Energie en vermogen: Intro
Theorie
In het vorige onderdeel ontdekten we dat niet enkel het bereik, maar eveneens het energieverbruik en de datasnelheid van de communicatietechnologie mee zullen bepalen of
die geschikt is voor ons IoT-systeem.
Laten we even inzoomen op energie.
We gebruiken dagelijks grote hoeveelheden aan energie. Niet enkel menselijke energie, maar ook thermische, chemische, elektrische, elastische, gravitatie-energie...
Wanneer we over energie nadenken moeten we een belangrijke wet in ons achterhoofd houden.
De wet van behoud van energie:
Deze behoudswet stelt dat de totale hoeveelheid energie in een geïsoleerd systeem te allen tijde constant blijft. Energie gaat niet verloren, het wordt van de ene vorm in de andere omgezet.
Een batterij bezit chemische energie (door de chemische reactie die er in plaatsvindt), die wordt omgezet in (nuttige) elektrische energie en een deel (niet-gevraagde = onnuttige) warmteontwikkeling.
De verhouding van de nuttige omgezette energie tegenover de aangevoerde energie noemen we het rendement.
Toestellen met een batterij bezitten eindige energie. Hoe lang duurt het vooraleer jij volgend slim toestel moet opladen?
- Smartphone?
- Laptop?
- Smartwatch?
Hoe drukken we energie uit? Kijk eens naar deze foto,
hoeveel energie zit er in de batterij van deze smartphone? Ga met je muis over de afbeelding.
Oplossing
Dit betekent dat je smartphone gedurende 1 uur lang 14.98 W kan leveren.
Energie
Energie wordt uitgedrukt in Joule (J), of wattuur (Wh) specifiek voor elektrische energie.
Energie is wat een levend wezen of machine nodig heeft om iets te kunnen doen.
Vermogen
Vermogen wordt uitgedrukt in Watt (W).
Vermogen beschrijft de snelheid waarmee energie wordt omgezet.
De relatie is de volgende: Energie = Vermogen x tijd.
Dit wordt in symbolen geschreven als
Ga met je muis over de afbeelding. Kloppen de eenheden?
Opdracht 1
Sleep de volgende items in de juiste kolom. Spreken we over energie of vermogen?
Toegepast
Opdracht 2
Bereken aan de hand van het vermogen van volgende toestellen hoeveel energie bepaalde activiteiten verbruiken.
Onze smartphone heeft een batterij met een energie van 19.4 Wh.
Je smartphone verbruikt gemiddeld 1 W (met zoekopdrachten, filmpjes etc.). Dat betekent dat je hem bij actief gebruik ongeveer een dag (19 uur) kan gebruiken zonder op te laden.
Wat zouden we nog kunnen met deze energie?
Je ziet dat we met de batterij van een smartphone slechts enkele seconden huis(houd)apparaten, die normaal een electriciteitssnoer hebben, van energie kunnen voorzien.
IoT-systemen sturen typisch kleine sensoren aan die weinig energie verbruiken. Met onze smartphonebatterij kunnen we een vochtigheidssensor 111 uur van energie voorzien.
Je smartwatch bezit een batterij van nog geen 1 Wh.
Door sensoren met een laag vermogen te gebruiken kan je die met beperkte energie lang aansturen.
Zo is het vermogen van de vochtigheidssensor, in bovenstaande opdracht, 4285 keer kleiner dan van de gamecomputer.
Je smartwatch bezit aanzienlijk minder energie dan je smartphone, toch moet je minder snel laden. Wat zorgt ervoor dat je sneller of minder snel moet laden?
- De communicatietechnologie die gebruikt wordt;
- de rekenkracht die nodig is om taken uit te voeren;
- de energie die de randapparatuur vraagt (beeldscherm, touchscreen controller, ...);
- bedenk zelf nog maar enkele redenen...
Onze IoT-toestellen moeten vaak aan strikte ontwerpvereisten voldoen. Ze mogen vaak niet te groot en niet te zwaar worden. Daarom willen we kleine batterijen in onze IoT devices. Hoeveel energie levert elke batterij?
Opdracht 3
Ga zelf op onderzoek! Probeer te achterhalen hoeveel energie in de batterijen zit die jij thuis bezit.
Vind je geen Wh? Misschien kan deze tip je helpen:
Oplossing
De energie die een batterij onder optimale condities kan leveren, verkrijgt men door de capaciteit (in mAh) te vermenigvuldigen met de spanning over de polen (in V) en te delen door 1000.
Op Wikipedia vind je een overzichtelijke tabel met de spanning en capaciteit van een waaier aan batterijen.
Wanneer we bepaald hebben wat onze sensor net moet kunnen, kunnen we bepalen hoeveel energie nodig is om dit te realiseren.
Omgekeerd kan je ook te werk gaan, kijken hoeveel energie je hebt en daarop afstemmen hoeveel metingen of berekeningen je kan uitvoeren.