Je leest:

Trillingen geven stroom

Trillingen geven stroom

Auteur: | 29 april 2011

Een systeem zo groot als een flinke speldenknop kan sensor nodes een leven lang van stroom voorzien. Het apparaatje van wetenschappers aan de Universiteit van Michigan zet trillingen in de omgeving op een efficiënte manier om in elektriciteit. Handig voor een draadloos sensornetwerk in een fabriek!

‘Energie oogsten’ (energy harvesting); zo wordt het ook wel genoemd als je energie uit de omgeving haalt om je eigen apparaten van stroom te voorzien. Op grote schaal kun je denken aan wind- of watermolens en zonnepanelen, maar op kleine schaal kan het ook. Sterker nog, op kleine schaal is het vooral interessant, omdat je dan voor heel veel apparaatjes geen batterijen meer nodig hebt. En dan wordt ‘draadloos’ – zoals in een draadloos sensornetwerk of Wireless Sensor Network (WSN) – pas écht draadloos.

Onderzoekers aan de Universiteit van Michigan hebben nu op wel héél kleine schaal een energy harvester gemaakt. Hun systeem is slechts 27 kubieke millimeter groot! De energie die het kan oogsten, is trillingsenergie: het kan de trillingen in de omgeving omzetten in elektriciteit.

De harvester is 27 kubieke millimeter, maar deze is onderdeel van een iets groter systeem. Al is dat nog steeds erg klein; zoiets als een suikerklontje.

Meetrillende duikplank

Er zijn verschillende manieren om omgevingsenergie om te zetten naar stroom. Zo kun je gebruiken maken van het thermo-elektrisch effect (koelapparaten), het fotovoltaïsche effect (zonnecel) of elektromagnetische inductie (tekentablet).

Regenmeter

In Delft maakte een student een regenmeter met behulp van het piëzo-elektrisch effect. De druppels vallen dan op de sensor zodat een stroompje aangeeft hoeveel water er naar beneden komt.

En er is het piëzo-elektrisch effect; dat is waar nu de meeste aandacht naar uitgaat, omdat het een efficiënte omzetting is en het gemakkelijk op kleine schaal bereikt kan worden. Ook de wetenschappers in Michigan gebruiken dit effect.

Het piëzo-elektrisch effect houdt in dat een plaatje van speciaal materiaal spanning produceert wanneer het vervormt, bijvoorbeeld bij indrukken. Meestal wordt zo’n plaatje als cantilever toegepast; dan is het een soort duikplank die vastzit aan het object dat gaat trillen. Wanneer het object trilt, gaat de ‘duikplank’ meetrillen en zo wordt er spanning geproduceerd.

De ‘duikplank’ zit vast aan het trillende object (links). Aan het uiteinde zit een gewicht om extra ver door te buigen. Bovenop zit een laag van piëzo-elektrisch materiaal dat spanning genereert bij doorbuiging.
Hajati and Kim, PowerMEMS 2009

Je kunt het meetril-effect versterken door te zorgen voor resonantie. Dat wil zeggen dat de ‘duikplank’ harder meetrilt (en dus meer spanning opwekt) wanneer het object op een bepaalde frequentie trilt. Welke frequenties dat zijn, hangt af van het materiaal en het type duikplank. Sommige systemen werken bijvoorbeeld goed bij hoge frequenties en andere juist bij lage.

Als een batterij

Het bijzondere aan het systeem uit Michigan is dat het bij veel verschillende frequenties werkt. De ‘basisfrequentie’ is 155 Hertz en de ‘bandbreedte’ is 14 Hertz, wat wil zeggen dat het spanning oplevert bij alle trillingen tussen 148 en 162 Hertz. Dat is ongeveer het type trilling dat je voelt als je je hand op een werkende magnetron legt.

Er bestaan batterijen in allerlei soorten en maten. Een oplaadbare batterijen heeft meestal een spanning van 1,2 tot 1,4 volt.

De hoeveelheid spanning hangt niet alleen af van de frequentie, maar ook van de amplitude van de trilling, oftewel: hoe hard zwiept de duikplank naar beneden? Bij een amplitude van 1,5g (1,5 keer zoveel als de valversnelling) levert het systeem al meer dan 200 microwatt (één microwatt is één miljoenste van één watt). Een geïntegreerde schakeling maakt hier 1,85 volt van: vergelijkbaar met de spanning die een oplaadbare batterij levert.

Met deze prestatie is het apparaatje zo’n vijf tot tien keer efficiënter dan andere systemen, terwijl het toch zo klein is. “We zijn erin geslaagd om in een heel kleine ruimte een systeem te maken dat (bij een bepaalde input) meer energie oplevert dan elk ander apparaat op de markt,” vertelt Khalil Najafi, één van de onderzoekers.

In de fabriek

Het systeem is vooral bedoeld voor in fabrieken, waar veel vraag is naar draadloze sensornetwerken. Het netwerk van sensoren houdt alle machines in de gaten en kan op tijd waarschuwen bij storingen. De energievoorziening is echter een belangrijk obstakel voor een groot netwerk.

“Tot 80% van de totale kosten van een draadloos sensornetwerk gaat naar het installeren en onderhouden van de stroomkabels en het continu checken, testen en vervangen van batterijen,” aldus Erkan Aktakka, ook lid van het onderzoeksteam. “Het gebruik van ‘bestaande energie’ zou een goede oplossing zijn.” Hij doelt hiermee op de vele trillingen in de fabriek, die je met de nieuwe harvester kan benutten voor de sensoren.

Bronnen

  • Harb, ‘Energy harvesting: State-of-the-art’, Renewable Energy (2010), doi:10.1016/j.renene.2010.06.014
  • Beeby et al., ‘Energy harvesting vibration sources for microsystems applications’, Measurement Science and Technology, 17 (12), art. no. R01, pp. R175-R195, 2006, doi:10.1088/0957-0233/17/12/R01

Lees meer over batterijen en sensornetwerken op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/sensornetwerk/batterij/index.atom?m=of", “max”=>"7", “detail”=>"minder"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 29 april 2011

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.