Sådan kommer du i gang med energy harvesting

Med udbredelsen af flere og flere smarte produkter, internet of things og wearable gadgets i mange afskygninger bliver behovet for skift og opladning af batteri kun større og større. Skidt for brugsoplevelsen og værre for miljøet. Derfor ser mange i retningen af batteriløse løsninger, hvor der høstes energi fra omgivelserne gennem lys, bevægelser, temperaturgradienter eller radiofrekvenser.

Af Johan Pedersen, DELTA – en del af FORCE Technology

Energy harvesting er særligt relevant for produkter, der har lavt energiforbrug i omegnen af 100 µW – 5 mW, da mange energy harvesting teknologier ligger i en energidensitet på 100 µW/cm som set i fig. 1.
Et standard knapcellebatteri CR2032 kan levere i 1 mW i mere end 45 timer, men når man kommer ned i et forbrug på få µW, hvor knapcellebatteriet kan holde 2-4 år, så er det i mange tilfælde ikke rentabelt at benytte energy harvesting, hvis et batteri kan holde produktets levetid ud.

agenda-08-batterilos-elektronik-fig1

Fig. 1. Sammenligning af energidensitet for de forskellige energikilder i vores omgivelser. Det er tydeligt at udendørs lys ligger væsentligt over resten og at RF kun er relevant ved ultra low power enheder. Kilde: CEA-LETI.

Med solcellen udendørs som forbillede har mange store forventninger til andre teknologiers performance, som ofte dog opererer på helt andre energimæssige vilkår. Solen er vores mest energitætte kilde og kan derfor ikke matches.

De primære barrierer

Barriererne, der skal overkommes for at realisere batteriløse løsninger, er flere. For en virksomhed, der har et batteridrevet produkt, kan det være svært at vurdere potentialet for energy harvesting.

Omkringværende miljø og praktiske omstændigheder betyder alt

Hvor meget lys er der egentlig på væggen i kontoret eller ved maskinen i produktionshallen, ved hvilke frekvenser forekommer vibrationerne på motoren, og hvor stor en temperaturgradient er der egentlig mellem det varme vandrør og den omgivende luft. Dette er man nødt til at vide, før man kan vurdere, om der er potentiale for at lave sit produkt selvforsynende med energi. Ligeledes skal det vurderes, hvordan energy harvesting generatorteknologierne virker i praksis i modsætning til datablade, som opgiver peak ydelser under perfekte forhold, men som sjældent holder i den virkelige verden.

Den praktiske implementering er samtidig en helt anden, hvor slutmontage har stor betydning: solcellens vinkel mod lyskilden, termogeneratorens kontakt til varmekilden, vibrationshøsterens mekaniske kobling til svingningerne mv. Dette er i stor kontrast til blot at integrere et batteri. Derfor bør funktionelle prototyper testes i det tiltænkte miljø så tidligt i processen som muligt.

Power management – kernen i et succesfuldt batteriløst produkt

Grundet naturlige ændringer i produkters omgivelser giver energy harvesting generatorteknologier sjældent stabilt 3 V som man er vant til fra et batteri. En konverter kan behandle ned til få mV fra en termoelektrisk generator ved lave temperaturforskelle eller over 50 V ved en piezoelektrisk generator i et vibrerende miljø samtidig med at det sikres, at generatoren holdes på sit maksimale ydelsespunkt.

Sourcing af nye energy harvesting teknologier

Nogle teknologier til høst af energi fra omgivelserne er bredt tilgængelige, hvor andre teknologier kun tilbydes af en enkelt eller få leverandører. I vurderingen af hvilke teknologier der skal erstatte batterier, er det vigtigt at evaluere leverandørrisikoen.

5 gode råd

• Start med at evaluere, om dit produkt er indenfor 100 µW – 10 mW i effektforbrug
• Lav grundig datalogning af energiniveau, så der er et reelt grundlag af data til at vurdere energipotentialet.
• Lav funktionelle prototyper til tidlige tests i det konkrete miljø inkl. test af montering
• Power management kredsløb definerer effektiviten af energy harvesting generatoren
• Hav øje for energy harvesting producentens leveringsstabilitet.

Kontakt

For mere information kontakt Johan Pedersen, Specialist, Energy Harvesting & IoT hos DELTA, tlf. +45 72 19 43 23, jep@delta.dk.

Denne artikel er bragt i SPM Magasinet , august 2016 – se den også på DELTA’s hjemmeside