打破傳統障礙:土壤傳電創新農業物聯網供電方式

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如何為散佈在各處的農業物聯網 (IoT) 感測器供電? 電力是通往真正智慧農業道路上的一大障礙。即使是最節能的設備也需要電力來追蹤和報告 GPS 座標、水分含量、溫度、土壤酸度、養分濃度和入侵害蟲。每項數據都有許多解決方案:長壽命電池、太陽能電池板、風力發電機、雷射和微波能量束,甚至具有感應線圈的無人機,可以定位降落,並利用埋在地下的感應線圈充電。

現在,位於田納西科技大學庫克維爾分校的研究人員提出了一個新想法:直接透過土壤輸送電力。這不僅僅是實驗室裡的概念,研究人員已經透過土壤 (TTS) 傳輸電力,這個實驗分布在兩英畝大的測試土地上,使用遠端感測器和長距離、低功耗 LoRa 無線電供電,而且這個實驗已經經歷了多個生長季節。

工程師們使用行動太陽能電池板陣列為他們的測試供電,每天大約需要 0.1 千瓦時。如果他們按照零售價格支付電費,每天的花費大約略高於一美分。

研究人員的 TTS 系統具有三個主要部分:發電器、一個或多個接收器以及多個感測器模組。 該小組的兩英畝測試網路連接了四個感測器模組。每個都包含一個 Microchip 微控制器、一個整合了 LoRa 網路電路、一個用於儲存傳輸突發電力的 1 毫法拉電容器以及兩個土壤感測器。這兩個土壤感測器一個用於檢測水分,另一個用於檢測溫度。總而言之,試驗的四個感測器模組需要 0.8 瓦的功率。

TTS 發射器是一對電極,一個位於地表,一個沉入地下 90 公尺。從概念上說,發射器和多個接收器形成耦合電路。電田地中的接收器會根據需要提取電力。「TTS系統的幾何結構類似於水井,為此種長距離無線電力傳輸技術提供了一種可能的方式,可以極低的成本將其整合到現有的農業基礎設施中,對使用者來說幾乎沒有成本。」研究人員在發表於 2024 年 2 月的《IEEE 工業電子交易》雜誌上的一篇論文中寫道。

發射器由一個表面電極和一個底部電極組成。表面電極是一個長 15 公尺長的鋼井套管,埋入表土層。底部電極穿過套管伸展到地下 90 公尺,其中 75 公尺的重型電線包裹在高密度聚乙烯管中,連接到另一根 15 公尺露出的黃銅上。

每個接收器都有兩根長 0.7 公尺的桿子插入地面,相距 1 到 3 公尺。感測器模組連接在這些電極之間。電壓取決於發射器和接收器之間的距離以及接收器電極之間的距離。操作人員可以調整接收器電極間的距離,以提供他們需要的電壓(在這種情況下為3.6伏特)來運行感應器模組。

田納西理工大學助理教授查爾斯·范內斯特(Charles Van Neste)和他的同事從 2016 年開始研究 TTS 電力。從那時起,他們研究了土壤的電氣特性,並學習了電流在地下如何運行,同時還努力將系統擴展到更大的土地上。

在他們的工作過程中,研究人員發現雖然土壤通常是一種不可靠的導體,但經過灌溉並定期加了有離子的肥料,這些農田土壤具有更好的導電性。他們還發現電流會沿著土壤層前行;換句話說,電流傾向於橫向通過特定土壤。這一發現為發射器的垂直設計提供了依據,該設計允許電流找到最佳的通行層。他們還發現 TTS 在非常低的交流電頻率下效果最佳,具體來說是低於 50 千赫。

TTS 系統使用地下發射器和接收器來產生直接穿過土壤的電流。兩英畝的測試網路以 60 赫茲的頻率傳輸電力。隨著接收器離發射器越遠,傳輸效率會下降。「該模型顯示,可以透過降低接觸電阻和以更高的頻率運行來進行改進,這也是我們目前研究的主要方向,」范內斯特說。

田納西理工大學已對 TTS 申請了全球專利,研究人員正與新創公司 Terra Watts, Inc. 合作進行商業化。

范內斯特表示,TTS 可以實現「相當令人興奮的傳輸距離」。他補充說,「改善 \[發射器/接收器\] 接觸將提高傳輸效率。 我們的想法也開始演變為將資料傳輸與電力傳輸結合起來的方式,這樣感測器系統就可以完全在地下傳輸資訊。 這將允許感測器完全埋在地下,這是我們希望很快就能展示的東西。」 范內斯特說:「只要沒有發生災難性的事情,我們希望在夏天結束前能夠展示150到200公尺半徑(約30英畝)的電力傳輸。」作為該測試的一部分,他們計劃使用新設計的逆變器,在低工作週期下產生高強度電流。「我們上周測試了這個新的逆變器,並實現了在\[工業電子交易\]論文中獲得的相同電流密度,但僅使用了完全逆變器操作的10%。我們非常興奮地探索在更大範圍內的電力傳輸。」

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