Katsaus termiseen ja pietsosähköiseen energian louhintaan 2016
Kauppi, Janne (2017)
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201706127114
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201706127114
Tiivistelmä
Energian louhinta eli ympäristön energianlähteiden hyödyntäminen laitteiden käyttöenergiana on mahdollinen korvaaja paristoille ja akuille tai pitkille kaapeleille. Energian louhinta on erityisen kiinnostava aihe langattomille antureille, joiden määrä kasvaa koko ajan muun muassa esineiden internetin yleistyessä. Energian louhinta tarjoaa antureille huoltovapaan energiatuotannon jopa kymmenien vuosien ajaksi. Energian louhinta on myös suurimmaksi osaksi ekologinen vaihtoehto, sillä se perustuu pitkälti uusiutuviin energiamuotoihin ja mahdollistaa esimerkiksi teollisuusprosessien hukkalämmön hyödyntämisen. Tässä työssä tutkittiin kirjallisuustutkielman avulla vuonna 2016 saatavilla olleiden kaupallisten lämpösähköisten ja pietsosähköisten generaattoreiden toimintaperiaatteita ja tekniikan tasoa.
Energian louhinta lämpösähköisillä generaattoreilla perustuu tavallisesti lämpötilaeroon generaattorin päiden välillä. Generaattorin hyötysuhde määräytyy suurimmaksi osaksi sen materiaalien ominaisuuksien mukaan, joten tärkein kehityskohde on uusien ja parempien materiaalien löytäminen. Nykyisten kaupallisten ratkaisujen hyötysuhteet ovat parhaimmillaan noin 8 % ja optimaalisissa tilanteissa on mahdollista tuottaa jopa kymmenien wattien teho.
Pietsosähköisillä generaattoreilla voidaan louhia energiaa liikkeestä, tavallisesti värähtelystä. Toiminta riippuu useista tekijöistä, joista tärkeimmät ovat louhittavan värähtelyn taajuus ja amplitudi sekä generaattorin ominaisvärähtelytaajuus. Käyttökohteeseensa optimoitu pietsosähköinen generaattori voi tuottaa tehoa mikrowateista milliwatteihin.
Energian louhinta on pienitehoisille laitteille, kuten langattomille antureille, toimiva ratkaisu käyttöenergian tuottamiselle ja se tarjoaa useita etuja perinteisiin käyttöenergianlähteisiin verrattuna. Energian louhinnan suunnittelu on kuitenkin haastavampaa kuin akkujen tai verkkovirran käyttö ja sen toteutus on usein myös kalliimpi. Se on silti loistava ratkaisu käyttökohteissa, joissa energianlähde on luotettavasti saatavilla ympäristöstä ja laitteen huoltaminen, joka aiheutuisi esimerkiksi paristojen vaihdosta, olisi kallista tai mahdotonta. Energy harvesting means capturing the ambient energy to power small devices and it is an alternative to batteries and long power cables. Energy harvesting is an extremely interesting technology for wireless sensors for which there is a growing demand caused by the Internet of Things. Energy harvesting offers the sensors a maintenance free power source with a lifetime of tens of years. It is also highly ecological technology for it is mostly based on renewing energy forms and can be used to utilize for example the waste heat created in industrial processes. In this Thesis the operating principles as well as the state-of-the-art of commercial thermoelectric harvesters and piezoelectric harvesters available in 2016 were reviewed by literature research.
Energy harvesting with thermoelectric harvesters is usually based on a thermal difference between both ends of the generator. The efficiency of the generator is largely based on its materials and their capabilities, making the research of better materials the most important development aspect. The efficiency of the currently available thermoelectric harvesters is 8 % at best and they can produce tens of watts of power in optimal conditions.
Piezoelectric harvesters are used for harvesting mechanical energy, usually from vibrations. The operation depends on several factors, mainly the frequency and the amplitude of the harvested vibration as well as the natural vibrating frequency of the harvester. In optimized conditions piezoelectric harvesters can produce power in the range of microwatts to milliwatts.
Energy harvesting is a noteworthy power source for low-power devices such as wireless sensors. Designing an energy harvesting system requires considerably more resources than batteries or power cables would and the implementation is often more expensive. It does however provide several advantages over the traditional power sources and it is an excellent option in situations where a reliable ambient energy source is available and the maintenance of the device, caused by changing the batteries for example, would be expensive or impossible.
Energian louhinta lämpösähköisillä generaattoreilla perustuu tavallisesti lämpötilaeroon generaattorin päiden välillä. Generaattorin hyötysuhde määräytyy suurimmaksi osaksi sen materiaalien ominaisuuksien mukaan, joten tärkein kehityskohde on uusien ja parempien materiaalien löytäminen. Nykyisten kaupallisten ratkaisujen hyötysuhteet ovat parhaimmillaan noin 8 % ja optimaalisissa tilanteissa on mahdollista tuottaa jopa kymmenien wattien teho.
Pietsosähköisillä generaattoreilla voidaan louhia energiaa liikkeestä, tavallisesti värähtelystä. Toiminta riippuu useista tekijöistä, joista tärkeimmät ovat louhittavan värähtelyn taajuus ja amplitudi sekä generaattorin ominaisvärähtelytaajuus. Käyttökohteeseensa optimoitu pietsosähköinen generaattori voi tuottaa tehoa mikrowateista milliwatteihin.
Energian louhinta on pienitehoisille laitteille, kuten langattomille antureille, toimiva ratkaisu käyttöenergian tuottamiselle ja se tarjoaa useita etuja perinteisiin käyttöenergianlähteisiin verrattuna. Energian louhinnan suunnittelu on kuitenkin haastavampaa kuin akkujen tai verkkovirran käyttö ja sen toteutus on usein myös kalliimpi. Se on silti loistava ratkaisu käyttökohteissa, joissa energianlähde on luotettavasti saatavilla ympäristöstä ja laitteen huoltaminen, joka aiheutuisi esimerkiksi paristojen vaihdosta, olisi kallista tai mahdotonta.
Energy harvesting with thermoelectric harvesters is usually based on a thermal difference between both ends of the generator. The efficiency of the generator is largely based on its materials and their capabilities, making the research of better materials the most important development aspect. The efficiency of the currently available thermoelectric harvesters is 8 % at best and they can produce tens of watts of power in optimal conditions.
Piezoelectric harvesters are used for harvesting mechanical energy, usually from vibrations. The operation depends on several factors, mainly the frequency and the amplitude of the harvested vibration as well as the natural vibrating frequency of the harvester. In optimized conditions piezoelectric harvesters can produce power in the range of microwatts to milliwatts.
Energy harvesting is a noteworthy power source for low-power devices such as wireless sensors. Designing an energy harvesting system requires considerably more resources than batteries or power cables would and the implementation is often more expensive. It does however provide several advantages over the traditional power sources and it is an excellent option in situations where a reliable ambient energy source is available and the maintenance of the device, caused by changing the batteries for example, would be expensive or impossible.