IoT-sensorer får energi høstet fra omgivelserne

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 produktet 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 til IoT apparater

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.

Læs også: Batteriløs elektronik

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. Nedenstående figur 1 viser flere oplysninger om lysforholdenes indflydelse på solcellers udgangseffekt.

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.

Læs også: ASIC power management til selvforsynende IoT-sensorer

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. Den genererede strøm som funktion af acceleration for flere forskellige kommercielle høstere fremgår af figur 2 nedenfor. Blandt producenterne af vibrationsgeneratorer kan nævnes: Perpetuum, Kinergizer og ReVibe.

Andre former for energy harvesting

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.

Firmaet EnerBee har udviklet en rotationshøster, der benytter en kombination af magneter og piezoelektricitet i en generator, der omdanner en roterende bevægelse til elektrisk strøm. Det interessante ved denne høster er, at den fungerer i trin og producerer en fast mængde strøm per trin under rotation, hvilket gør, at den producerer strøm selv ved meget lave omdrejninger. Enheden producerer 0,5 mJ pr.  hel omdrejning.

Læs også: Vibrationer forsyner fremtidens IoT-enheder med energi

Nye typer af energy harvesting – triboelektrisk høstning

En ny metode til høstning af kinetisk energi, der har fået stor opmærksomhed på det seneste, er triboelektrisk høstning. 

Den triboelektriske effekt er en type elektrificering, der opstår ved fysisk kontakt, når bestemte materialer bliver elektrisk ladede ved friktionskontakt med et andet materiale, f.eks. ved at gnubbe pels mod glas eller trække en plastikkam gennem håret. 

Den klare fordel ved denne type energihøstere er den lave pris, store holdbarhed og fleksibilitet og mulighed for at opskalere fra nogle få cm2 til tusinder af pr. m2. Disse generatorer kan efter sigende nå helt op på 300 W/m2 og en effekttæthed på 400 kW/m3.

Der findes endnu ikke nogen kommercielle triboelektriske høstere, men der er stor interesse for dem, da de kan bruges i engangselektronik, som strømforsyning til intelligente tekstiler, til strømproducerende gulve, i bølgeenergianlæg osv.

Temperaturforskelle giver elektrisk energi

Når der hverken er lys eller bevægelse til rådighed kan man i stedet anvende en temperaturgradient som strømkilde. Den termoelektriske effekt sker, når en temperaturforskel over en samling af to forskellige materialer danner en spændingsforskel og dermed skaber en elektrisk strøm.

Det skal bemærkes, at denne type energihøst er meget ineffektiv, typisk 2-5 %. Selvom en termoelektrisk generator er ineffektiv, kan den dog producere nok strøm til et IoT-system ved selv små temperaturforskelle på et par grader, som de der findes mellem den omgivende luft, varme rør, menneskekroppen, maskiner osv. Ved større temperaturforskelle kan en termoelektrisk generator producere flere hundrede watt.

Denne type generator kan bl.a. anvendes til at producere strøm ved indvinding af spildvarme fra forbrændingsmotorer, udstødningsrør, industrielle metalsmeltningsprocesser og metalbearbejdning. Den typiske udgangseffekt for disse generatorer afhænger af temperaturgradienten og fremgår af figur 3.

De største udfordringer ved udnyttelse af termisk energi er at fastholde temperaturforskellen over den termoelektriske generator, hvilket typisk kræver store varmeafledere, som gør, at produktet fylder meget. Det er en af de største udfordringer ved at bruge denne type generator til at forsyne små apparater, selvom der findes varmedrevne ure og en varmedrevet lommelygte på markedet.

En anden udfordring ved at bruge disse generatorer er den lave udgangseffekt ved små temperaturforskelle. Ved et par grader over generatoren ligger produktionen typisk på et tocifret antal mV. En så lille spænding kræver helt specielle kredsløb, der kan opskalere spændingen til et brugbart niveau.

Udnyttelse af omgivende radioenergi

Det har vist sig, at det er muligt at høste energi fra radiobølger fra WiFi og mobilnetværk i omgivelserne. Energimængden er dog ret begrænset, og afhænger i høj grad af nærmiljøet og kræver typisk store antenneoverflader, der nok ikke er praktiske for de fleste anvendelsesformål. 

Denne type høstning giver dog typisk meget små mængder strøm. Det kan tage mere end 10 år at genere den samme strøm, som et lille knapcellebatteri kan yde. Derfor kan høstning af energi fra radiobølger kun bruges til ret specielle formål, hvor størrelsen ikke er et problem, og den forventede levetid er længere end 15 til 20 år.

Trådløs overførsel af strøm, som ved RFID, er ikke medtaget her, da den ikke er baseret på omgivende energi. Disse systemer har en aktiv sender, der forsyner sensorerne med strøm.

Strømstyring er en udfordring

Brug af energihøstende generatorer er forbundet med en række udfordringer, der gør, at de ikke uden videre kan fungere som erstatning for batteriet. Generatorens udgangskarakteristika varierer betydeligt afhængigt af, hvilken type generator der anvendes, og derfor kræver det forskellige typer af konditioneringskredsløb. Som det er tilfældet med alle typer generatorer kan den maksimale effekt udnyttes, når belastningen passer til generatoren. Konditioneringskredsløbet skal være beregnet til at fungere ved det maksimale effektpunkt samt følge dette punkt, når det ændrer sig som følge af en ændring i mængden af den omgivende energi, der er til rådighed.

Desuden kan energihøstende generatorer typisk ikke yde nok effekt til at dække en IoT-applikations aktive strømforbrug. Derfor skal strømmen først være akkumuleret, før applikationsopgaven kan udføres. Konditioneringskredsløbet skal kunne udføre strømstyringsopgaver og lede strømmen den rigtige vej, afhængigt af IoT-applikationens behov og generatorens strømproduktion. Der findes særlige strømstyringskredsløb til Energy Harvesting, som kan klare disse funktioner, bl.a. fra Texas Instruments, Linear Technology og STmicroelectronics.

Strømstyringen er kun en brik i det store puslespil. Selve applikationen skal også være udformet sådan, at den giver mulighed for strømstyring afhængigt af den mængde energi, der er til rådighed. I forhold til batteriløsningen, hvor energien altid er til rådighed, bør opgaveudførelsen i et typisk Energy Harvesting-system tage højde for, at systemet har et energibudget.

Alt i alt er det betydeligt mere komplekst at implementere Energy Harvesting-systemer end batteridrevne systemer, men omvendt kan fordelene ved at undgå brug af batterier og mindre eller slet ingen vedligeholdelse opveje omkostningerne til design og implementering. Energy Harvesting har et stort potentiale og giver mulighed for IoT-systemer med en lang levetid uden behov for vedligeholdelse eller eftersyn.

Læs mere om IoT og digital teknologi.