseffektivt produsert. Høyere virkningsgrad reduserer arealbehovet som kan være til sjenanse både visuelt og kan by på utfordringer med å få plass på ulike produkter.

Ellers så ser jeg en merkelig vinkling av saken om at disse solcellene skal konkurrere mot batterier. De konkurrerer vel først og fremst mot andre solceller. Om det kombineres med batterier eller ei har mer å gjøre med når energien forbrukes i forhold til når det er lys og eventuelle effekt-topper.

[sverreb]

1 hour ago, Simen1 said:

Ellers så ser jeg en merkelig vinkling av saken om at disse solcellene skal konkurrere mot batterier. De konkurrerer vel først og fremst mot andre solceller. Om det kombineres med batterier eller ei har mer å gjøre med når energien forbrukes i forhold til når det er lys og eventuelle effekt-topper.

Det er overhode ikke merkelig. Energiinnhøstingsenheter til denne typen apparater og sensorer vil alltid sammenlignes med primærceller (og de taper stort sett). Istedet for å sette på en solcelle, eller en induksjonsknapp, peltierelement etc. med alt av kapasitorer og regulatorer som de trenger er det nesten alltid et alternativ å bare sette inn primærceller, som enten er store nok til å vare hele apparatets forventede levetid eller lenge nok til at utskifting ikke er et problem.

Det er mye som kan klare seg i mange år på en CR2032, og det er ikke uvanlig å finne vann/gassmetre som skal vare i 20 år med en fastmontert litium thionylkloridcelle (Fordi de har ekstremt lav selvutlading)

Hva virkningsgraden angår må den bare være god nok, prisen er nok mye viktigere. Om sensoren må gå fra å sende en oppdatering i minuttet til en i timen trenger ikke være diskvalifiserende. Variasjonen i tilgjengelig lys er sannsynligvis mye mye større enn variasjonen i virkningsgrad mellom forskjellige solceller.

Endret 22. juni 2021 av sverreb

[Simen1]

Dippedutter som klarer seg i mange år med CR2032 gjør best i å fortsette med CR2032, i stedet for å innføre noe som gjør at dingsene ikke virker i mørket.

Dippedutter som krever flere mW har kortere batteritid og kan ha godt av solceller i stedet for faststrøm eller knappeceller. Da kan man velge mellom f.eks en 3x3 cm silisiumsolcelle, eller kanskje måtte gå opp til 6x6 cm blekkskrevet solcelle. Størrelsen på solcellen kan selvsagt gå ut over størrelsen på produktet og utseendet. Likevel kvitter man seg ikke med problemet at dingsene ikke fungerer i mørket.

Kombinerer man solceller med batterier så fjerner man fortsatt ikke forskjellen i arealbehov for å lade opp batteriet.

Markedet for blekkskrevne solceller begrenser seg så vidt jeg kan se til ett salgspunkt: Pris pr watt. De skal altså konkurrere mot de billigste silisium-solcellene på markedet. Lykke til!

[sverreb]

11 minutes ago, Simen1 said:

Dippedutter som krever flere mW har kortere batteritid og kan ha godt av solceller i stedet for faststrøm eller knappeceller.

Hvis du trenger mange mW begynner nok solceller å bli problematisk store og ikke minst dyre uansett, du snakker da om noe som er omkring 100cm^2. De mest aktuelle kandidatene for å bruke fotovoltaiske celler er slikt som uansett skal måle lys eller uansett trenger lys for å virke. I.e. optiske sensorer av ulike slag, og som kan akkumulere energi i en kapasitor for å bruke periodisk fremfor kontinuerlig.

17 minutes ago, Simen1 said:

Kombinerer man solceller med batterier så fjerner man fortsatt ikke forskjellen i arealbehov for å lade opp batteriet.

Da er du i en helt annen verden. Å ta seg råd til både en solcelle, et oppladbart batteri med BMS er ikke der slikt utstyr dette er tiltenkt er. Du kombinerer ikke solceller med batterier. Du bruker en kapasitor og en enkel måler som forteller deg at du har akkumulert nok energi til å gjenomføre en transaksjon.

20 minutes ago, Simen1 said:

Markedet for blekkskrevne solceller begrenser seg så vidt jeg kan se til ett salgspunkt: Pris pr watt.

Absolutt laveste pris er viktigere. Som sagt, for denne typen applikasjoner kan det ikke være viktig om transaksjonsraten er variabel. Er den det har du alt utelukket solcellene i alt annet en helt spesielle applikasjoner hvor lyset er en kjent størrelse. Kan du lage en fotovoltaisk celle med en minstepris på 20c fremfor $1, nær sagt uansett effekt så åpner du for andre applikasjoner (Ikke at jeg vet hva minsteprisen er i volum, men jeg finner ingen paneler på mouser under ca $1.5)

 

[Kahuna]

Den store besparelsen ligger jo i å slippe å betale noen for å løpe rundt å bytte batterier. Alle komponentene i min husalarm bortsett fra sentralen bruker litiumbatterier* som må byttes hvert 2-3 år. Jeg gjør det på fritiden, altså gratis,  mens en bedrift må betale noen for denne jobben. I hele dingsens levetid. Er Det urealistisk at hver dings kan slippe 10 batteribytter i sin levetid?

Ut fra levetid og størrelse på batteriene kan energibehovet til komponentene anslås til 4mWh per døgn og oppover.

[sverreb]

13 minutes ago, Kahuna said:

Den store besparelsen ligger jo i å slippe å betale noen for å løpe rundt å bytte batterier. Alle komponentene i min husalarm bortsett fra sentralen bruker litiumbatterier* som må byttes hvert 2-3 år. Jeg gjør det på fritiden, altså gratis,  mens en bedrift må betale noen for denne jobben. I hele dingsens levetid. Er Det urealistisk at hver dings kan slippe 10 batteribytter i sin levetid?

Ut fra levetid og størrelse på batteriene kan energibehovet til komponentene anslås til 4mWh per døgn og oppover.

I et alarmanlegg vil ikke fotoceller virke i all hovedsak. Dette er fordi de ikke kan antas å få noe videre med lys, og for noen av de fordi de har alt for stort periodevis forbruk. Det varierer litt med typen apparat, men vi kan ta for oss en del av de van,lige:

Glassensor: Disse skulle man tro kunne få lys, men det finnes skyggelagte kjellervinduer så her må installatøren ha flere typer om en av de skal bruke sollys. Disse bruker også svært lite strøm og kan fint vare i mange år.

Passiv IR (bevegelsessensorer): Disse har et svært lavt men kontinuerlig strømtrekk. De må virke også i rom som er mørke i lange perioder (Kanskje drar du på ferie i en måned om vinteren)

Kamera: Disse er ofte kobinert med PIR i moderne anlegg. Disse har et stort aktivt strømtrekk men er bare aktive en gang i blant. De kan ikke forsynes med en kapasitor så batterier må være til stede uansett.

Brannalarm: Samme argument som PIR. I likhet med PIR kan de fint leve i 5 år på moderne primærceller.

I komersielle installasjoner er det ganske riktig at å ha noen til å bytte batterier ofte er uønsket. Derfor har kablede anlegg ofte vært brukt der. en 4-20mA loop kan bære både signallering og energi en en dobbel wire. Men primærceller med 5 år eller lengre levetid blir stadig mer aktuelt. En del sensorer som brannalarmer må uansett byttes med visse mellomrom.

[Kahuna]

Hvorfor skal det ikke være lys tilgjengelig for alarmer? Det blir som med alt annet. IoT-dingser med solcelle må nødvendigvis monteres der det er lys.. Om lyset kommer fra vinduer eller lysrør er likegydlig. Om man må ha oppladbare batterier med BMS blir det selvfølgelig dyrere men fortsatt må det regnes opp mot timepris for å bytte batterier hvert annet år, eller kostnaden ved å legge kabel.

[sverreb]

7 minutes ago, Kahuna said:

Hvorfor skal det ikke være lys tilgjengelig for alarmer? Det blir som med alt annet. IoT-dingser med solcelle må nødvendigvis monteres der det er lys.

Og siden mange slike dingser trenger å ha en plassering som har andre begrensinger kan de ofte ikke leve med en begrensing til som er å ha lys. Om det går bra i 99% av tilfellene trenger du fortsatt et alternativ til den siste 1%. Apparatene designes ikke for et typisk case, de designes for å dekke verste tilfelle fordi det er ekstremt dyrt å vedlikeholde flere forskjellige design og å tape en kunde fordi en enkelt sensor ikke passet din restriktive spec vil ende med å koste deg masse i lengden.

10 minutes ago, Kahuna said:

Om lyset kommer fra vinduer eller lysrør er likegydlig.

Nja, ikke helt. Det er forskjellige paneltyper for innvendig og utvendig bruk. Hovedsaklig p.g.a. intensitet på lyset, men spekteret har også betydning. Et panel for innvendig bruk vil stort sett bare være overkill for utelys så det vil jo virke.

12 minutes ago, Kahuna said:

Om man må ha oppladbare batterier med BMS blir det selvfølgelig dyrere men fortsatt må det regnes opp mot timepris for å bytte batterier hvert annet år, eller kostnaden ved å legge kabel.

Oppladbare batterier har historisk sett også hatt ganske kort levetid. Å ha et system med oppladbare batterier som overlever i >>2år er et nyere fenomen, men i nyere tid er det også mulig å lage systemer med primærceller som varer i tilstrekkelig lang tid. Du kan som sagt fint lage noe med en Li/SOCL2 celle som lever i 20 år. Disse kan også skaffes i opp til -40-125C spec, mens oppladbare celler gjerne er begrenset til 0-65C.

I praksis ender man med at applikasjonen for energihøsting er veldig smale netopp fordi at harvester+BMS+oppladbart batteri er enten for dyrt eller er fortsatt ikke pålitelig nok sammenlignet med en primærcelle (Plutselig ser tu at batteriet er tomt etter 3 måneder...). Du er derfor i praksis begrenset til systemer som kan bruke en harvester + cap (og dermed kan leve med upålitelig tilgang til energi), samt hvor dette koster mindre enn en passende primærcelle. En billigere harvester kan øke innfanget av applikasjonsområder.
I hjemmesystemet ditt er det som du observerer ikke noen vesentlig kostnad å bytte batteri side det er du som gjør det ikke en på timelønn, så der er det ikke relevant å regne på byttekostnader utover logistikk for å sende deg batteriene.

 

[Lynxman]

I 1991 fikk jeg utdelt kalkulator i ungdomsskolen som gikk på fotovoltaisk element og nøyde seg med taklampene som drift.

EDIT:
Ingen batteri som ble ladet. Kun solcelledrift.

Endret 23. juni 2021 av Lynxman

[sverreb]

20 minutes ago, Lynxman said:

I 1991 fikk jeg utdelt kalkulator i ungdomsskolen som gikk på fotovoltaisk element og nøyde seg med taklampene som drift.

En anno 1991 4004 CPU klokket på et absolutt minimum samt segment LCD trekker ikke mange nA. Selv noe så enkelt som reed-switch som detekterer åpne dører og vinduer trenger nok mer energi enn den simpelten fordi de må polle sentralen i ny og ne. (Selve reed-switchen trekker nada)

Her er datablad på en litt nyere kalkulatokrets: 
https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/31131/TOSHIBA/T6A36S.html

spec på den er 0.3-2.2V og 0.5uA (display av, kun minne) til ca 10uA aktiv peak.

Endret 22. juni 2021 av sverreb

[Ketill Jacobsen]

Til opplysning:

Har en Aurora B83 kalkulator fra ca 1985 med fire lysceller ved siden av hverandre (hver på ca 80 mm2). Først de senere år har det vært nødvendig å legge kalkulatoren ute i sola for opplading (ellers bare brukt innenhus og min kone har brukt den i sin kafevirksomhet de første 20 år). Jeg er imponert over at så lite sol(lys)celleareal kun brukt innendørs er tilstrekkelig for såpass store oppgaver!

[trikola]

49 minutes ago, Ketill Jacobsen said:

Jeg er imponert over at så lite sol(lys)celleareal kun brukt innendørs er tilstrekkelig for såpass store oppgaver!

Det er egentlig ikke en så stor oppgave. Man må huske at den integrerte kretsen ikke trenger å gå med stor hastighet som man forventer fra en datamaskin - alt kan gå veldig sakte der inne og fortsatt ville vi ikke oppfatte det som treg ettersom vi er enda mye tregere med tastingen og reaksjonen.

Det blir litt verre med vitenskapelige funksjoner og ekte flyt-tall, men de finner man vel heller ikke som rent solcelledrevet.

Endret 23. juni 2021 av trikola

[Ketill Jacobsen]

trikola skrev (1 minutt siden):

Det er egentlig ikke en så stor oppgave. Man må huske at den integrerte kretsen ikke trenger å gå med stor hastighet som man forventer fra en datamaskin - alt kan gå veldig sakte der inne og fortsatt ville vi ikke oppfatte det som treg ettersom vi er enda mye tregere med tastingen og reaksjonen.

Heller ikke sensorer er særlig energikrevende. Mange behøver ikke rapportere mer enn en gang per time (stort spenn fra kontinuerlig og utover). Prosessorhastighet er vel heller ikke kritisk i sensorer, det er vel høyt energibruk som er problemet?

[sverreb]

26 minutes ago, trikola said:

Det er egentlig ikke en så stor oppgave. Man må huske at den integrerte kretsen ikke trenger å gå med stor hastighet som man forventer fra en datamaskin - alt kan gå veldig sakte der inne og fortsatt ville vi ikke oppfatte det som treg ettersom vi er enda mye tregere med tastingen og reaksjonen.

Det blir litt verre med vitenskapelige funksjoner og ekte flyt-tall, men de finner man vel heller ikke som rent solcelledrevet.

Kalkulatorkretser jeg har funnet kjører på 12kHz eller deromkring. Flyttall er ikke fryktelig komplisert en flyttallsmultiplikasjon er bare en vanlig multiplikasjon av mantissa og en addisjon av eksponentene (med en justering fra multiplikasjonen).

20 minutes ago, Ketill Jacobsen said:

Heller ikke sensorer er særlig energikrevende. Mange behøver ikke rapportere mer enn en gang per time (stort spenn fra kontinuerlig og utover). Prosessorhastighet er vel heller ikke kritisk i sensorer, det er vel høyt energibruk som er problemet?

Det kommer an på sensoren. Om vi holder oss til alarmsystemer: En brannalarm, PIR eller en reedswitch tar veldig lite energi. En glassbruddsensor er langt mer kompleks da det involverer sampling av ganske mye data, en FFT pluss en del annen signalprosessering. Kamera kan ta vesentlig prosessering og viktigst produserer mye data, men brukes bare veldig sjeldent (ved alarmutløsning normalt).

Sensorene bør polles relativt ofte for å unngå et jammingangrep. I.e. en alarm bør utløses om kommunikasjon med sensorene feiler for mye siden en jammer kan brukes for å hindre kommunikasjon. Her er nok hjemmealarmsystemer ganske svake. Å unngå falsk alarm er gjerne vektlagt høyere enn sikkerheten siden det er alarmselskapet som pådrar seg kostnader ved alarmutløsning, men polling en gang i timen er unødig sjeldent.

For de enkle sensorene (PIR, reed, røyk) er gjerne selve kommunikasjonsdelen det som dominerer energibudsjettet (Men litt avhengig av ønsket sensitivitet for røyk og PIR). Prosessering av data er energimessig ganske billig. Det er raskt ADC eller biasstrømmer i analoge komponenter som er det viktigste strømtrekket for selve sensoren. 
Kommunikasjonen bruker gjerne noen mW mens den pågår, men selv med den topplasten kan man fint klare seg med et gjennomsnittlig energibudsjett på noen uW siden brukstid på kommunikasjonen er <<1% . Utfordringen for mange lavenergi forsyningsløsninger er at de tåler dårlig høye strømmer. Det kan man naturligvis avhjelpe med en avkoplingskapasitor, men store avkoplinger vil i sin tur lekke energi så du kan bare komme så langt med den metoden. Dermed blir fort begrensingen topplasten fremfor energiinnholdet.