IoT-sensorer kan få energi fra omgivelserne

• Af:
  
• John Nyberg

En løsning baseret på at omsætte den energi, der findes i enhedens nærmiljø, til elektrisk energi, giver mulighed for at gøre IoT-enheden vedligeholdsfri 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.

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 mellem 30 og 50 lux og kan være helt ned til 5 lux, hvilket kun giver en effekt på nogle mikrowatt. 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.

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.

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, eksempelvis 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 kvadratcentimeter til tusinder af kvadratmeter.

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, fremhæver Morten Wagner, Head of IdemoLab, DELTA, der er en del af FORCE Technology i en aktuel artikel.