Kraftverk i millimeterstørrelse

Det er ikke alltid størrelsen det kommer an på. Det handler om millimetre når mikroteknologer bygger såkalte energihøstere.

Publisert

- Internasjonalt er energihøsting er et veldig hett forskningsfelt innen mikroteknologi, forteller førsteamanuensis ved Høgskolen i Vestfold Einar Halvorsen.

Forskningsmiljøet ved Høgskolen i Vestfold samarbeider med norsk og utenlandsk industri og med forskere fra blant annet Storbritannia, Østerrike og Kina.

Energihøsting nyttig mange steder

I mange anvendelser kan det være uønsket å bruke batterier til å drive sensorer og trådløs elektronikk fordi dårlig tilgjengelighet eller stort antall sensorer gjør det vanskelig, arbeidskrevende og dyrt, eller til og med umulig å skifte eller lade batterier.

Det kan også være tilfelle at bruk av batterier ikke er aktuelt, for eksempel på grunn av høye temperaturer. Da kan det være en løsning å i stedet høste den nødvendige energien fra omgivelsene.

En slik mulig kilde til fornybar energi er vibrasjoner i omgivelsene sensorsystemet er plassert i.

Vibrasjonsenergi

- Prinsippet for å omdanne vibrasjonsenergi til elektrisk energi bygger på en loddmasse, gjerne opphengt i en fjær, inne i en liten pakke, forklarer Halvorsen.

- Bevegelsen av loddmassen i forhold til pakken kan brukes til å drive en liten generator.

- Generatoren kan lages på flere måter. En viktig metode som egner seg godt for mikromaskinering er basert på at loddmassen har en ladning som da beveger seg i forhold til ladninger ellers i pakken.

- En slik energihøster bør være liten, under en kvadratcentimeter i areal og mindre enn et par millimeter i tykkelse, poengterer Halvorsen videre.

- Det sier seg selv at energimengdene fra disse kraftverkene er veldig små – det er derfor viktig at det skjer en parallell utvikling, nemlig at de elektroniske innretningene som skal drives krever mindre og mindre energi. Dette skjer i dag.

Jo mindre, desto mindre

Størrelsen er hele tiden en avveining mellom pris og ytelse: Jo mindre høsteren er, jo billigere er den å lage, men desto mindre energi vil den kunne levere.

Videre kan liten størrelse være et poeng i seg selv i mange anvendelser.

Ved Høgskolen i Vestfold er det stor forskningsaktivitet på området. En masterstudent har utviklet en energihøster som er cirka 56 kvadratmillimeter i areal og under en millimeter tykk.

Vi høster vibrasjoner

Einar Halvorsen.
Einar Halvorsen.

- I våre prosjekter ser vi i første rekke på anvendelser i biler, skip, prosessindustri – mekaniske situasjoner med rikelig med vibrasjoner, fortsetter Halvorsen.

- Konkrete anvendelser vi ser for oss at vi kommer til å arbeide mot, er sensorer for bildekk og for tilstandsovervåking i prosessindustrien eller i skipsmotorer.

- Systemet vil da inneholde en sensor som for eksempel i bildekk registrerer dekktrykk eller veigrep. Denne registreringen må så formidles til bilens kontrollpanel av en sender, som altså tar signalet fra sensoren, behandler det og sender det videre, sier Halvorsen.

Når signalet kommer fram, skal det tolkes og gjøres tilgjengelig for føreren. Selve sensoren og dennes elektronikk skal drives av energihøstere, som altså omdanner ristingen i bildekket til elektrisk energi.

- Tilsvarende ser vi for oss at vi kan arbeide med rørsystemer i prosessindustrien. Der er det behov for sensorer som kan avsløre korrosjon eller betingelser for korrosjon slik som fuktighet, temperatur og kjemiske konsentrasjoner.

- Pumper og væske som strømmer gjennom rørene skaper vibrasjoner som våre høstere vil kunne omdanne til elektrisk energi som driver sensorsystemene, sier Halvorsen.

Viktig å utnytte flere frekvenser

Tradisjonelle energihøstere har ofte den svakhet at de bare høster energien på en frekvens.

Energihøsterne som nå utvikles i Vestfold skal virke i miljøer der det er vibrasjoner på mange frekvenser samtidig, noe som gjør at vi må ta fram en helt ny teknologi for å kunne høste mer bredspektret enn vi har kunnet tidligere.

Dette vil være fokus for prosjektet Device concepts for micro energy harvesting som starter opp ved Høgskolen i Vestfold i år og er finansiert av Norges forskningsråd.