Vibrationer forsyner fremtidens IoT-enheder med energi

Af Johan Pedersen

Løsninger der møder kravene til batterilevetid igennem energy harvesting

Flere løsninger imødekommer batteriernes begrænsede energimængde ved i stedet at høste energi fra omgivelserne, bedst kendt som energy harvesting.

Energy harvesting er beslægtet til vedvarende energi men forveksles nogle gange hermed. Energy harvesting handler om at høste energi fra elektronikkens umiddelbare omgivelser og forlænge dets levetid og ultimativt lave produkter der er selvforsynende med energi.

Gode danske eksempler herpå er cykellygten ReeLight, der benytter en elektromagnetisk generator og p-skiven Park Solar, der benytter solceller.

Nye strømkilder igennem kinetisk energi

Energi i omgivelserne findes i mange former såsom lys, varme, radiobølger, magnetfelter og bevægelser. Et af de næste områder til at få øget opmærksomhed er energy harvesting fra bevægelser og vibrationer også kendt som kinetisk energy harvesting – et område der er forsket igennem flere år, mens den kommercielle udnyttelse hidtil har holdt sig til få applikationer. Dette vil ændre sig den kommende tid, med produktionsmodne energy harvesting teknologier og optimeret low power effektelektronik.

Når man arbejder med kinetisk energy harvesting, høst af energi fra bevægelser, kan man opdele bevægelser i 2 grupper – vibrationer og impulser. Vibrationer findes overalt omkring os, når ting sættes i bevægelse, og der opstår resonanser. Disse svingninger kan drive en mekanisk generator, hvis frekvensen passer til resonansfrekvensen for energy harvesting generatoren.

Impulser findes overalt omkring os, fx når der udføres en simpel bevægelse – en dør lukkes eller en knap trykkes. Disse bevægelser kan sætte omkringværende materialer i svingning, eller de kan få et bi-stabilt materiale til at skifte position.

Læs også: Kom i gang med IIoT & Industri 4.0

Høstning af kinetisk energi

Når man skal høste energi fra vibrationer, designer man sin energy harvesting enhed til at matche den frekvens, som omgivelserne vibrerer ved. Det kan fx være vibrationer i en brokonstruktion, som svinger ved 1-2 Hz, når der er trafik, eller en industriel maskine / motor der svinger ved 60Hz. Se eksempler på forskellige typer af vibrationer i fig. 1.

Noget af den kinetiske energi kan konverteres til elektrisk energi, med forskellige typer af energigeneratorer. Dette kan være en elektromagnetisk generator, der omsætter svingninger til fluktuerende magnetfelt, som gennem spoler omsættes til elektrisk energi.

Læs også: IoT-sensorer får energi høstet fra omgivelserne

Det kan være piezoelektrisk materiale, et keramisk materiale som består af piezokrystaller, som har den egenskab at når materialets fysiske form ændres/påvirkes, så omsættes noget af den mekaniske energi til elektrisk energi grundet den piezoelektriske effekt. Yderligere kan elektrostatiske generatorer benyttes til at høste vibrationsenergi ved at ændre den fysiske afstand mellem generatorens i forvejen positivt og negativt ladede sider og dermed ændre spændingspotentialet.

Grunden til at man ser mange flere løsninger med solceller end kinetiske generatorer idag er kompleksiteten, særligt koblingen mellem generator og mekanisk bevægelse og ligeledes kobling mellem elektronik og generator. Som det ses på figur 1 hvor 3 eksempler fra vibrerende miljøer er vist, er både accelerationsniveau og frekvens svingende og forskellige, hvilket kræver forskelligt designede generatorer.

Snæver båndbredde af kinetisk energi begrænser forskelligartet anvendelse

Båndbredden på en kinetisk energy harvesting generator er ofte få Hz, hvilket kræver et vibrerende miljø med fast frekvens. For at opnå generatorer der kan dække forskellige miljøer, findes der flere metoder til at designe sin generator med bredere båndbredde, enten ved at ofre effektiviteten og sænke systemets Q-faktor, eller ved at indføre et magnetfelt der påvirker generatorens bevægelser. Man kan også designe mekanikken så der opnås et bi-stabilt system, der kan skifte mellem to stadier.

Løbende tilpasning til varierende bevægelser

I stedet for at designe efter en stor båndbredde kan man i stedet tune generatoren løbende til den specifikke vibrationsfrekvens og dermed sikre høj effektivitet. Dette kan gøres mekanisk ved at systemets inerti gør systemet i stand til at ændre resonansfrekvens eller elektronisk ved at ændre på belastningen. Ulempen ved mekaniske tuning er den øgede størrelse og kompleksitet, og ulempen ved elektronisk tuning er det øgede energiforbrug i effektelektronikkens styrekredsløb. En kombination af mekanisk og elektronisk tuning findes i form af et variabelt magnetfelt omkring generatoren.

Effektelektronik muliggør energy harvesting i nye applikationer

Når man høster energi fra bevægelser, er det kritisk at have effektelektronik der kan behandle de varierende energimængder, som genereres. Oftest som AC-signaler, der skal ensrettes og ved piezoelektriske generatorer er der ofte høje spændinger, men meget lave strømme, og ved elektromagnetisk generatorer er det omvendt med lave spændinger og høje strømme. Der findes mange topologier hertil, som enten kan implementeres i analoge komponenter eller digitalt i en microcontroller. FORCE Technology er desuden ved at udforske potentialet i ASICs til piezoelektriske generatorer for at sikre høj effektivitet og lav komponentpris.

Med udbredelsen af IoT systemer og små distribuerede sensornoder i hver en afkrog, øges behovet for selvforsynende løsninger samtidig med at mulighederne øges, når elektronikkens energiforbrug falder, og særligt trådløs kommunikation kræver mindre og mindre energi (nanowatt-mikrowatt). Nogle af de næste selvforsynende applikationer, der vil se dagens lys, er især tilstandsmonitorering af bygninger, transportmidler og industrielle maskiner og anlæg. Her kan små enheder overvåge vibrationer, fugtighedsniveauer, temperaturer mm. og sende data trådløst helt uden at skulle serviceres, men blot ved at høste energi fra bevægelser.

FORCE Technology rådgiver til dagligt virksomheder i at implementere nye teknologier, der gør deres produkter selvforsynende. Dette sker gennem analyse af energi som er til stede i omgivelserne koblet med de tekniske muligheder, udvikling og test af prototyper, samt mikroelektronik til styring af energien fra energy harvesting generator til energilager og applikation.

Læs mere om IoT og digital teknologi.