Energian harvestointi langattomaan sensoriverkkoon

Abstract

Langaton sensoriverkko koostuu vähän tehoa kuluttavista sensoreista, jotka mittaavat ympäristön tilaa ja lähettävät mittaustiedon langattomasti eteenpäin loppukäyttäjälle. Sensorit saavat käyttö-energiansa yleensä paristoista ja akuista, joilla on tietty käyttöikä ja jonka jälkeen ne joudutaan vaihtamaan uusiin. Vaihtotoimenpiteestä aiheutuu kustannuksia huoltokäyntien vuoksi ja verkon suorituskyky laskee kyseisen sensorin ollessa poissa toiminnasta uusien paristojen sekä akkujen vaihtoon asti. Myös ympäristövahingot ovat mahdollisia niiden sisältämien haitallisten aineiden joutuessa luontoon. Jos sensorin tarvitsema energia voitaisiin kerätä ympäristöstä ja varastoida talteen myöhempää käyttöä varten, toimintaan ei tulisi katkoksia ja edellä mainituilta ongelmilta vältyttäisiin. Näistä lähtökohdista haluttiin tehdä tutkimus hyödynnettäväksi tulevissa projekteissa. Opinnäytetyön toimeksiantaja on Oulun ammattikorkeakoulu. Tavoitteena oli tutkia, miten lämpösähköä voitaisiin kerätä ympäristöstä ja käyttää tuottamaan energiaa langattomien sensoriverkkojen käyttöön. Lämpösähköstä tuli selvittää teoriaperusta sekä käytännön suunnittelussa tarvittavat tiedot. Työssä oli tarkoitus rakentaa laitteisto, jolla voidaan tuottaa lämmöstä sähköä laboratorioympäristössä ja suorittaa tarvittavat mittaukset. Saatuja tuloksia voidaan sen jälkeen verrata teoriaperustaan. Lisäksi tuli selvittää, kuinka ympäristöstä kerätty energia voidaan varastoida talteen myöhempää käyttöä varten. Lämpösähkön tuottaminen käytiin läpi teoriassa ja esitettiin tarvittavat tiedot käytännön laitteiston suunnittelemiseksi. Testausta varten toteutettiin lämpösähkön harvestointilaitteisto, joka koostui lämpösähkögeneraattorista sekä energian harvestointi- ja hallintapiirin sisältävästä piirilevystä oheiskomponentteineen. Energianvarastoksi valittiin superkondensaattori. Lämmön lähteeksi rakennettiin jännitelähteellä säädettävä laitteisto, joka kuumentaa tehovastuksia tuottaen tarvittavan kuuman pinnan lämpösähkön tuottamista varten. Laitteistolla suoritettiin tarvittavat mittaukset, joiden tuloksia verrattiin teoriatietoihin. Työssä toteutettu lämpösähkögeneraattori ja piirilevy toimivat suunnitelman mukaisesti. Laitteisto kehittää langattoman sensorin tarvitsemat jännitteet erittäin pienistä tulojännitteistä. Energia voidaan varastoida energianhallintalaitteistoon kytkettävään superkondensaattoriin tilanteisiin, jolloin ympäristöstä kerättävää energiaa ei ole tarjolla. Rakennettua laitteistoa voidaan käyttää opetuksessa havainnollistamaan, kuinka lämpösähköä käytännössä tuotetaan. Koska lämpösähkö-generaattorin tuottama jännite kehitetään laitteessa olevien tehovastusten lämmöstä jännitettä säätämällä, soveltuu se erinomaisesti laboratorioympäristöön.