IoT-sensorer får energi tappet fra omgivelserne

En af de største udfordringer ved at bruge trådløse sensornetværk er batterilevetiden. Et alternativ er at udnytte den energi, der findes i sensorens omgivelser. Dette alternativ giver mulighed for at gøre IoT-enhederne vedligeholdelsesfri og selvstændigt strømforsynende.

Af Dushan Vuckovic

Brug af batterier kan være forbundet med væsentlige svagheder. For det første har batterierne en begrænset energimængde. I nogle tilfælde ville den størrelse batteri, der skulle til for at kunne forsyne et produkt i hele dets levetid, gøre, at batteriet bliver alt for stort og dyrt. Alene udskiftningen af batterier på tusinder af enheder, især hvis de er placeret på svært tilgængelige eller farlige steder, kan gøre, at det bliver alt for omkostningskrævende at bruge sensorer.

For det andet bliver der brugt over 3.000.000.000 batterier i USA alene. Dertil skal lægges de mange milliarder IoT-enheder, der bruger batterier, som med tiden bliver kasseret og dermed udgør en betydelig miljømæssig belastning.

Energy Harvesting som alternativ energikilde

En alternativ løsning er baseret på at omsætte den energi, der findes i enhedens nærmiljø, til elektrisk energi. Dette giver mulighed for at gøre IoT-enheden vedligeholdelsesfri og selvstændigt strømforsynende.

Det at høste energi fra omgivelserne kaldes energihøstning eller Energy Harvesting. Med den teknologiske udvikling inden for materialer og teknologier er det i dag muligt at udnytte et bredt spektrum af energikilder til at forsyne IoT-enheder med strøm.

Brug af lys som strømkilde

Lys er en meget almindelig strømkilde, men lysintensiteten der svarer direkte til mængden af genereret strøm, varierer betydeligt. I direkte sollys rammes et solpanel af omkring 130.000+ lux, afhængigt af hvor på jordkloden man befinder sig, hvilket svarer til 1 kW/m2. I et typisk hjem ligger belysningsniveauet derimod på 30-50 lux og kan være helt ned til 5 lux, hvilket kun giver en effekt på nogle mikrowatt.

Den mængde lysenergi, der omsættes til anvendelig elektrisk energi, afhænger af solcellens effektivitet. Jo bedre kvalitet, solcellen har, desto større er dens effektivitet, men dermed også prisen.  Billige solceller af amorft silicium har typisk en effektivitet på 8-11 %, mens de dyrere krystallinske solceller kan nå op på 23 %. Det skal dog bemærkes, at solceller ikke har samme effektivitet i hele lux-området. Den opgivne effektivitet er typisk målt under optimale forhold. Under indendørs forhold kan en billig, amorf solcelle have en højere effektivitet i forhold til en dyr, monokrystallinsk solcelle.

Det skal også bemærkes, at de forskellige solceller fungerer forskelligt afhængigt af lyskilden. Amorfe siliciumsolceller er for eksempel bedre til at høste den synlige del af lysspektret, mens krystallinske solceller typisk er mere effektive i den røde og nær-infrarøde del af spektret. Det er især vigtigt for designet af systemer til indendørs brug, da solcellens effekt under indendørs belysningsforhold kan ændre sig næsten to gange afhængigt af lyskilden. Eksempelvis kan en indendørs amorf siliciumsolcelle ved 150 lux producere dobbelt så meget strøm under en LED-lyskilde som under en halogenlyskilde.

Energy Harvesting fra bevægelse

I de seneste år er der kommet betydeligt flere energikilder til, og det giver også flere muligheder for at udvinde energien. En af disse kilder er at omdanne kinetisk energi til elektrisk strøm. Det kan ske på mange forskellige måder, bl.a. via følgende metoder:

  1. elektromagnetisk induktion
  2. piezoelektrisk effekt
  3. elektrostatisk og triboelektrisk effekt.

Elektromagnetisk induktion har været den primære metode til at omdanne bevægelsesenergi til elektrisk strøm og udnyttes i store generatorer. I mindre skala bruges metoden typisk i kommercielle energihøstere, der udnytter vibrationsenergi, på grund af deres store udgangseffekt, robuste design og høje driftssikkerhed.

Ulempen ved høstning af elektromagnetisk energi er, at energihøsterne som regel er store og derfor dyre. Elektromagnetiske generatorer kan typisk ikke fremstilles i mindre størrelser, fordi det er svært at nedskalere magneter.

En anden interessant måde at udnytte elektromagnetisk induktion på er i de såkaldte kraftpåvirkningshøstere (impact harvesters). Her er en spole og en vippearm forbundet sådan, at et tryk på armen medfører en pludselig ændring i magnetfeltet, og det genererer strøm. Den genererede mængde strøm er stor nok til at forsyne en simpel sensor og en trådløs transmission af sensordataene.

Foruden elektromagnetisk induktion findes der også andre metoder til at omdanne mekanisk energi til elektrisk energi. Piezoelektriske generatorer udnytter den piezoelektriske effekt, hvor belastningen/trykket omsættes til elektrisk strøm. En af fordelene ved pieozoelektriske generatorer er, at de kan fremstilles mindre og billigere end de elektromagnetiske høstere. Til gengæld producerer de også mindre strøm.

Kommercielle energihøstere, der udnytter den piezoelektriske effekt, er på vej ind på markedet. Men de er stadig forbundet med nogle udfordringer i forhold til driftssikkerhed. Et eksempel på en enhed, der får strøm fra en piezoelektrisk generator, er en fjernbetjening fra Philips, der udnytter tryk på knapperne til at producere nok strøm til at kommunikere med et fjernsyn.

Læs mere her

Mere info

Hvis du ønsker at vide mere om energy harvesting, og hvordan du kan udnytte det i dine produkter, kontakt venligt Morten Wagner, Head of IdemoLab, DELTA – en del af FORCE Technology, e-mail mw@delta.dk, tlf. 72 19 42 88.