Fagligt talt: Energihøstning fra vibrationer ved hjælp af elektromagnetisme
Som en del af den digitale udvikling forbindes stadig flere enheder til internettet. Særligt små enheder opkobles i et kraftigt stigende antal, som en del af teknologien kaldet Internet-of-Things (IoT). Et eksempel på IoT er et netværk af sensorer, der kan give et hurtigt og præcist overblik over et bestemt miljø eller en industriel proces. Et artikelformat i Ingeniøren og Teknologiens Mediehus' øvrige medier, hvor forskere og specialiserede fagfolk – nøgternt – formidler og forklarer en specifikt teknisk eller naturvidenskabelig problemstilling samt ny viden om tilhørende løsninger. Formålet er at give vores læsere mere viden om forskning og udvikling inden for deep tech eller deep science ved siden af den journalistiske behandling af tekniske problematikker. Faglig talt kan indeholde faglige vurderinger, men er fri af partipolitiske synspunkter. Se andre artikler i kategorien her.FAGLIGT TALT
Anvendelsesmulighederne for IoT-enheder og sensorer er uendelige, men af mere konkrete anvendelser kan nævnes f.eks. sensorer til måling vind og vejr, sensorer på broer til måling af vej- og vejrforhold, sensorer til industrielle processor eller sensorer på dyr til positions- og helbredsmonitorering.
Den ideelle sensor i alle disse sammenhænge har et lavt effektforbrug, er holdbar og usynlig. Den gængse måde at levere strøm til disse sensorer på er ved hjælp af batterier. Desværre har batterier begrænset kapacitet og skal derfor på et eller andet tidspunkt udskiftes.
Dette er problematisk både for sensorer placeret på svært tilgængelige steder, men også på grund af antallet af enheder – i 2025 forventes omkring 27 milliarder IoT-enheder. Endelig er der miljømæssige konsekvenser ved produktionen af de mest almindelige batterityper af henholdsvis bly og litium. Hvis vi kunne finde en alternativ måde at levere strøm til alle disse IoT-enheder på, ville det være et enormt løft i den grønne omstilling.
Som alternativ til batterier kan man høste energi direkte fra omgivelserne og på den måde levere strøm til sensorerne. Princippet anvendes allerede eksempelvis til sensorer og kameraer langs motorvejen, der måler trafiksituationen. Disse får strøm fra solceller og en lille vindmølle, som sidder sammen med måleenheden, så der ikke skal trækkes strømkabler.
Ud over vind- og solenergi, som er klassiske måder at høste energi fra omgivelserne, findes der også måder at høste termisk energi (varme) og vibrationsenergi på. Sidstnævnte er en attraktiv energikilde, da vibrationer kan høstes i alle slags omgivelser, både inde og ude, nat og dag.
Alting vibrerer, fra industriudstyr og andre typer maskiner over bevægelse af mennesker og dyr til naturlige vibrationer forsaget af vinden på eksempelvis broer etc. Et eksempel på en anvendelse, hvor bevægelsen af et får genererer energi gennem en enhed i et halsbånd er vist øverst i denne kronik.
Den nuværende teknologi til høstning af energi fra vibrationer er baseret primært på en særlig type materialer, såkaldt piezo-elektriske materialer, som producerer en spænding, når de bøjes. Disse indeholder imidlertid ofte bly, deres effektivitet er lav, og de har en begrænset levetid. Derfor har vi på Danmarks Tekniske Universitet, Institut for Energikonvertering og -lagring (DTU Energi) i de sidste fire år forsket i en ny type enhed, som kan høste energi fra vibrationer ved hjælp af elektromagnetisme. Princippet i enheden er, at en permanent magnet ved hjælp af vibrationerne fra omgivelserne bevæger sig i forhold til en spole. Dette inducerer en strøm i spolen jf. Faradays lov, og denne strøm kan så bruges til at forsyne små sensorer etc.
Denne type af energihøster har været kendt i den videnskabelige litteratur i mere end ti år, men dens effektivitet har været lav, fordi den kun producerer en tilstrækkelig effekt til at forsyne sensorer med i et meget snævert frekvensinterval. Sagt på en anden måde, så skal energihøsteren bygges, så den passer perfekt til vibrationerne af de omgivelser, den skal sidde på.
På DTU Energi har vi derfor forsket i at lave en elektromagnetisk energihøster, der virker i et større frekvensområde, takket være et projekt finansieret af Danmarks Frie Forskningsfond, projekt 8022-00038B. Målet i projektet var at undersøge, om man ved at gøre det muligt for enheden at vibrere i flere dimensioner kunne øge energihøsterens frekvensområde markant.
Det er nemlig sådan, at elektromagnetiske energihøsters tidligere har været begrænset til at vibrere i én dimension (1D). En typisk elektromagnetiske energihøster kan ses i figur 2. I denne enhed holdes en permanent magnet svævende mellem to andre fikserede, permanente magneter. Dette kan lade sig gøre, fordi den svævende magnet er begrænset af et ydre rør, så den ikke kan vende rundt, og dermed blive tiltrukket af de andre magneter.
Når systemet vibreres, bevæger den svævende magnet sig i forhold til spolerne, og en strøm genereres. Disse enheder er typisk mellem 5-15 cm lange og 1-2 cm i diameter og en vægt på mellem 10-100 g. De kan producere en typisk effekt på omkring 1 mW ved lavfrekvente (10 Hz) vibrationer med en amplitude på et par mm.
Efter at have fastslået ydeevnen og opførslen af disse velkendte energihøstere har vi undersøgt, hvad der sker, hvis man lavet et nyt design, hvor bevægelsen og dermed vibrationerne, der kan høstes, kan være i to dimensioner (2D). En sådan enhed er også vist i den tilstødende figur og består af magneter, spoler og en plast-holder. Den er af samme størrelsesorden som 1D energihøsteren, altså med en diameter på omkring 5-15 cm og med en vægt mellem 50-350 g, hvoraf langt størstedelen af dette er massen af magneterne.
Vi har produceret tre nye prototyper på 2D energihøstere, som alle minder om det design vist i sammenligningsfiguren, men med lidt forskellige typer magneter og form, og testet disse eksperimentelt. Den bedste af prototyperne kan producere omkring 40 mW, igen ved lave frekvenser og amplituder på et par mm, men over et bredere frekvensspektrum.
En sammenligning af den producerede effekt pr. vægt af energihøsteren for både de velkendte 1D-energihøstere og de nye 2D-energihøstere kan ses i søjlediagrammet i denne artikel.
Som det kan ses, producerer de nye 2D-energihøstere en større effekt. Det skal dog understreges, at fokus har været på at forstå fysikken af disse todimensionelle energihøstere, og ikke på at optimere deres ydeevne. Derfor forventer vi klart at med det rigtige valg af spoler og magneter kan en større effekt opnås.
Dermed er der klart potentiale for, at disse nye energihøstere i fremtiden kan integreres i sensorenheder og andre lignende teknologier.
Selvom vi nu har designet og bygget et antal unikke prototyper, er videre forskning nødvendig for at komme i mål med at realisere en teknologi, der kan anvendes til at levere strøm til sensorer verden over. Særligt er der brug for forskning i, hvordan vi gør vores energihøstere mindre, så de passer til de sensorer, de skal understøttes.
Derudover er der stadig brug for at forstå de ikke-lineære effekter i energihøsterne og præcis, hvordan deres frekvensområde tunes ind, så energihøsterne altid leverer den maksimale effekt.
