Integrated micro power for condition-monitoring in energy production facilities

Norge har et betydelig potensial for utnyttelse av off-shore vindkraft. En hovedutfordring på både kort og mellomlang sikt har blitt identifisert som det å gjøre teknologien mer robust og å vesentlig redusere kostnadene. En betydelig andel av levetidskostnaden til et off-shore anlegg er drift og vedlikehold. Det foreligger et potensial til å redusere disse kostnadene vesentlig ved bruk av tilstandsovervåking som muliggjør en overgang fra periodisk vedlikehold til vedlikehold etter behov. Dette krever utplassering av et stort antall trådløse sensorer på turbinbladene og i girkassen til generatorene. Sensorene trenger strøm, men batterier er problematiske på grunn av størrelse og temperaturforhold. Det er derfor behov for å undersøke alternative energikilder for slike sensorer. Dette prosjektet består av grunnleggende forskning innen mikrosystemteknologi, spesielt mikroskala energihøsting og energilagring. Det fokuserer på utforskning av mikro- og nanoteknologiløsninger som muliggjør høyt miniatyriserte sensornoder som er selvforsynt med strøm og tilpasset for bruk i tilstandsovervåking av energianlegg slik som off-shore vindmølleparker. Dette søkes oppnådd ved å 1) undersøke nye måter å konstruere mikrogeneratorer med høy ytelse som også kan fungere som en plattform for å integrere hele systemet på en chip og 2) utvikle teknologi for energilagring som egner seg for integrasjon i generator-brikken. I den første fasen av prosjektet ble det arbeidet med etablering av prosesser for fabrikasjon av elektreter som er isolerende materialer som har ladning "fanget'' inne i seg, utprøving av nanostrukturerte superkondsatorløsninger for energilagring og etablering av matematiske modeller for mikrogeneratorer. Dette ble brukt som grunnlag for fase 2. I denne fasen er komponenter designet, modellert og fremstilt. For superkondensatorer har vi benyttet en plasmaprosess for å lage Si-gress med nanopillarer som støttestruktur. Prosesser ble utviklet for katalytisk grafen og karbon-nanorør-vekst på Si-gresset. En metode ble utviklet for å deponere pseudokondensatormaterialer på forskjellige mikro- og nanohybridstrukturer som gir med stor overflateøkning. Spesifikke kapasitanser på 200 mF / cm2 for kondensatorer basert på elektroniske dobbeltlag og 800mF / cm2 for pseudosuperkondensatorer ble oppnådd. Prosjektet har tyve publikasjoner, flere patentsøknader og tiltak for kommersialisering av resultatene.

Norway has a considerable potential for expansion in the area of off-shore wind power generation. The main challenge on both short and intermediately long time-scales has been identified as making the technology more robust and substantially reducing the cost. A major fraction of the life-cycle cost is operation and maintenance. It has the potential to be substantially reduced by use of condition monitoring that allows a transition from periodic maintenance to on-demand replacement or repair. This require s the deployment of a large number of wireless sensor nodes in the turbine blades and gear boxes of the power plants. The sensors need power, but batteries are problematic due to size and operating conditions. This project consists of basic research with in the fields of micro energy harvesting and energy storage. The project will promote scientific innovation and advancement through development of technology for self-powered microsystems bringing this field a significant step forward. It focuses on expl oration and development of micro- and nano-technology solutions that enable highly miniaturized self-powered sensor nodes for use in condition monitoring in energy production facilities such as off-shore wind power plants. The project is a collaboration between Vestfold University College and SINTEF.