Jussi Keskikuru 

Energian kerääminen kapasitiivisesti keski- ja 
suurjännitelinjasta 

 

 

 

 

 

 

 
  

Vaasa 2025 

Tekniikan ja innovaatiojohtamisen 
akateeminen yksikkö 

Automaatio ja tietotekniikka 
Diplomityö  



2 

 

VAASAN YLIOPISTO 
Tekniikan ja innovaatiojohtamisen akateeminen yksikkö 

Tekijä: Jussi Keskikuru 
Tutkielman nimi: Energian kerääminen kapasitiivisesti keski- ja suurjännitelinjasta 
Tutkinto: Diplomi-insinööri 
Oppiaine: Automaatio ja tietotekniikka 
Työn ohjaaja: 
Työn valvoja: 

Pekka Ruuskanen 
Timo Mantere 

Valmistumisvuosi: 2025 Sivumäärä: 77 

TIIVISTELMÄ: 
IoT-laitteilla voidaan mitata monia asioita lämpötilasta ilmanpaineeseen. Yleisin energianlähde 
näille laitteille on paristo. Mutta kun paristo tyhjenee, se täytyisi vaihtaa ja siitä syntyy kustan-
nuksia muun muassa työnä ja uusina paristoina. Mikäli laitteita on todella paljon, paristojen 
vaihtoa voidaan joutua tekemään jatkuvasti. Yksi ratkaisu tähän ongelmaan on kerätä energia 
laitteelle paikan päältä ilman paristoa. 
 
Tässä työssä on tutkittu energiankeräämistä suurjännitelinjoista IoT-laitteelle. Menetelmänä 
käytetään potentiaalieroa suurjännitelinjan ja maapotentiaalin välillä. Tutkimus tehtiin kahdella 
menetelmällä, jossa energiakeräin oli matalassa potentiaalissa ja korkeassa potentiaalissa. Kor-
keassa potentiaalissa energiakeräin kiinnitetään suoraan voimalinjaan kiinni, jossa sähkökenttä 
on voimakkaimmillaan. Matalassa potentiaalissa keräin on kiinni maapotentiaalissa ja mahdolli-
simman lähellä sähkökenttää. Sähkölinjoja on Suomessa erikokoisia ja tässä on enimmäkseen 
testattu 20 kV ja 110 kV siirtolinjojen sähkökenttiin. Muutamia kokeita tehtiin myös matalassa 
potentiaalissa 400 kV linjan alla. 
 
Kapasitiivisesta energiakeräimestä tehtiin kolme prototyyppiä, joilla suoritettiin mittauksia. En-
simmäisellä testattiin vain ylipäätään mahdollisuus toimia laboratorio-olosuhteissa. Toisella ha-
luttiinkin sitten jo optimoida keräystehoa ja varastoida energiaa. Viimeinen prototyppi yhdisti 
energiakeräimen energianhallinnan kanssa ja tarkoitus oli sähköistää RuuviTag IoT-laite. 
 
Energiakeräin ja energianhallinta pystyivät keräämään tarpeeksi energiaa IoT-laitteelle 20 kV ja 
110 kV jännitteillä laboratorioympäristössä. Keräin laitettiin sekä korkeaan että matalaan poten-
tiaaliin. Maadoitettujen seinien läheisyyden takia 400 kV jännitettä ei kokeiltu mutta simulaati-
oiden ja oletusten perusteella energiankeräysteho voidaan olettaa olevan suuri. 
 
Lopuksi energiakeräimelle tehtiin kenttäkoe yhdessä Vaasan Sähköverkon kanssa Gerbyn säh-
köasemalla. Kapasitiivinen energiakeräin asetettiin maadoitettuun tolppaan noin kahden metrin 
päähän 110 kV jännitejohtimesta. IoT-laitteen lähettämät tiedostot kerättiin Raspberry Pi pie-
noistietokoneella. Koejakson jälkeen todettiin kapasitiivisen energiakeräimen toimivan kentällä. 
Puutteita oli eniten vastaanottimessa mutta niistäkin huolimatta voidaan todeta keräimen toi-
mivan. 
 

AVAINSANAT: energian kerääminen, energia, energialähteet, energianhallinta, energiansiirto 
  



3 

 

Sisällys 

1 Johdanto 9 

2 Sähkömagnetismi 11 

2.1 Sähkökenttä 12 

2.2 Magneettikenttä 13 

2.3 Sähkökenttä korkeajännitelinjan ympäristössä 14 

2.4 Kapasitanssi 17 

2.5 Sähkönsiirto 20 

2.5.1 Vaihtovirta sähkönsiirtoverkossa 20 

2.5.2 Suurjänniteverkko 21 

3 Energian kerääminen suurjännitejohdoista 23 

4 Tehtävän asettelu 32 

4.1 Tiedonsiirto menetelmät 32 

4.2 IoT-laite RuuviTag 33 

4.3 Vastaanotin 36 

5 Kapasitiivinen energiakeräin 37 

5.1 Prototyyppi n. 1 38 

5.1.1 Piirilevyn suunnittelu ja valmistus 39 

5.1.2 Piirilevyn kalustaminen 40 

5.1.3 Laboratoriotestit 42 

5.1.4 Kenttätesti 45 

5.2 Prototyyppi n. 2 45 

5.2.1 Piirilevyn kalustaminen 46 

5.2.2 Energianhallintapiiri 49 

5.2.3 Laboratoriotestit 50 

5.2.4 Kenttätestit 53 

5.3 Kapasitiivinen yhdistelmäenergiakeräin – Energiakeräin ja -hallinta samalla 

piirilevyllä 54 

5.3.1 Piirilevyn suunnittelu 54 



4 

 

5.3.2 Laboratoriotestit 57 

5.3.3 Kenttätesti Vaasan Sähköverkon sähköasemalla 60 

6 Simulointi 62 

6.1 Tietokonesimulointi 62 

6.1.1 Komparaattorin toiminnan mallintaminen 63 

6.1.2 Energiakeräimen ulostulojännite 20 kV siirtolinjassa 66 

6.1.3 Energiakeräimen ulostulojännite 33 kV siirtolinjassa 67 

6.1.4 Energiakeräimen ulostulojännite 100 kV siirtolinjassa 68 

6.1.5 Energiakeräimen ulostulojännite 110 kV siirtolinjassa 69 

6.1.6 Energiakeräimen ulostulojännite 400 kV siirtolinjassa 70 

6.1.7 Yhteenveto simuloinneista 71 

6.2 Kokeelliset tutkimukset 72 

7 Yhteenveto 73 

Lähteet 75 

  



5 

 

Kuvat 
 
Kuva 1. Sähkökenttä ja magneettikenttä samassa kuvassa. Sähkökenttä punaisella ja 

magneettikenttä sinisellä (R. Nave, 2025). 11 

Kuva 2. Pistevarausten muodostamat sähkökentät, kun niihin ei vaikuta muita voimia 

(ScienceFacts.net, 2025). 12 

Kuva 3. Sähkökentän muodostuminen kahden pistevarauksen välille (Ylinen, 2025). 13 

Kuva 4. Johtimen ympärille muodostuva magneettikenttä (Faizan, 2018). 14 

Kuva 5. Eri vaihejohtimien korkeuksilla lasketut sähkökentän voimakkuudet 2 metrin 

korkeudella maasta etäisyyden funktiona 110 kV johtimen keskilinjasta (Puranen, 2017).

 16 

Kuva 6. Eri vaihejohtimien korkeuksilla lasketut sähkökentän voimakkuudet 2 metrin 

korkeudella maasta etäisyyden funktiona 400 kV kaksoisjohdon keskilinjasta (Puranen, 

2017). 17 

Kuva 7. Kahden levyn välillä vaikuttava sähkökenttä. E on sähkökentän voimakkuus, V on 

levyjen välinen jännite ja d on levyjen välinen etäisyys. 18 

Kuva 8. Kapasitanssin muodostuminen kahden levyn välille. a) Kahden 

kondensaattorilevyn asettelu. b) Levyjen välillä vaikuttava sähkökenttä (Young & 

Freedman, 2020). 19 

Kuva 9. Erilaisia kapasitiivisia energiankeräysmenetelmiä. a) suora kontakti. b) matala 

potentiaali. c) korkea potentiaali (Yang ja muut, 2020). 23 

Kuva 10. Morgen ja muiden (2015) kapasitiivisesta energiakeräimestä, joka asetetaan 

kiinni jännitelinjaan. 24 

Kuva 11. Zhao ja muiden (2012) kehittämä korkeajännitelinjaan kiinnitettävä 

energiakeräin. 25 

Kuva 12. Kang ja muiden (2017) toteuttama kapasitiivinen energiakeräin, joka on 

sijoitettu jännitelinjan alle. 26 

Kuva 13. Li ja muiden (2019) kapasitiivisen energiakeräimen koejärjestely. a) Kokeen 

periaatekuva. b) todellinen energiakeräin. 27 

Kuva 14. Kang ja muiden (2017) toteuttaman kapasitiivisen energiakeräimen 

koejärjestelyt. 28 



6 

 

Kuva 15. Gupta ja muiden (2010) toteuttama induktiivinen energiakeräin. a) 

koejärjestelyt. b) kuva todellisesta koejärjestelystä. 29 

Kuva 16. Najafin ja muiden (2018) tekemän induktiivisen energiakeräin. a) periaatekuva 

b) todellinen koejärjestely. 30 

Kuva 17. RuuviTag IoT-laite. Mittaa lämpötilaa, ilmankosteuden ja -paineen sekä liikkeen. 

Normaalisti paristokäyttöinen. Numero viisi on itse tehty tunniste. 34 

Kuva 18. RuuviTagin käyttöjännite on keskimäärin 3,1 V. 35 

Kuva 19. RuuviTagin virrankulutus. Lähetyksen aikana virtapiikki on 3,27 mA. 

Keskimääräinen virrankulutus 6 s aikana on 3,3 µA. 35 

Kuva 20. Raspberry Pi 3 Model B -pienoistietokone. 36 

Kuva 21. Periaatekuva kapasitiivisen energiakeräimen toimintaketjusta. 37 

Kuva 22. Kapasitiivisen energiakeräimen periaatekuva korkeassa potentiaalissa. 38 

Kuva 23. Piirikaavio kapasitiiviselle energiakeräimelle (Vähämäki ja muut, 2003). 39 

Kuva 24. Ensimmäinen kapasitiivinen energiakeräin prototyyppi kalustettuna. a) 

pintaliitoskomponentit. b) läpiladottavat komponentit, mittapisteet ja johdin 

elektrodilta. 40 

Kuva 25. Komparaattorin lähettämä 6,5 V pulssisignaali, joka kestää 13,8 µs. 40 

Kuva 26. Pulssisignaalien väli, joka on 15,99 ms. 41 

Kuva 27. Mittausjärjestely. Kapasitiivinen energiakeräin on kytketty suoraan 

jännitelinjaan Jacobin tikkaiden kautta. Keräin on eristetty yksipuolisen FR4 levyn päälle 

ja on vain kapasitiivisesti yhteydessä maahan. Kytkentä on korkea potentiaalissa. 43 

Kuva 28. Mittaustulokset. a) Ulostuloon kytketyn säätövastuksen yli mitattu jännite. b) 

Jännite sähkölinjassa, johon kapasitiivinen energiakeräin on kiinnitetty. 44 

Kuva 29 Testijärjestely keräimelle. Keräin on johtimen ympärillä, johon syötetään 10 kV. 

Säätövastuksessa on 5 kΩ. Keräimen tuottama jännite saadaan jännitemittarilla, jonka 

lukema on 0,0745V. 45 

Kuva 30 Prototyyppi 2 piirilevy kalustettuna pintaliitoskomponenteilla. 46 

Kuva 31. Komparaattorin ohjaussignaalin kesto ja jännite. 47 

Kuva 32. Komparaattorin ohjaussignaalien esiintymisväli. 48 

Kuva 33. Texas Instrumentin BQ25570EVM koekytkentälevy. 50 



7 

 

Kuva 34. Superkondensaattorin latautuminen korkeassa potentiaalissa 20 kV linjassa 

ajan funktiona. 51 

Kuva 35. Superkondensaattorin latautuminen matalassa potentiaalissa 20 kV linjan alla 

ajan funktiona. 52 

Kuva 36. Kapasitiivinen energiakeräin matalassa potentiaalissa 120 cm 63,5 kV 

jännitelinjan alla. 53 

Kuva 37 Yhdistelmä energiakeräin komponentti puolelta. (Ylhäällä: itse tehty; Vasen: 

komponenteilla; Oikea: kalustamatta) 55 

Kuva 38 Yhdistelmä energiakeräin säädin ja liitin puolelta. (Ylhäällä: itse tehty; Vasen: 

kalustettu; Oikea: kalustamatta) 55 

Kuva 39. Yhdistelmäenergiakeräimen toteutus testeissä. a) Yhdistelmäenergiakeräin 

kotelossa häiriösuojattuna ja kytkettynä RuuviTagiin. b) Alumiinikerros kannen 

sisäpinnalla. 57 

Kuva 40. Latautuminen korkeajännitepotentiaalissa 20 kV jännitelinjassa. 58 

Kuva 41. Kondensaattorin latautumien matalassa potentiaalissa 20 kV linjan alla 120 cm 

etäisyydellä linjasta. 59 

Kuva 42. Kondensaattorin latautuminen matalassa potentiaalissa 63,5 kV linjan alla 120 

cm. 60 

Kuva 43. Raspberry Pi 3-pienoistietokoneen keräämä ja tallentama data RuuviTagin 

lähetyksistä. Harmaaviiva (1) on lämpötila (℃ ), ruskeaviiva (2) on ilmanpaine (hPa), 

sininen viiva (3) on Ruuvitagin käyttöjännite (mV), ja keltainen viiva (4) on ilmankosteus 

(%). X-akseli on mittauspisteen numero. 61 

Kuva 44. Komparaattorin toiminnan simulointipiirikaavio. Jännitelähde on kytketty 

komparaattorin käyttöjännitteeseen, jännite on 5 V. 63 

Kuva 45. Komparaattorin ulostulosignaali. 64 

Kuva 46. Komparaattorien ulostulo signaalien väli on 9,8 ms. 65 

Kuva 47.  Komparaattorin signaalin pituus ja korkeus. pituus 5,47 µs ja korkeus on 4,9 V.

 66 

Kuva 48. Kapasitiivinen energiakeräimen simuloinnissa käytetty piiri ja arvot 20 kV:n 

linjassa. 67 



8 

 

Kuva 49. Kapasitiivisen energiakeräimen ulostulo kondensaattorin varautuminen ajan 

funktiona 33 kV jännitteellä. Teho on noin 10,2 µW. 68 

Kuva 50. Kapasitiivisen energiakeräimen ulostulo kondensaattorin varautuminen ajan 

funktiona 100 kV jännitteellä. Teho on noin 8 µW. 69 

Kuva 51. Kapasitiivisen energiakeräimen ulostulo kondensaattorin varautuminen ajan 

funktiona 110 kV jännitteellä. Simulointi kesti vain 280 ms. Teho on noin 13,2 µW. 70 

Kuva 52. Kapasitiivisen energiakeräimen ulostulo kondensaattorin varautuminen ajan 

funktiona 400 kV jännitteellä. Simulointi kesti vain 150 ms. Teho on noin 11,0 µW. 71 

 
 

Taulukot 
 
Taulukko 1. Tulokset eri energiakeräinten tehoista. ....................................................... 31 

Taulukko 2. Eri tiedonsiirtomenetelmien energiankulutus (Kazeem ja muut, 2017; 

Mahmoud & Mohamad, 2016). ...................................................................................... 33 

Taulukko 3. Vertailu komparaattorien toiminnasta. ....................................................... 48 

Taulukko 4. Simuloinneista saadut tulokset ja simuloinnin kesto. ................................. 72 

 
Symbolit 
 
λ  Aallonpituus 
û  Vaihejännite 
A  Ampeeri 
I  Virta 
P  Teho 
U  Jännite 
V  Voltti 
W  Watti 
 

Lyhenteet 
 
AC  Alternating Current 
FET  Field-Effect transistor 
IoT  Internet of Things 
MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect transistor 
PMIC  Power Management Integrated Circuit 
SPICE  Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis 



9 

 

1 Johdanto 

Sähköverkko siirtää sähköenergiaa tuotantolaitoksista kuluttajille. Sähkömarkkinalain 

(588/2013) 51 §:ssä on säädetty enimmäiskestot jakeluverkon sähkökatkoksille. Asema-

kaava-alueella sähkökatkos ei saa ylittää kuutta tuntia, ja asemakaava-alueiden ulkopuo-

lella keskeytyksen enimmäiskesto on 36 tuntia. Kantaverkkoa Suomessa ylläpitää Fingrid 

Oyj ja kantaverkon alhaalla olo voi vaikuttaa paikallisyhtiöihin hyvin paljon. Sähköverkon 

tilaa valvotaan jatkuvasti ja nykyään paikallisverkot pyrkivät lisäämään omaa valvon-

taansa. Ongelma suurjännitelinjoissa on laitteiden huolto esimerkiksi paristojen vaihto, 

koska työympäristö on vaarallinen. Johdinten jatkuva valvominen kiinnostaa silti siirto-

yhtiöitä. Yksi vaihtoehto olisi kerätä energia antureille suoraan siirtolinjasta. 

 

Suurjänniteverkko on otollinen kohde automaattisille IoT-laitteille, jotka keräävät oman 

energiansa. Suurjänniteverkossa korkeajännite muodostaa sähkökentän ja virran kulku 

muodostaa magneettikentän johtimen ympärille. Näitä kahta kenttää voidaan käyttää 

energian keräämisessä. Verkkoa ylläpitävät tahot haluavat tietää sähkölinjojen toimin-

nasta erilaisia tietoja, joita ei voida mitata sähköasemilla. Tällä hetkellä mittalaitteet si-

jaitsevat sähköasemilla ja ne eivät voi suoraan mitata johtimien kuntoa. Johtimia ja verk-

koa aktiivisesti tarkkailemalla voidaan ennakoida huoltotoimenpiteitä mm. lumen ja jään 

kertymistä linjan päälle tai puun kaatumisen. 

 

Tutkimuksia energiakeräimistä, jotka keräävät tarvitsemansa energian jännitelinjoista on 

tehty ja tuloksia on saatavilla. Niistä huomataan, että saatavilla olevan energian määrään 

vaikuttaa jännitteen suuruus ja energiakeräimen etäisyys johtimesta. Kaupallisia laitteita 

sähköverkkojen kunnon valvontaan on olemassa, mutta ne toimivat paristolla. Muuta-

mia laitteita löytyy, jotka keräävät osan energiastaan induktiivisesti magneettikentästä. 

Tämä tosin vaatii, että linjassa kulkee virta. 

 

Tässä työssä tutkittiin Vaasan yliopistossa E4IoT-projektissa kehitettyä kapasitiivista 

energiakeräintä, joka kerää itse tarvitsemansa energian voimakkaasta sähkökentästä. Ra-

hoittajina projektissa olivat Pohjanmaan liitto, Vaasan yliopisto ja suomalaisia 



10 

 

teollisuusyrityksiä. Työn tuloksia voidaan hyödyntää muun muassa jatkotutkimuksissa. 

Tuloksista hyötyvät myös esimerkiksi energiakeräinten ja jännitelinjojen kunnonvalvon-

nan parissa työskentelevät tutkijat ja alan asiantuntijat. Työ tarjoaa pohjatietoa energi-

ankeräämisen mahdollisuuksista kunnonvalvonnan tarpeisiin. 

 

Energiakeräimellä kerätty energia varastoidaan superkondensaattoriin tai pieneen litium 

akkuun. Varastoitu energia käytetään IoT-laitteella, joka mittaa lämpötilaa, ilmankos-

teutta ja ilmanpainetta. Tiedot lähetetään langattomasti vastaanottimelle. Keräin voi-

daan asettaa sekä 20 kV että 110 kV linjaan ja sitä voidaan käyttää korkeassa potentiaa-

lissa eli kiinnittää korkeajännitelinjaan. Keräintä voidaan käyttää myös matalassa poten-

tiaalissa irti johtimesta. Testit suoritettiin laboratorio-olosuhteissa ja kenttätesteissä oi-

kean jännitelinjan läheisyydessä. 

 

Aluksi kappaleessa 2 tutustutaan teoriaan ja ilmiöihin, joita energiakeräimen toimintaan, 

tarvitsee ymmärtää. Kappaleessa 3 esitellään aiheesta tehtyjä tutkimuksia ja niiden tu-

loksia. Näitä tuloksia vertaillaan yhteenvedossa testeissä saatuihin. Kappaleessa 4 mää-

ritellään työ tarkemmin. Kappaleessa 5 on kerrottu energiakeräinten valmistuksesta ja 

testeistä. Energiakeräimiä valmistettiin lopulta kolme versiota ja niiden kehitys ja mit-

taustulokset on esitetty tässä kappaleessa. Kappaleessa 6 esitetään simuloinnin tulokset. 

Simulointiin käytettiin LTspice-ohjelmistoa. Simuloinnilla pyrittiin toistamaan laborato-

riotulokset ja käyttämään niitä energiakeräinten optimoinnissa. Kappaleessa 7 on yh-

teenveto työntuloksista. Tässä kappaleessa myös verrataan omia tuloksia muiden tutki-

musten tuloksiin sekä simulointien tuloksiin. 

 

 



11 

 

2 Sähkömagnetismi 

Sähkömagneettinen vuorovaikutus on yksi luonnossa esiintyvistä perusvuorovaikutuk-

sista. Sähkömagnetismin ilmiöitä ovat sähkökenttä ja magneettikenttä. Sähkökenttä syn-

tyy sähkövarauksen ympärille, kun taas magneettikenttä syntyy liikkuvien sähkövaraus-

ten ympärille. 

 

Kuvassa 1 esitetään sähkömagneettinen kenttä, joka koostuu sähkökentästä ja magneet-

tikentästä. Kentät ovat 90 asteen kulmassa toisiinsa nähden. Yhdessä nämä kaksi kenttää 

muodostavat sähkömagneettisen aallon, jonka aallonpituutta merkitään symbolilla λ. 

Näiden kahden kentän välistä vuorovaikutusta kuvaavat Maxwellin yhtälöt. Maxwellin 

yhtälöihin kuuluvat Gaussin laki sähkökentille, Faradayn laki, Ampèren-Maxwellin laki ja 

Gaussin laki magnetismille. Maxwellin yhtälöt muodostavat perustan sähkömagnetismin 

teorialle. Ne ovat olennaisessa osassa monissa fysikaalisissa ilmiöissä. Työssä tarkastel-

laan erityisesti sekä sähkö- että magneettikenttiä, ja niistä kerättävissä olevaa energian 

määrää (Young & Freedman, 2020, luku 29.7). 

 

 

Kuva 1. Sähkökenttä ja magneettikenttä samassa kuvassa. Sähkökenttä punaisella ja 
magneettikenttä sinisellä (R. Nave, 2025). 

 



12 

 

 

 

2.1 Sähkökenttä 

Sähkökenttä on fysikaalinen kenttä, joka syntyy sähkövarauksesta tai ajassa muuttuvan 

magneettikentän vaikutuksesta. Sähkökenttää kuvataan sähkökenttäviivoilla. Sähkökent-

täviivat näyttävät sähkökentän suunnan. Yleensä lähekkäiset kenttäviivat tarkoittavat 

voimakasta sähkökenttää ja harvat kenttäviivat heikkoa sähkökenttää. Sähkökenttäviivat 

eivät ikinä leikkaa toisiaan (Young & Freedman, 2020, s. 728). 

 

Pistevarauksen ympärillä vaikuttaa sähkökenttä, jonka suuntaan vaikuttaa varauksen na-

paisuus. Kuvassa 2 esitetään positiivisen ja negatiivisen pistevarauksen muodostavan 

sähkökentän suunta, kun niihin ei vaikuta muita voimia. Positiivisessa varauksessa säh-

kökenttä kulkee poispäin pisteestä, kun taas negatiivisessa varauksessa sähkökentän 

suunta on kohti pistettä. Sähkökentän suuruuteen vaikuttaa varauksen voimakkuus. 

 

Kuva 2. Pistevarausten muodostamat sähkökentät, kun niihin ei vaikuta muita voimia 
(ScienceFacts.net, 2025). 

 

Kuvassa 3 esitetään kahden pistemäisen varauksen välille syntyvää sähkökenttää. Sähkö-

kenttä kulkee positiivisesta varauksesta negatiiviseen varaukseen. Kuvasta nähdään sel-

keästi, kuinka sähkökenttä eroaa kuvan 2 suorista viivoista, kun niihin vaikuttaa toisen 

varauksen voima. Coulombin lain avulla voidaan kuvata sähkökentän voimakkuutta ja 



13 

 

suuntaa. Sen avulla voidaan myös määrittää pistevarausten sähkökentän voiman vaiku-

tusta toiseen pistevaraukseen yhtälöllä: 

𝐹 = 𝑘
|𝑞1𝑞2|

𝑟2
,                                                                            (1) 

missä 𝑘 on Coulombin vakio, 𝑞1 ja 𝑞2 ovat sähkövarauksia, 𝑟 on varausten etäisyys toi-

sistaan. Coulombin lakia soveltamalla voidaan todeta, että pistemäiseen kappaleeseen 

vaikuttaa tyhjässä tilassa varautuneen kappaleen aiheuttama voima (Young & Freedman, 

2020, s. 713). Coulombin laki sanoo, että kahden pistevarauksen välinen sähköinen 

voima on suoraan verrannollinen varausten tuloon ja kääntäen verrannollinen niiden vä-

lisen etäisyyden neliöön (Young & Freedman, 2020, s. 713–715). 

 

 

 

 

Kuva 3. Sähkökentän muodostuminen kahden pistevarauksen välille (Ylinen, 2025). 

 

2.2 Magneettikenttä 

Magneettikenttä muodostuu liikkuvan varauksen tai virran ympärille. Kuten sähköken-

tässä myös magneettikentässä kentän voimakkuutta ja suuntaa voidaan esittää kenttä-

viivoilla. Magneettikentän kenttäviivoille pätee samat säännöt, kuin sähkökentän kenttä-

viivoille. Kun kenttäviivat ovat lähekkäin, se tarkoittaa voimakasta kenttää, harvassa ole-

vat kenttäviivat heikkoa kenttää ja kenttäviivat eivät missään kohtaa risteä toisiaan. Toisin 



14 

 

kuin sähkökentän viivat magneettikentän viivoilla ei ole päätepistettä, vaan ne muodos-

tavat suljetun kehän (Young & Freedman, 2020, s. 908–913). 

 

Kuvassa 4 on esitetty johtimen ympärille muodostunut magneettikenttä. Johtimessa kul-

kevan virran suuruus määrittää magneettikentän suuruuden Amperen lain avulla. Am-

peren laissa oletetaan johtimen olevan pitkä ja suora, jossa virta kulkee. Lain avulla voi-

daan laskea magneettikentän voimakkuus H johtimen ympärillä kaavalla  

     𝐻 =
µ0𝐼

2𝜋𝑟
,                                                       (2) 

jossa µ0  on tyhjiön permeabiliteetti, 𝐼  on virta ja r on etäisyys johtimesta (Young & 

Freedman, 2020, s. 951–952). 

 

 

Kuva 4. Johtimen ympärille muodostuva magneettikenttä (Faizan, 2018). 

 

2.3 Sähkökenttä korkeajännitelinjan ympäristössä 

Sähkökentän voimakkuuteen vaikuttaa johtimen jännite, eli onko kyseessä 20 kV, 110 kV 

vai 400 kV linja. Myös johdinten asettelu vaikuttaa merkittävästi sähkökentän voimak-

kuuteen. Tilanteessa, jossa samassa vaiheessa olevat johtimet ovat vierekkäin, muodos-

tuu merkittävästi suurempi sähkökenttä kuin tilanne, jossa ylimmät ja alimmat johtimet 

ovat eri vaiheissa. Ero voi olla jopa 5 kV/m (Puranen, 2023), (Suojanen ja muut, 2000). 



15 

 

Sähkökentän voimakkuus vaikuttaa suoraan energiakeräimen kykyyn kerätä energiaa 

käyttöönsä. 

 

Kun korkeajännitelinjan johdin varautuu ja sen ympärille muodostuu sähkökenttä. Säh-

kökenttä on voimakkainta viereisiin vaihejohtimiin, koska jännitteet ovat erivaiheessa. 

Myös sähkökenttä maata vasten on voimakas. Sähkökenttä heikkenee nopeasti, kun siir-

rytään kauemmas korkeajännitelinjasta (Young & Freedman, 2020, s. 713). 

 

Sähkökentän voimakkuus esitetään kuvassa 5 etäisyyden funktiona keskilinjasta. Kuvan 

johtimessa on 110 kV jännite ja mittaus on tehty 2 metrin korkeudella maanpinnasta.  

Kuten kuvasta nähdään, sähkökenttä on voimakkainta keskilinjan ja noin 2 metrin etäi-

syydellä keskilinjasta. Keskilinjan pieni notkahdus johtuu pääasiassa sähkökenttien toisi-

aan kumoamista voimista. Sähkökentän voimakkuuteen vaikuttaa myös kuvassa esitetty 

johtimen korkeus maasta. Matalalla olevat johtimet muodostavat voimakkaamman säh-

kökentän laskentapisteeseen kuin korkealla olevat johtimet. Korkeammalla olevien joh-

timien sähkökentät eivät kumoa toisiaan niin selkeästi kuin matalalla olevien johtimien. 



16 

 

 

Kuva 5. Eri vaihejohtimien korkeuksilla lasketut sähkökentän voimakkuudet 2 metrin kor-
keudella maasta etäisyyden funktiona 110 kV johtimen keskilinjasta (Puranen, 
2017). 

 

Kuvassa 6 esitetään 400 kV johtimen muodostaman sähkökentän voimakkuus etäisyyden 

funktiona keskilinjasta. Verrattuna kuvaan 5 on kuvan 4 sähkökenttä huomattavasti voi-

makkaampi. Sen vaikutusalue myös pysyy korkeampana etäämmälle keskilinjasta. Mutta 

edelleen johtimen korkeus maasta vaikuttaa huomattavasti sähkökentän voimakkuuteen.  



17 

 

 

Kuva 6. Eri vaihejohtimien korkeuksilla lasketut sähkökentän voimakkuudet 2 metrin kor-
keudella maasta etäisyyden funktiona 400 kV kaksoisjohdon keskilinjasta (Pu-
ranen, 2017). 

 

2.4 Kapasitanssi 

Kapasitanssi on sähköstatiikan suure, joka ilmaisee kahden johtavan levyn välillä olevan 

sähköisen potentiaalieron. Tämä muodostaa systeemistä kondensaattorin. Toinen le-

vyistä on varautunut korkeampaa potentiaaliin eli on positiivinen varaus. Toinen levy 

taas varautuu matalampaan potentiaaliin ja on negatiivinen varaus. Sähkökenttä näiden 

välillä kulkee korkeammasta potentiaalista matalampaan. Sähkökentän voimakkuuteen 

vaikuttaa kappaleiden välinen potentiaaliero sekä kappaleiden välinen etäisyys. 

 

Mitkä tahansa kaksi erillistä johdinta, jotka on erotettu joko eristeellä tai tyhjiöllä, muo-

dostavat kondensaattorin. Kondensaattorin lataaminen tapahtuu useimmissa käytännön 

sovelluksissa siirtämällä elektroneja johtimesta toiseen. Tämän jälkeen johtimilla on yhtä 

suuret vastakkaisenmerkkiset varaukset. Kondensaattorin varausta kuvataan kirjaimella 

𝑄 . Kuvassa 7 esitetään kahden levyn muodostamaa kondensaattoria. Sähkökenttä 𝐸 

missä tahansa pisteessä levyjen välissä on verrannollinen levyjen varauksen 𝑄 suuruu-

teen. Tästä syystä levyjen välinen potentiaaliero 𝑉𝑎𝑏 on verrannollinen varaukseen 𝑄. Eli 



18 

 

jos levyjen varausten suuruus kaksinkertaistetaan, myös sähkökenttä ja levyjen välinen 

potentiaaliero kaksinkertaistuvat. Tätä suhdetta kutsutaan kondensaattorin kapasitans-

siksi 𝐶. Tämä yhteys esitetään yhtälössä 

𝐶 =
𝑄

𝑉𝑎𝑏
,      (3) 

jossa 𝐶 on kondensaattorin kapasitanssi, 𝑄 on levyjen varausten suuruus ja 𝑉𝑎𝑏 on po-

tentiaaliero levyjen välillä. Kapasitanssin yksikkö on faradi 𝐹 , joka on yhtä suuri kuin 

coulombi per voltti. Tämä saadaan kaavalla 

𝐹 =
𝐶

𝑉
.     (4) 

Mitä suurempi kapasitanssi 𝐶 kondensaattorilla on, sitä suurempi varaus levyihin muo-

dostuu. Lisäksi levyjen välinen jännite-ero 𝑉𝑎𝑏  kasvaa ja täten varastoitavan energian-

määrä kasvaa sähkökenttä (Young & Freedman, 2020, s. 810–811).  

 

Kuvassa 7 esitetään kahden varautuneen levyn välillä vaikuttavaa sähkökenttää. 𝐸 kuvaa 

sähkökentän voimakkuutta, 𝑉on levyjen välillä oleva jännite ja 𝑑 on levyjen välinen etäi-

syys.  

 

 

Kuva 7. Kahden levyn välillä vaikuttava sähkökenttä. E on sähkökentän voimakkuus, V 
on levyjen välinen jännite ja d on levyjen välinen etäisyys. 

 

Kapasitanssi ilmaisee näiden kahden komponentin muodostaman systeemin sähkönva-

rauskykyä. Tätä varausta voidaan hyödyntää esim. IoT-laitteen käytössä. Sähkönvaraus-

kykyyn vaikuttavat monet asiat esimerkiksi materiaali, etäisyys ja pinta-ala. 

 

𝑽 
𝑬 =

𝑽

𝒅
 

𝒅 



19 

 

 

Yksinkertaisin kondensaattori saadaan aikaan kahdella johtavalla levyllä. Kuvassa 8a on 

esitetty kahden levyn muodostama kondensaattori. Levyjen välissä vaikuttaa kuvassa 8b 

esitetty sähkökenttä. Levyjen ollessa hyvin lähellä toisiaan lähes koko sähkökenttä vai-

kuttaa vain levyjen välissä. 

 

 

Kuva 8. Kapasitanssin muodostuminen kahden levyn välille. a) Kahden kondensaattori-
levyn asettelu. b) Levyjen välillä vaikuttava sähkökenttä (Young & Freedman, 
2020, s. 811). 

 

 

 



20 

 

2.5 Sähkönsiirto 

Sähköverkko siirtää sähköenergian tuotantolaitoksista kuluttajille. Linjat voidaan toteut-

taa kahdella tavalla, ilmajohdolla tai kaivamalla kaapelit maahan. Ilmajohtimien ollessa 

paljaana ympäristön uhille on niiden monitoroinnista alettu kiinnostua. Kaatuneet puut, 

katkenneet kaapelit ja muut vauriot olisi hyvä paikantaa heti niiden tapahduttua. Par-

haassa tapauksessa tieto johtimen katkeamisesta tai sen uhasta voitaisiin saada jo en-

nakkoon. Tätä varten tiheä mittauksia tekevä IoT-laitteisto voisi olla suureksi avuksi linjo-

jen kunnon tarkkailuun. 

 

Suomen sähköjärjestelmä koostuu sähköä tuottavista voimalaitoksista, kantaverkosta, 

suurjännitteisistä jakeluverkoista, jakeluverkoista ja sähkön kuluttajista. Jakeluverkko 

koostuu keskijännitejakeluverkosta 1–20 kV ja suurjännitteisestä jakeluverkosta 110 kV 

(Säteilyturvakeskus, 2021). Kantaverkosta vastaa Fingrid ja se kattaa kaikki silmukoidut 

käytössä olevat yli 110 kV suurjännitejohdot aina 400 kV asti, sekä näiden sähköasemat 

(Fingrid, 2024). 

 

2.5.1 Vaihtovirta sähkönsiirtoverkossa 

Vaihtovirta (AC) on ajan funktiona muuttuva sähkövirta. Suomessa sinimuotoista vaih-

tosähköä 230 voltin nimellisjännitteellä ja 50 hertsin (Hz) taajuudella käytetään kotita-

louksissa verkkovirtana. Siirtoverkossa on sama 50 Hz taajuus mutta jännitteet ovat huo-

mattavasti suurempia 1 kV aina 400 kV asti. 

 

Vaihtovirtajärjestelmässä on muutamia huomattavia etuja, joiden takia se on parempi 

kuin tasavirtajärjestelmä. Vaihtovirtajärjestelmässä jännitettä voidaan muuttaa helposti 

muuntajalla. Myös sähkönsiirto on tehokkaampaa, koska jännitettä voidaan nostaa ja 

tällöin siirrosta aiheutuvat häviöt pienevät. Tästä syystä siirtojohtimista voidaan tehdä 

ohuempia, joka säästää valmistuskustannuksia. 

 



21 

 

Energian keräämiseen vaihtosähkö vaikuttaa juuri diodisillan tarpeella. Induktiiviselle ke-

räimelle vaihtosähkö on erittäin tärkeä, sillä keräimen toiminta perustuu virtamuunta-

jaan. Johtimen ympärille muodostuva magneettikenttä indusoi keräimen käämiin jännit-

teen. Ja näin saadaan energiaa ilman kytkentöjä. 

 

Vastaavasti kapasitiiviselle keräimelle vaihtosähkö aiheuttaa haittaa. Jos siirtoverkossa 

on 3-vaiheiset johdot vierekkäin ja keräin asetetaan täsmälleen keskelle, ei keräimellä 

saada kerättyä energiaa. Kolmen erivaiheessa olevan jännitteen voimat kumoavat toi-

sensa. Tähän on hyvä kiinnittää huomiota kapasitiivista keräintä suunnitellessa. 

 

2.5.2 Suurjänniteverkko 

Suurjänniteverkolla tarkoitetaan yli 110 kV voimalinjoja. Suurjänniteverkkoa ovat siis 

sekä kantaverkko kokonaan, että jakeluverkko osittain. Kantaverkkoa ylläpitää ja valvoo 

Suomessa Fingrid. Kantaverkkoon kuuluvat kaikki silmukoidut käytössä olevat 400, 220 

ja 110 kV suurjännitejohdot sekä sähköasemat (Fingrid, 2024). 

 

Jakeluverkko, jolla sähkö tuodaan kuluttajalle, on alle 110 kV. Suurjännitteinen jakelu-

verkko on 110 kV. Lisäksi näihin kuuluvat niiden sähköasemat. Suurjännitteistä jakelu-

verkkoa ylläpitää ja valvoo suurjännitteisen jakeluverkonhaltija. Jakeluverkkoa hallin-

noivilla jakeluverkonhaltijoilla ja suljetun jakeluverkon haltijoilla voi olla ylläpidettävä-

nään myös suurjännitteistä jakeluverkkoa (Energiavirasto, 2025). 

 

Suurjänniteverkolla on pieni virta, joka vähentää sähkön siirrosta aiheutuvia häviöitä. 

Pienemmällä jännitteellä virta kasvaa, joka aiheuttaa häviötä johtimissa. Häviöihin voi 

myös vaikuttaa suurentamalla johtimia, jolloin virta pääsee kulkemaan paremmin. Tämä 

vaatii kuitenkin enemmän materiaalia johtimiin, jolloin paino kasvaa ja tämä voi aiheut-

taa johtimien katkeamisriskin. Suurjänniteverkossa virran ollessa pieni ei ole tarvetta 

suuremmille johtimille ja voidaan säästää johdinten materiaalikustannuksissa sekä pai-

nossa. 



22 

 

Joka vuosi myrskyt ja pakkautunut lumi katkovat sähköjohtimia eri puolilla Suomea. 

Vaikka valvonta ja huolto ovat parantuneet, voi sähköt olla välillä poikki pitkiäkin aikoja. 

Myös syrjäisillä ja vaikeakulkuisilla paikoilla katkenneen kohdan löytyminen voi olla haas-

tavaa ja aikaa vievää. Pienet IoT-laitteet, jotka tarkkailevat johtimia ovat jo mahdollisia 

mutta ne toimivat vuosia paristoilla. Kun paristot tyhjenevät laitteista tulee hyödyttömiä. 

Paristojen vaihto olisi niin työlästä ja aikaa vievää, ettei se olisi taloudellisesti järkevää. 

Siksi on alettu kehittelemään IoT-laitteita, jotka keräisivät energiansa ympäristöstään. 

Tässä tapauksessa sähköjohtimista. Seuraavassa kappaleessa tutustutaan olemassa ole-

viin tutkimuksiin energian keräämisestä sähköjohtimista. 



23 

 

3 Energian kerääminen suurjännitejohdoista 

 

a)                                           b)                                              c) 

Kuva 9. Erilaisia kapasitiivisia energiankeräysmenetelmiä. a) suora kontakti. b) matala 
potentiaali. c) korkea potentiaali (Yang ja muut, 2020). 

 

Aikaisempia tutkimuksia kapasitiivisista energiakeräimistä on tehty monia ja kaikki eroa-

vat hiukan toisistaan. Vertailu on osittain erittäin hankalaa, koska elektrodien materiaalit 

ja koot eroavat suuresti toisistaan ja nämä ominaisuudet vaikuttavat suoraan keräinten 

tehoon. Myös voimalinjojen jännite vaihtelee 35 kV ja 765 kV välillä. Osa energiakeräi-

mistä on matalassa potentiaalissa ja osa taas korkeassa. Elektrodien etäisyys vaihtelee 

paljon eri tutkimusten kesken ja vaikuttaa erittäin paljon tuloksia vertaillessa. Yhteenve-

dossa tullaan vertaamaan tässä työssä saatuja tuloksia näihin tuloksiin. 

 

Moghe ja muut (2015) ovat tehneet kuvan 10 mukaisen korkeassa potentiaalissa olevan 

energiakeräimen. Energiakeräimen elektrodina toimi alumiinilaatikko, jonka sisään elekt-

roniikka oli laitettu. Laatikko kiinnitettiin sähköjohtimeen ja laatikon päälle oli asetettu 

kuparilevy, joka oli suorassa kontaktissa johtimen kanssa. Kuparilevy eristettiin muusta 

laatikosta eristävällä kannella. Kuparilevyn ja alumiinilaatikon väliin jätettiin noin 1 mm 

eristeväli. Kuparilevy oli mitoiltaan 12,7 cm x 7,6 cm x 1 mm. Kokeessa korkeajännite 

vaihteli välillä 5 kV ja 35 kV. Kuorma vaihteli 25  ja 5 k välillä. 50  kuormalla ja 35 kV 

jännitteellä saatiin jatkuvasti lähes 17 mW. 



24 

 

 

Kuva 10. Morgen ja muiden (2015) kapasitiivisesta energiakeräimestä, joka asetetaan 
kiinni jännitelinjaan. 

 

Zhao ja muut (2012) ovat tehneet kuvan 11 mukaisen korkeapotentiaalisen energiake-

räimen. Itse keräimestä ei paljoa mainita raportissa mutta energian hallinnassa käytettiin 

muuntajaa jännitteen alentamiseksi ja tehokkaan energian keräämisen mahdollista-

miseksi.  Keräin asetettiin johtimen ympärille ja kuvien perusteella se noin kolminker-

taisti johtimen paksuuden ja oli noin 10–20 cm pitkä. Keräimessä käytettyjä materiaaleja 

ei mainita, joten ulkokuoren elektrodin materiaalista ei ole täyttä varmuutta. Keräimellä 

saatiin kuitenkin kenttätestissä 110 kV linjasta, joka oli 15 metrin korkeudessa, 16,3 mW. 

 



25 

 

 

Kuva 11. Zhao ja muiden (2012) kehittämä korkeajännitelinjaan kiinnitettävä energiake-
räin. 

 

Kang ja muut (2017) ovat tehneet kuvan 12 mukaisen matalassa potentiaalissa toimivan 

energiakeräimen. Tässä tutkimuksessa elektrodina toimii lieriö, jonka halkaisija oli 12 cm 

ja pituus 25 cm. Lieriön ulkopinta on vuorattu alumiinilla, joka siis toimii elektrodin ma-

teriaalina. Energiakeräimen elektroniikka sijaitsee lieriön sisällä. Keräin asetettiin 765 kV 

linjan alle, joka oli noin 34 m korkeudessa maanpinnasta. Energiakeräimen ollessa neljän 

metrin korkeudessa, teho oli 0,17 mW. 

 



26 

 

 

Kuva 12. Kang ja muiden (2017) toteuttama kapasitiivinen energiakeräin, joka on sijoi-
tettu jännitelinjan alle. 

 

Li ja muut (2019) ovat tehneet kuvan 13 mukaisen matalan potentiaalin energiakeräimen. 

Keräintä testattiin laboratorioon rakennetulla testiympäristöllä. Testissä korkeajännite-

linjana toimi 1,5 m pitkä teräsputki, johon syötettiin 50 Hz vaihtosähköä 50 kV jännit-

teellä. Elektrodina toimi 1 × 1 m metallilevy, joka oli sijoitettu suoraan teräsputken ala-

puolelle. Teräsputken ja metallilevyn välinen etäisyys oli 30 cm. Energiakeräimen 



27 

 

elektroniikkana käytettiin muuntajaa, jonka avulla jännite ja virta saatiin elektroniikalle 

sopiviin arvoihin. Testistä Li ja muut saivat energian keräimellä kerättyä 5mW tehon. 

 

 

Kuva 13. Li ja muiden (2019) kapasitiivisen energiakeräimen koejärjestely. a) Kokeen pe-
riaatekuva. b) todellinen energiakeräin. 

 

Kang ja muut (2017) ovat toteuttaneet kapasitiivisen energiakeräimen, joka esitetään 

kuvassa 14. Koejärjestelyssä jännitelinjaa kuvaava kupariputki on halkaisijaltaan 10 mm 

ja 1,5 m korkeudessa maasta ja vaihejännite on 6 kV. Kuparilevy on 30 x 40 cm ja sen 

etäisyys kupariputkesta on 15 cm. Keräimen tarkkoja tehoja ei mitattu, mutta ne olivat 

nW luokkaa. 



28 

 

 

Kuva 14. Kang ja muiden (2017) toteuttaman kapasitiivisen energiakeräimen koejärjes-
telyt. 

 

Gupta ja muut (2010) ovat tehneet kokeita induktiivisella energiakeräimellä. Tässä työssä 

energia kerättiin tuomalla induktiivinen energiakeräyselementti lähelle johdinta, jossa 

kulki virta. Kokeissa johtimessa kulki noin 8,4 A virta. Keräyselementin ollessa tarpeeksi 

lähellä, heidän mukaansa olisi mahdollista kerätä jopa 1–2 mW. Kuvassa 15 esitetään 

koejärjestelyt. 



29 

 

  

a) 

 

b) 

Kuva 15. Gupta ja muiden (2010) toteuttama induktiivinen energiakeräin. a) koejärjeste-
lyt. b) kuva todellisesta koejärjestelystä. 

 

Najafi ja muut (2018) ovat tehneet tutkimuksen induktiivisesta energiakeräimestä, joka 

esitetään kuvassa 16. Tässä kokeessa virtajohtimen ympärille asetettiin pyöreä korkean 

permeabiliteetin toroidi, jonka ympärille kiedottiin johtoa. Kierrosten määrä näkyy ku-

vassa 16. Induktiivisen energiakeräimen teho kasvaa lineaarisesti johtimen virran mu-

kana. Tässä tutkimuksessa suurimmalla virralla 615 A saatiin keräimelle 55 W teho. 



30 

 

 

 

a) 

 

b) 

Kuva 16. Najafin ja muiden (2018) tekemän induktiivisen energiakeräin. a) periaatekuva 
b) todellinen koejärjestely. 

 

Taulukoon 1 on koottu edellä mainittujen tutkimusten tulokset. Vaihtelut aiheutuvat 

suurelta osin keräimen elektrodin ja jännitelinjan välisistä eroista. Myös jännitteen ja 



31 

 

virran määrä vaikuttavat tuloksiin huomattavasti. Kaikilla menetelmillä kuitenkin saatiin 

kerättyä energiaa. 

 

Taulukko 1. Tulokset eri energiakeräinten tehoista. 

Tekijä Menetelmä Jännite Teho 

Moghe ja muut Kapasitiivinen (kor-

kea) 

35 kV 17 mW 

Zhao ja muut Kapasitiivinen (kor-

kea) 

110 kV 16,3 mW 

Kang ja muut Kapasitiivinen (ma-

tala) 

765 kV  0,17 mW 

Li ja muut Kapasitiivinen (ma-

tala) 

50 kV 5 mW 

Kang ja muut Kapasitiivinen (ma-

tala) 

6 kV 1–4 nW 

Guptu ja muut Induktiivinen 8,4 A 1–2 mW 

Najafi ja muut Induktiivinen 615 A 55 W 

 



32 

 

4 Tehtävän asettelu 

 

Tässä työssä tutkittiin Vaasan yliopistossa E4IoT-projektissa kehitettyä energiakeräintä. 

Rahoittajina projektissa olivat Pohjanmaan liitto, Vaasan yliopisto ja suomalaisia teolli-

suusyrityksiä. Energiakeräin on suunniteltu toimimaan korkeajännitteisen voimalinjan 

ympäristössä. Työssä tutkittiin kuvan 9 mukaisten kytkentöjen eroja tehon saannin kan-

nalta eli kuinka suuri ero korkea- ja matalapotentiaalisilla kytkennöillä on. Työn tuloksia 

vertaillaan edellisessä luvussa esitettyihin muiden tekemiin tutkimustuloksiin. Kerätyllä 

energialla tullaan myös sähköistämään pienikulutuksellinen IoT-laite. 

 

Kokeet tehtiin pääosin laboratorioympäristössä. Laboratorioon tehtiin korkeajännitelin-

jaa simuloiva ympäristö, jolloin mittaukset on mahdollisimman lähellä oikeassa ympäris-

tössä toteutettavia mittauksia. Korkeajännitelinjoissa käytettävät johtimet korvattiin alu-

miiniputkilla, joiden halkaisija on 15 mm. Toiseen johdetaan korkeajännite ja toinen pi-

detään maapotentiaalissa. Näiden kahden putken etäisyyttä toisiinsa voidaan säädellä. 

 

4.1 Tiedonsiirto menetelmät 

Kapasitiivisesti kerätyn energiamäärän odotettiin jäävän pieneksi, joten tiedonsiirron ku-

lutukseen oli syytä kiinnittää erityistä huomiota. Taulukossa 2 esitetään muutamia tie-

donsiirto menetelmiä ja niiden käyttämiä virtoja tiedonsiirron erivaiheissa. Energiakulu-

tukseen vaikuttaa myös kantavuus ja tiedoston koko. Taulukon 2 lähetysmenetelmistä 

Bluetooth ja ZigBee lähettävät tiedostoja kymmenen metriä. Wi-Fin kantavuus voi olla 

satoja metrejä, kun taas LoRaWAN pystyy lähettämään jopa kymmeniä kilometrejä 

(Mahmoud & Mohamad, 2016).  

 

 



33 

 

Taulukko 2. Eri tiedonsiirtomenetelmien energiankulutus (Kazeem ja muut, 2017; Mah-
moud & Mohamad, 2016). 

 Bluetooth LoRaWAN ZigBee Wi-Fi 

Lepotila 9 µA 10 µA 12 µA 30 µA 

Valmiustila 35 mA 30 mA 50 mA 245 mA 

Lähetys 39 mA 39 mA 52 mA 251 mA 

Vastaanotto 37 mA 14 mA 54 mA 248 mA 

Jännitelähde 3,3 V 3,3 V 3,3 V 5 V 

 

Kuten taulukosta 2 nähdään, Bluetooth on yksi vertailujoukon energiatehokkaimmista 

tiedonsiirtomenetelmistä. Tässä työssä IoT-laitteena käytettiin RuuviTag-laitetta, joka 

käyttää matalaenergistä Bluetoothia. RuuviTagin käyttämä energia mitattiin tarkemmin 

ja tulokset esitetään seuraavassa kappaleessa.  

 

4.2 IoT-laite RuuviTag 

Kapasitiivisen energiakeräimen energiaa käytetään IoT-laitteeseen. Tässä työssä IoT-lait-

teena käytetään kuvan 17 RuuviTag sensoria. Normaalisti RuuviTag käyttää 3,3 V paristoa, 

jolle Ruuvi lupaa 12–24 kuukautta toiminta-aikaa. Pariston luvataan sisältävän 1 000 

mAh. Ruuvitag sensori mittaa lämpötilaa, ilmankosteutta, ilmanpainetta ja liikettä. Li-

säksi se pystyy ilmoittamaan käyttämänsä paristojännitteen (Ruuvi Innovations Oy, 2023). 

Paristojännite on energianhallinnan ulostulon jännite.  

 

RuuviTag -sensori käyttää Bluetooth lähetystekniikkaa. Bluetoothin lähetysteho sisäti-

loissa on noin 5–20 metriä ja ulkona 20-100 metriä (Ruuvi Innovations Oy, 2023). 

 



34 

 

 

Kuva 17. RuuviTag IoT-laite. Mittaa lämpötilaa, ilmankosteuden ja -paineen sekä liikkeen. 
Normaalisti paristokäyttöinen. Numero viisi on itse tehty tunniste. 

 

Työssä käytetylle RuuviTagille tehtiin tehon kulutusmittauksia. Mittauksissa käytettiin 

virran mittaamiseen CurrentRanger-virtamittaria. Laitteen avulla voidaan PicoScopella 

määrittää virta. PicoScopella mitattiin RuuviTagin käyttöjännite. Teho saadaan kaavalla 

     𝑃 = 𝑈𝐼,                 (5) 

 jossa 𝐼 on RuuviTagin käyttämä virta ja U on käyttöjännite. Mittaustulokset esitetään ku-

vissa 18 ja 19. 



35 

 

 

Kuva 18. RuuviTagin käyttöjännite on keskimäärin 3,1 V. 

 

 

Kuva 19. RuuviTagin virrankulutus. Lähetyksen aikana virtapiikki on 3,27 mA. Keskimää-
räinen virrankulutus 6 s aikana on 3,3 µA. 

 

RuuviTagin tehonkulutus on keskimäärin 7,2 µW. Lähetyshetkellä RuuviTag kuluttaa het-

kellisesti 10,3 mW. Mittauksen aikana RuuviTag teki lähetykset 6 sekunnin välein. Pie-

nemmät piikit virrankulutuksessa ovat hetkiä, jolloin RuuviTag suorittaa mittauksia. Nii-

den huiput ovat noin 0,4 mA. 



36 

 

 

4.3 Vastaanotin 

 

Vastaanottimena voidaan käyttää mitä vain laitetta, joka pystyy vastaanottamaan 

Bluetoothin kautta lähetettyä tietoa. Tässä työssä RuuviTag lähettää matalaenergistä sa-

laamatonta Bluetooth signaalia, joten sitä ei tarvitse parittaa vastaanottimen kanssa. 

Työssä on käytetty vastaanottimena tavallista matkapuhelinta, jossa on RuuviTagin so-

vellus tiedon lukemiseksi. 

 

Raspberry Pi 3 pienoistietokoneella tehtiin pitkäaikainen mittaus sähköasemalla ja se tal-

lensi RuuviTagin lähettämän datan. Raspberry Pi oli kytketty suoraan sähköverkkoon, 

koska sen energiankulutus on suuri. Suositeltu virtalähde on 5 V ja 2,5 A, sisääntuloliitti-

menä toimii mikro-USB.  

 

 

Kuva 20. Raspberry Pi 3 Model B -pienoistietokone. 

 

Tulokset tästä testistä esitetään myöhemmin kappaleessa 5.3.3. 



37 

 

5 Kapasitiivinen energiakeräin 

 

 

Kuva 21. Periaatekuva kapasitiivisen energiakeräimen toimintaketjusta. 

 

Kapasitiivinen energiakeräin koostuu neljästä osasta: 1 elektrodilevystä, johon muodos-

tuu jännite-ero. 2 Energian keräyselektroniikasta, joka kerää energiaa talteen jännite-

erosta. 3 Energian varastointielektroniikasta, joka varastoi kerätyn energian superkon-

densaattoriin tai pieneen akkuun, sekä 4 energiankeräyspiiristä. Vaikka kerätyn energian 

määrä on pieni, sitä tulee saada kerättyä jatkuvasti. Kerätyn energian hallintaan ja varas-

tointiin käytettiin Texas Instrumentin piiriä BQ25570, joka itse kuluttaa hyvin vähän ener-

giaa. Energia varastoidaan superkondensaattoriin, josta voidaan ottaa varastoitu energia 

IoT-laitteelle, kunhan superkondensaattori on varautunut tarpeeksi. 

 

Kondensaattorin tai pienen akun energian varastointikyvyn valintaan vaikuttavat muun 

muassa saatavilla olevan energian määrä ja kuinka paljon energiaa IoT-laitteen tiedon-

siirto vaatii. Lähetystekniikoissa on suuria eroja energiankulutuksen suhteen ja niihin ei 

tässä työssä perehdytä tarkemmin. Yleisesti suuremman energiankulutuksen lähetystek-

niikka vaatii suuremman energiavaraston, mikä taas pidentää energiankeräimen lataus-

aikaa ennen kuin haluttu jännitetaso saavutetaan. Seuraavaksi esitetään energiakeräi-

men valmistusta ja siitä saatuja mittaustuloksia. 

 



38 

 

5.1 Prototyyppi n. 1 

 

 

Kuva 22. Kapasitiivisen energiakeräimen periaatekuva korkeassa potentiaalissa. 

 

Ensimmäinen versio kapasitiivisesta energiakeräimestä suunniteltiin hyödyntäen ABB:n 

kehittämää kapasitiivistä energiakeräintä, josta löytyi vanhentunut patentti US 6646859 

B2 (Vähämäki ja muut, 2003). Tällä prototyypillä testattiin esitetyn laitteen todellinen 

toimivuus käytännössä. Keräimen toiminta kuvaillaan tekstissä tarkasti ja suositeltu 

asennustapa on korkeaan potentiaaliin. On myös varmistettu, että samalla menetelmällä 

voidaan kerätä eri tavoilla ja olosuhteissa sekä eri käyttökohteista energiaa (Vähämäki ja 

muut, 2003). 

 



39 

 

Kuvassa 23 on esitetty piirikaavio, jota käytettiin suunnittelutyön. Kuvan 23 työtä käytet-

tiin pohjana ensimmäiselle prototyypille. Ensimmäisellä versiolla haluttiin selvittää alus-

tavia jännitteitä, virtoja ja tehoja, joita on mahdollista saada. 

 

 

Kuva 23. Piirikaavio kapasitiiviselle energiakeräimelle (Vähämäki ja muut, 2003). 

 

5.1.1 Piirilevyn suunnittelu ja valmistus 

Kuvassa 24 esitetään ensimmäinen kapasitiivisen energiakeräimen prototyyppi kalustet-

tuna. Prototyyppi valmistettiin itse Technobothnian elektroniikanlaboratoriossa 1-puoli-

selle FR4 piirilevymateriaalille. Komponentteina käytettiin pääasiassa pintaliitoskom-

ponentteja, joiden lisäksi muutamia läpiladottavia komponentteja. Komponentit juotet-

tiin paikoilleen käsin. Juotteiden ja kuparireititysten johtavuus varmistettiin yleismitta-

rilla. Testimittauspisteitä varten laitettiin yksittäisiä piikkejä, joihin saatiin mittausjohti-

met kiinni. Myös sisääntuloille laitettiin yksittäiset piikit. Ulostulona käytetään kuvan 24b 

mustan kondensaattorin jalkoja. 



40 

 

5.1.2 Piirilevyn kalustaminen 

 
a)                                                                       b) 

Kuva 24. Ensimmäinen kapasitiivinen energiakeräin prototyyppi kalustettuna. a) pinta-
liitoskomponentit. b) läpiladottavat komponentit, mittapisteet ja johdin elektrodilta. 

 

Komparaattorin pulssisignaalien toiminta mitattiin oskilloskoopilla. Tulokset signaalin 

jännitteestä, kestosta ja väliajasta on esitetty kuvissa 25 ja 26.  

 

 

Kuva 25. Komparaattorin lähettämä 6,5 V pulssisignaali, joka kestää 13,8 µs. 

 



41 

 

 

Kuva 26. Pulssisignaalien väli, joka on 15,99 ms. 

 

Komparaattorin pulssisignaalilla ohjataan energiakeräimen MOSFET:iä, joka katkaisee 

kondensaattorin purkausvirtapiirin. Aina kun ohjaussignaali on päällä, energiakeräimen 

ulostulon kondensaattori latautuu. Virtapiirin pitää olla myös välillä kiinni, koska johta-

essa virta purkautuu sisääntulon kondensaattorista. Virta kulkee kelan läpi, joka vastus-

taa virran muutosta. Aina kun virtapiiri aukeaa pulssisignaalin takia, kela pakottaa virtaa 

ulostulon kondensaattoriin. Pulssin jälkeen purkausvirtapiiri sulkeutuu ja virran kulku ke-

lan läpi kiihtyy uudestaan. Kuvassa 25 esitetään komparaattorin pulssisignaali, jonka ajan 

kelan läpi kulkema virta ohjautuu ulostulon kondensaattoriin. 6.5 V jännite pitää FET:n 

ohjauksen auki noin 14 µs. Kuvassa 26 esitetään kahden pulssisignaalin väli, joka on noin 

16 ms. Tämän ajan sisääntulon kondensaattori purkautuu ja purkautumisvirta kulkee ke-

lan läpi. Tällä ajan jaksolla ulostulon kondensaattori ei lataudu. 

 

Tulosten perusteella voidaan olettaa kapasitiivisen energiakeräimen toimivan, mikäli si-

sääntulon kondensaattori latautuu. Komparaattorin toimintaa säätelevät vastukset ja 

kondensaattorit, joiden arvoja muuttamalla signaalipulssin kestoa ja väliä voidaan säätää. 



42 

 

Tässä vaiheessa ei ollut tietoa ovatko nämä arvot kaikkein optimaaliset. Näillä arvoilla 

suoritettiin ensimmäisen prototyypin testit. 

 

5.1.3 Laboratoriotestit 

Laboratoriotestit suoritettiin Technobothnian suurjännitelaboratoriossa, jossa saadaan 

simuloitua ilmajohdossa kulkeva jännite aina 200 kV asti. Testit tehtiin 20 kV ja 110 kV 

jännitteillä, koska ne ovat yleisimpiä siirtojännitteitä Suomessa.  

 

Testissä kapasitiivinen energiakeräin oli kytketty korkeaan potentiaaliin. Keräin oli kyt-

ketty suoraan kiinni suurjännitelinjaan ja elektrodi levy oli asetettu maapotentiaalia vas-

ten. Elektrodilevynä toimi FR4-levy, jollaiseen piiri oli tehty. Energiakeräimen piirilevy ja 

elektrodi olivat eristetty yksipuolisella FR4-levyllä, jonka toisella puolella oli maapoten-

tiaali. Elektrodin ja maapotentiaalin etäisyys on 0,5 cm ja välissä on eriste. Yleismittari 

mittaa jännitettä keräimen ulostulossa olevan kondensaattorin yli. Kondensaattorin jän-

nite on sama, jota käytetään ulostulona. Mittauksessa kondensaattorin rinnalle kytket-

tiin säätövastus, joka kuvastaa ulostulon kuormaa. Mittausjärjestelyt on esitetty kuvassa 

27. 



43 

 

 

Kuva 27. Mittausjärjestely. Kapasitiivinen energiakeräin on kytketty suoraan jännitelin-
jaan Jacobin tikkaiden kautta. Keräin on eristetty yksipuolisen FR4 levyn päälle 
ja on vain kapasitiivisesti yhteydessä maahan. Kytkentä on korkea potentiaa-
lissa. 

 



44 

 

 

a)        b) 

Kuva 28. Mittaustulokset. a) Ulostuloon kytketyn säätövastuksen yli mitattu jännite. b) 
Jännite sähkölinjassa, johon kapasitiivinen energiakeräin on kiinnitetty. 

 

Kuvassa 29 on säätövastus, joka on kytketty kapasitiivisen energiakeräimen perään. Sää-

tövastukseen on asetettu 8 kΩ vastus. Yleismittari on kytketty mittaamaan energiake-

räimen ulostulon jännitettä vastuksen yli. Kuvassa 29 on jännitelinjaan syötetty jännite 

5,052 kV. Näillä tiedoilla voidaan laskea kapasitiivisen energiakeräimen ulostulon teho 

kaavalla      

 𝑃 = 𝑈𝐼,                (6) 

kun 

           𝐼 =
𝑈

𝑅
.                 (7) 

Näitä yhdistämällä saadaan 

𝑃 =
𝑈2

𝑅
,                 (8) 

jolla voidaan laskea ulostulon teho. Ulostulon teho on noin 1,1 mW.  

 



45 

 

 

Kuva 29 Testijärjestely keräimelle. Keräin on johtimen ympärillä, johon syötetään 10 kV. 

Säätövastuksessa on 5 kΩ. Keräimen tuottama jännite saadaan jännitemitta-
rilla, jonka lukema on 0,0745V. 

 

5.1.4 Kenttätesti 

Laboratoriotesteissä prototyypistä hajosi FET, joten sillä ei ehditty tekemään kenttätes-

tejä. Vian löytäminenkin kesti niin kauan, että päätettiin jo ennen sen löytymistä alkaa 

valmistamaan seuraavaa prototyyppiä. FET vika löytyi vasta myöhemmin, kun ymmärret-

tiin paremmin jännitteiden suuruuksia ja alettiin epäilemään FET:n kestävyyttä. 

 

5.2 Prototyyppi n. 2 

 

Ensimmäinen prototyyppi hajosi kenttätesteissä ja sen suuri koko koettiin suureksi on-

gelmaksi, joten seuraavasta versiosta päätettiin tehdä pienempi. Suunnittelussa mietit-

tiin myös testien kasvava tarve, joten johtimien liittämiseksi tehtiin helpotuksia. Koon 

pienemisen ajateltiin myös vähentävän häviöitä, mutta johtimien vastus on niin pieni, 

ettei siitä havaittu tässä olevan merkitystä. 

Kapasitiivinen energiakeräin 

Korkeajännitelinja 

Yleimittari 

Säätövastus 

Maapotentiaali 



46 

 

 

Tässä kohtaa tuli myös olennaiseksi varastoida energia kondensaattoriin, josta IoT-laite 

voisi saada tarvitsemansa energian. Seuraavaksi tutustutaan toiseen versioon kapasitii-

visesta energiakeräimestä ja sitten energian hallintaan. 

 

5.2.1 Piirilevyn kalustaminen 

Kuvassa 30 esitetään energiakeräimen toinen prototyyppi kalustettuna. Nyt piirilevyn 

koko on huomattavasti pienempi. Johteiden resistanssiin tällä ei kuitenkaan juuri ole vai-

kutusta, vaikka reititykset ovat nyt lyhyemmät. Tämä versio suunniteltiin testejä varten, 

joten levylle laitettiin liittimet johdinten kiinnittämisen helpottamiseksi. Muuten kom-

ponentit ovat samat kuin ensimmäisessä prototyypissä.  

 

 

Kuva 30 Prototyyppi 2 piirilevy kalustettuna pintaliitoskomponenteilla. 

 

Kuvassa 30 näkyy läpiladotut komponentit ja mittauksia varten tehdyt mittauspisteet. 

Etualalla näkyvät johtoliittimet ovat tarkoitettu keräimen sisään- ja ulostuloiksi. Konden-

saattorin vieressä olevat liittimet taas ovat kerätyn energian ulostulot ja niistä energia 

ohjataan eteenpäin energianhallinta piirille.  

 



47 

 

Toisen prototyypin perään lisättiin energianhallintaelektroniikka. Energianhallinta-

elektroniikaksi päätettiin kokeilla Texas Instrumentin bq25570 koekytkentälevyä. Sitä 

suositellaan erityisesti pienivirtaisten energiakeräinten käyttöön sen pienen kulutuksen 

takia. 

 

Komparaattorin suoritusmittaukset on esitetty kuvissa 31 ja 32. Kuvassa 31 on kompa-

raattorin ohjaussignaalin kesto, joka on noin 14,06 µs ja jännite nousee noin 4,8 V. Ku-

vassa 32 esitetään ohjaussignaalien väli, joka on 10,83 ms. 

 

 

Kuva 31. Komparaattorin ohjaussignaalin kesto ja jännite. 

 



48 

 

 

Kuva 32. Komparaattorin ohjaussignaalien esiintymisväli. 

 

Molempien energiakeräinten komparaattorien toiminta on koottu taulukoon 3. Laske-

malla signaalin jännitettä voidaan signaalin kestoa pidentää, jolloin enemmän virtaa oh-

jautuu energiahallintapiirille. Signaalien väli myös lyheni, eli aikaväli, jolloin energia ei 

siirry ulostuloon. Taulukko 3 osoittaa, että toinen version kapasitiivisesta energiake-

räimestä siirtää useammin ja kauemmin virtaa ulostuloon, kuin ensimmäisen versio. 

 

Taulukko 3. Vertailu komparaattorien toiminnasta. 

 Ensimmäinen versio Toinen versio 

Signaalin jännite (V) 6,5 V 5,8 V 

Signaalin kesto 13,767 us 16,062 us 

Signaalien väli 15,985 ms 10,826 ms 

 



49 

 

5.2.2 Energianhallintapiiri 

Kapasitiivinen energiakeräin varastoi energia superkondensaattoriin, jonka lataus tapah-

tuu kuitenkin hitaasti. Suoraan superkondensaattoriin kytketty laite kuluttaa varausta vä-

littömästi. Tällöin laite ei saa tarvitsemaansa määrää energiaa suorittaakseen mittauksen 

ja lähetyksen. Koska energiakeräimen teho on pieni, tarvitaan energian varastointia, joka 

lataa kondensaattoria enemmän ennen kuin IoT-laite alkaa kuluttaa energiaa. 

 

Tässä työssä käytetään Texas Instrumentin bq25570 akunlatauskoekytkentäpiirilevyä, 

joka on suunniteltu käytettäväksi PMIC-piirinä (Power Management Integrated Circuit). 

Piiri kykenee ottamaan talteen energiaa matalajännitteisistä lähteistä, kuten aurinkoken-

noista, lämpöenergiaa hyödyntävistä termoelektrisistä generaattoreista (TEG) tai pie-

zosähköisistä ilmiöistä (Texas Instruments, 2019).  

 

Kylmäkäynnistysjännitteeksi riittää 600 mV. Sen jälkeen piiri on erittäin pienivirtainen ja 

jatkuva energian keräys alkaa jo 100 mV syöttöjännitteellä. Syöttöjännitteen maksimi ka-

pasiteetti on 5,1 V. Ulostulojännite voidaan säätää 2 V ja 5,5 V välillä (Texas Instruments, 

2019). 

 

Tällä koekytkentälevyllä on mahdollista vastusten arvoja vaihtamalla ohjelmoida ladat-

tavan superkondensaattorin ylijännitesuojaa, ulostulojännitettä ja ulostulon aktivointi-

jännitettä. Näillä säädöillä on tärkeä merkitys, koska näillä voidaan varmistaa konden-

saattorin varaus ennen ulostulon kytkemistä. Ulostulon jännitteen säädöillä voidaan 

taata IoT-laitteille sopiva jännite. Suurin ongelma tällä koekytkentälevyllä on virransyöttö, 

sillä ulostulo pystyy vain 110 mA piikkeihin. Jatkuva virransyöttö on noin 100 mA (Texas 

Instruments, 2019). 

 

Testeissä käytetään pääsääntöisesti 0,47 mF kondensaattoria, jonka jännitteen kestävyys 

on 5,5 V. IoT-laitteena toimii RuuviTag, joka suorittaa mittaukset ja lähetystekniikkana 

toimii Bluetooth. Osassa testeissä ei ole käytetty IoT-laitetta vaan on laskettu konden-

saattorin latautumista. 



50 

 

 

 

Tämä on ongelma, koska osa lähetystekniikoista vaativat huomattavasti enemmän virtaa, 

kuten kappaleessa 4.1 esitettiin. Varsinkin jos lähetystehoa halutaan lisätä niin, että kuu-

luvuus kantaa kilometrejä, voidaan tarvita suurempia virtapiikkejä. Tässä työssä on käy-

tetty Bluetooth-lähetystekniikkaa, jonka kantavuus on kymmeniä metrejä. 

 

 

Kuva 33. Texas Instrumentin BQ25570EVM koekytkentälevy. 

 

5.2.3 Laboratoriotestit 

5.2.3.1 Korkeassa potentiaalissa 20 kV linjassa 

Kapasitiivisen energiakeräimen toinen versio testattiin korkeassa potentiaalissa. Energia-

keräin asetettiin korkeajännitelinjaan galvaanisella yhteydellä. Viereinen jännitelinja oli 

110 cm päässä ja oli maadoitettu. Kokeessa tavoitteena oli selvittää superkondensaatto-

rin latausteho. Kondensaattoriin kerätty energia käytettäisiin IoT-laitteelle. Kuvassa 34 



51 

 

esitetään kondensaattorin latautuminen ajan funktiona. Kondensaattorina toimii 0,047 

F superkondensaattori, joka kestää 5,5 V jännitettä. Elektrodina toimii alumiiniteipistä 

tehty levy, jonka koko on 11 cm x 11 cm. Keräimen energian hallinnassa käytetään Texas 

Instrumentin bq25570 koekytkentälevyä. Koekytkentälevy oli säädetty lataamaan super-

kondensaattori enintään 4,2 V, jottei sen jännitteenkestävyys ylity. Tästä syystä varaus 

tasoittuu 4,2 V paikkeille. 

 

 

Kuva 34. Superkondensaattorin latautuminen korkeassa potentiaalissa 20 kV linjassa 
ajan funktiona. 

 

Kuvan 34 graafista voidaan laskea keskimääräinen tehon muutos kondensaattorin latau-

tumiselle kaavalla 

𝑃𝑡𝑜𝑡 = 𝑃300 − 𝑃0,                 (9) 

jossa 𝑃300 on teho ajan hetkellä 300 s ja 𝑃0 teho ajan hetkellä 0. Teho lasketaan kaavalla 

𝑃 =
𝐸

𝑡
,             (10) 

jossa E on energia ja t on aika sekunteina. Energia saadaan laskettua kaavalla 

𝐸 =
1

2
𝐶𝑈2,              (11) 

jossa C on kapasitanssi ja U on kondensaattorin jännite. Nyt voidaan laskea kondensaat-

torin energia ajan hetkellä 0 ja 300 s. Siitä lasketaan energian muutos 300 sekunnin 

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Jä
n

n
it

e 
(V

)

Aika (s)



52 

 

aikana ja näin saadaan keskimääräinen kondensaattorin latautumisteho. Keskiarvoiseksi 

tehoksi saadaan noin 1,4 mW. 

 

5.2.3.2 Matalassa potentiaalissa 20 kV linjassa 

Keräin testattiin myös matalassa potentiaalissa. Tässä testissä energiakeräin asetettiin 

120 cm suoraan jännitelinjan alle. Kuvassa 35 on kuvattu kondensaattorin latautuminen 

20 kV jännitelinjan alla kapasitiivisella energiakeräimellä. 

 

 

Kuva 35. Superkondensaattorin latautuminen matalassa potentiaalissa 20 kV linjan alla 
ajan funktiona. 

 

Kuten aiemmin myös tästä voidaan laskea keskimääräinen teho, jolla kondensaattori la-

tautuu. Tässä teho on noin 0,08 mW. 

 

Keskimääräinen teho on matalampi matalassa potentiaalissa, koska sähkökenttä on hei-

kompi, kuin korkeassa potentiaalissa. Tämä vaikuttaa suoraan kerättävän energian mää-

rään. Kondensaattori ei latautunut edes täyteen asti 10 minuutin aikana. Oikeassa ym-

päristössä tässä pitäisi vain ottaa huomioon tarpeeksi pitkä latausaika, koska energiaa 

olisi koko ajan tarjolla. 

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

0 100 200 300 400 500 600 700

Jä
n

n
it

e 
(V

)

Aika (s)



53 

 

 

5.2.3.3 Matalassa potentiaalissa 63,5 kV linjassa 

Kuvassa 36 esitetään kondensaattorin latautuminen matalassa potentiaalissa 120 cm 

jännitelinjan alapuolella. Jännite on nostettu 63,5 kV, joka kuvastaa 110 kV pääjännitteen 

vaihejännitettä kolmivaihejärjestelmässä. Kondensaattorin jännite tasoittuu 4,2 V paik-

keille ylijännitteen välttämiseksi. Keskimääräinen teho tässä on 1,8 mW. 

 

 

 

Kuva 36. Kapasitiivinen energiakeräin matalassa potentiaalissa 120 cm 63,5 kV jännite-
linjan alla. 

 

5.2.4 Kenttätestit  

Energiakeräimellä tehtiin kenttätestit 110 kV ja 400 kV jännitelinjojen alla. Etäisyys jän-

nitelinjoihin oli noin 17 metriä ja se mitattiin silmämääräisesti. Elektrodilevy oli nostettu 

n. 250 cm korkeuteen ja energiakeräin oli maadoitettu. Testeissä ei käytetty energianhal-

lintapiiriä, vaan testeissä mitattiin energiakeräimen ulostulon kondensaattorin jännit-

teen muutosta yleismittarilla. 

 

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0 50 100 150 200 250 300 350

Jä
n

n
it

e 
(V

)

Aika (s)



54 

 

Testissä kondensaattorin jännite nousi tasaisesti 0,1 V/min, kun kondensaattorilla ei ollut 

kuormaa.  1,42 V kohdalla kytkettiin vastus, jonka läpi meni 1 mA virta. 13 sekunnin ai-

kana jännite putosi 1,42 V:sta 1,32 V:iin. Vastus irrotettiin ja kondensaattorin jännite 

nousi 1,46 volttiin. Vastus kytkettiin takaisin ja tällä kertaa se vastasi noin 100 mW kulu-

tusta. 10 sekunnin aikana jännite putosi 1,46 V:sta 0,97 V:iin, kun kulutus oli noin 100 

mW. Latautuminen nollasta 1,5 volttiin kesti energiakeräimeltä noin 15 minuuttia. 

 

400 kV jännitelinjan alla etäisyys oli yli 20 metriä ja elektrodi oli samalla tavalla n. 250 

cm korkeudessa. Kondensaattori saatiin pysymään 0,69 V jännitteessä jatkuvalla 0,1 mA 

kulutuksella. Jatkuva tehon kulutus oli näin ollen 69 µW. Elektrodina käytettiin 29,8 mm 

x 21 mm kuparilevyä. 

 

5.3 Kapasitiivinen yhdistelmäenergiakeräin – Energiakeräin ja -hallinta 

samalla piirilevyllä 

5.3.1 Piirilevyn suunnittelu 

Prototyypissä n.3 yhdistettiin kapasitiivinen energiankeräys ja energianhallinta yhdelle 

piirilevylle. Etuna tässä on, ettei energian keräys- ja hallintapiiriä tarvitse enää kytkeä 

toisiinsa, vaan ne ovat jatkuvasti yhdessä. Energianhallintapiiriä voi kuitenkin käyttää il-

man kapasitiivistä keräintä. Piirien välille asennettiin diodi, joka estää virran vuotamisen 

hallintapiiristä keräimen puolelle. Yhdistetyt piirilevyt ovat esitetty kuvissa 37 ja 38. Tätä 

piiriä ei enää valmistettu itse vaan se tilattiin paikalliselta yritykseltä. 

  

Kiinteät vastukset, joilla säädellään energiakeräimen ja energianhallintapiirin toimintaa, 

korvattiin säätövastuksilla. Vastusarvojen muuttaminen helpottui, koska nyt ei tarvitse 

korvata vastuksia uusilla vaan resistanssi muuttuu säätövastuksella. Säätövastuksilla voi-

daan esimerkiksi säätää ulostulojännitettä ja ladattavan kondensaattorin ylijännitettä. 

Säätövastukset näkyvät kuvassa 38 sinisinä palikoina vasemmanpuolisessa piirilevyssä. 

 



55 

 

 

Kuva 37 Yhdistelmä energiakeräin komponentti puolelta. (Ylhäällä: itse tehty; Vasen: 
komponenteilla; Oikea: kalustamatta) 

 

 

Kuva 38 Yhdistelmä energiakeräin säädin ja liitin puolelta. (Ylhäällä: itse tehty; Vasen: 
kalustettu; Oikea: kalustamatta) 

 



56 

 

Kuvassa 39 on esitetty mittausjärjestely yhdistelmäenergiakeräimelle. Vasemmalla on 

yhdistelmäpiiri asennettuna muovikoteloon ja oikealla on kotelon kansi, jonka pinnalle 

kiinnitetty energiankeräyselektrodi. Yhdistelmäkeräin on kytketty laatikon kannessa ole-

vaan elektrodiin ja kotelon ulkopuoliseen liittimeen, johon kytketään maapotentiaali. Pii-

rilevy on osittain peitetty alumiiniteipillä ja tällä on tarkoitus vähentää sähkökentän ai-

heuttamaa häiriötä säätövastuksissa. Energiavarastona toimii 5,5 V maksimissaan nou-

seva 4,7 mF kondensaattori. Ulostuloon on kytketty kaupallinen IoT-laite RuuviTag, joka 

sähköistettiin superkondensaattorilta saatavalla energialla. 

 

Oikealla on kotelon kansi, jonka sisäpuolelle on laitettu alumiiniteippiä. Alumiinikerros 

muodostaa elektrodi levyn, joka viedään sähkökenttään. Elektrodin ja maapotentiaalin 

välinen jännite ohjataan kapasitiivisen energiakeräimen läpi. Kotelon koko on 222 x 146 

x 75 mm. Alumiiniteipillä vuoratun kannen sisäpinnan pituus on 211,88 mm ja leveys 

165,88 mm ja korkeus 32 mm. Koko sisäpinta on peitetty alumiinilla. Elektrodi on kyt-

ketty johtimella yhdistelmäenergiakeräimeen. 



57 

 

 

a)      b) 

Kuva 39. Yhdistelmäenergiakeräimen toteutus testeissä. a) Yhdistelmäenergiakeräin ko-
telossa häiriösuojattuna ja kytkettynä RuuviTagiin. b) Alumiinikerros kannen 
sisäpinnalla. 

 

5.3.2 Laboratoriotestit 

Laboratoriotestit suoritettiin samalla tavalla kuten aiemmin. Keräin asetettiin sekä kor-

keaan potentiaaliin että matalaan potentiaaliin. Lisäksi tälle rakennettiin sähkönsiirtolin-

jaa jäljittelevä rakennelma, jonka tarkoituksena oli saada tietoa, keräimen toiminnasta 

oikeassa ympäristössään. 

 

Kuvassa 40 esitetään 47 mF superkondensaattorin latautuminen korkeassa potentiaa-

lissa. Kokeessa kaksi alumiiniputkea oli vierekkäin 110 cm päässä toisistaan. Toiseen put-

keen johdettiin 20 kV ja toinen oli maadoitettu. Keräin oli kiinnitetty jännitteiseen 



58 

 

putkeen. Kondensaattorin jännite tasoittuu 4,4 V tasolle. Tällä ehkäistään kondensaatto-

rin ylijännite. Superkondensaattorin keskimääräinen latautumisteho on noin 2,3 mW. 

 

 

Kuva 40. Latautuminen korkeajännitepotentiaalissa 20 kV jännitelinjassa. 

 

Kuvassa 41 esitetään kondensaattorin latautuminen matalassa potentiaalissa 20 kV lin-

jan alla 120 cm etäisyydellä linjasta. Kuvassa jännite nousee todella hitaasti ja keskimää-

räinen latautumisteho on noin 0,7mW. Oikeassa korkeajännitelinjassa tämä ei haittaa, 

koska energiaa on koko ajan saatavilla. Tällöin ainoastaan kondensaattorin latautumis-

aika ja tiedonlähetysväli ovat pidempiä. 

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0 50 100 150 200 250 300

Jä
n

n
it

e 
(V

)

Aika (s)



59 

 

 

Kuva 41. Kondensaattorin latautumien matalassa potentiaalissa 20 kV linjan alla 120 cm 
etäisyydellä linjasta. 

 

Kuvassa 42 esitetään kondensaattorin latautuminen matalassa potentiaalissa, kun ener-

giakeräin on 120 cm jännitelinjan alla, kun jännite on 63,5 kV. Kuvaajasta nähdään, 

kuinka nopeasti energiakeräin varaa energiaa kondensaattoriin. Kuvaajasta laskettu teho 

on noin 2,1 mW. 

 

 

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 100 200 300 400 500 600

Jä
n

n
it

e 
(V

)

Aika (s)



60 

 

 

 

Kuva 42. Kondensaattorin latautuminen matalassa potentiaalissa 63,5 kV linjan alla 120 
cm. 

 

5.3.3 Kenttätesti Vaasan Sähköverkon sähköasemalla 

Yhdistelmäkeräintä testattiin yhteistyössä Vaasan Sähköverkon kanssa Gerbyn sähköase-

malla. Energiakeräin kiinnitettiin maadoitettuun tolppaan, jonka yläpuolella oli 110 kV 

linja. Keräimen ja linjan välinen etäisyys oli noin 2 m. Energiakeräin asetettiin n. 20° kul-

maan, jotta keräimen elektrodilevy olisi samassa asennossa kuin laboratoriotesteissä. 

Heikkoutena oli se, että pylväs jatkui ylemmäs ja oli maadoitettu koko korkeudelta. Näin 

ollen sähkökentän voidaan olettaa olevan huomattavasti heikompi kuin laboratoriossa. 

 

Koejärjestelyissä noin 10 m päähän asennettiin tietojen tallentamiseen Raspberry Pi pie-

noistietokone verkkovirtaan. Raspberry Pi tietokone vastaanotti IoT-laitteen lähettämät 

tiedot Bluetooth yhteyden kautta. Kuvassa 43 esitetään kerätyt tiedot mittauspisteen 

numeron mukaan. Koodissa oli virhe, jonka takia tuloksia ei saatu ajan funktiona. Rasp-

berry Pi tietokone kärsi myös ajoittaisista sähkökatkoista, joiden takia ei voida olla var-

moja, että kaikki Ruuvitagin data lähetykset saatiin tallennettua. Kuvassa 43 on kuitenkin 

nähtävillä, että ensimmäisessä mittauspisteessä Ruuvitagin käyttöjännite on noin 3,3 V. 

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0 50 100 150 200 250

Jä
n

n
it

e 
(V

)

Aika (s)



61 

 

Mittauspisteiden jatkuessa käyttöjännite laskee alimmillaan noin 2,7 V tienoille. Tällöin 

energiahallinta piiri on sulkenut ulostulon ja alkanut taas lataamaan kondensaattoria. 

Kohdassa, jossa jännite nousee takaisin 3,3 V paikkeille on kulunut jonkin verran aikaa 

mutta lähetys onnistuu taas toistaiseksi ennen kuin katkeaa. 

 

 

Kuva 43. Raspberry Pi 3-pienoistietokoneen keräämä ja tallentama data RuuviTagin lä-
hetyksistä. Harmaaviiva (1) on lämpötila (℃), ruskeaviiva (2) on ilmanpaine 
(hPa), sininen viiva (3) on Ruuvitagin käyttöjännite (mV), ja keltainen viiva (4) 
on ilmankosteus (%). X-akseli on mittauspisteen numero. 

 

Tulos ei ole paras mahdollinen mutta se osoittaa, että tällä menetelmällä on mahdollista 

varata kondensaattoria kapasitiivisesti matalassa potentiaalissa sähköasemalta. Lisää 

tutkimuksia ja kehitystä kuitenkin vaaditaan. Lisäksi vastaanotin pitäisi olla varmatoimi-

sempi kuin tässä tapauksessa oli.  

2 

1 

4 

3 



62 

 

6 Simulointi 

Prototyyppien valmistamisen jälkeen suoritettiin tietokonesimulointi kapasitiivisen ener-

giakeräimen toiminnasta. Simuloinnilla pyrittiin tarkastelemaan tarkemmin piirilevyn 

toimivuutta, ilman haastavia mittauksia. Tämän simuloinnin tarkoituksena oli myös opti-

moida keräimen toimintaa säätämällä komponentteja niin, että saataisiin keräysteho 

mahdollisimman isoksi. Simuloinnin aikana kuitenkin todettiin, että kokeellisesti saatiin 

parempia tuloksia ja yhdistelmäkeräimen säätövastuksilla oli helppo ohjelmoida piirin 

toimintaa.  

 

6.1 Tietokonesimulointi 

Tietokonesimulointiohjelmana käytetään LTspice-ohjelmistoa, joka on SPICE-pohjainen 

(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) piirien simulointityökalu. Simu-

loitava piiri tehtiin kuvassa 23 esitetyn piirikaavion pohjalta. Valitettavasti ohjelmiston 

kirjastosta ei löytynyt kaikkia komponentteja, joten osa jouduttiin korvaamaan vastaa-

villa. Tästä huolimatta simuloinnin pitäisi antaa lähes todellinen kuva keräimen toimin-

nasta ja sen keräämän energian määrästä.  

 

Simuloinnissa testataan ensin komparaattorin toiminta. Tällä saadaan käsitys, millä aika 

välillä MOSFET aukeaa ja keräimen kondensaattori latautuu. Simuloinnilla testattiin myös 

keräimen tehoa jännitelinjassa. Simuloinnissa käytetään 20 kV, 100 kV, 110 kV ja 400 kV 

jännitteitä, jotka ovat yleisimpiä keski- ja suurjännitteitä Suomessa. Laboratoriotesteissä 

testeissä käytettiin pääosin 20 kV ja 110 kV jännitteitä. 

 

Simulointi oli hyvin epävakaata ja ohjelman laskentateho loppui useita kertoja kesken 

kaiken. Ensisijaisesti tämä johtui komparaattorin tarkkuudesta ja sen ulostulossa olevan 

MOSFET:n epätarkkuudesta. Näiden kahden välinen laskukaava kaatuili ja välillä ilman 

muutoksia simuloi todella pitkälle. Tulokset on kerätty onnistuneista simuloinneista. 

 



63 

 

6.1.1 Komparaattorin toiminnan mallintaminen 

Kuvassa 44 esitetään komparaattorin testauspiirikaavio. Piirissä jännitelähde V1 syöttää 

komparaattorille 5 V jännitettä. Tulos otetaan komparaattorin ulostulo signaalista, joka 

ohjaa MOSFET:n toimintaa. Tämän avulla voidaan päätellä energiakeräimen varastoiman 

energian määrää ulostulonkondensaattoriin. Tulokset on esitetty kuvassa 45. 

 

 

Kuva 44. Komparaattorin toiminnan simulointipiirikaavio. Jännitelähde on kytketty kom-
paraattorin käyttöjännitteeseen, jännite on 5 V. 

 

Komparaattorin toiminnan simuloinnissa käytettiin transient-analyysia, jolla analysoi-

daan jännitteen ja virran muutoksia ajan funktiona. Transient-analyysi on tässä piirissä 

erittäin hyödyllinen, koska piiri sisältää epälineaarisia komponentteja, kuten diodeja 

(Mikkelsen, 2005). 

 



64 

 

Kuvassa 45 esitetään komparaattorin ulostulon signaali, jolla ohjataan MOSFET:n toimin-

taa. Kuten kuvasta 45 nähdään, simulointi toimii ja ohjaussignaali on säännöllistä ja suu-

ruudeltaan syötteen verran eli 5 V. Todellisuudessa nämä ajat saattavat olla erilaisia riip-

puen komponenttien arvojen tarkkuudesta. Näillä tuloksilla voidaan kuitenkin tehdä ole-

tuksia komparaattorin ja piirin toiminnasta. 

 

 

Kuva 45. Komparaattorin ulostulosignaali. 

 

Kuvassa 46 esitetään tarkemmin kahden peräkkäisen ulostulosignaalin välinen aika. LTs-

pice-ohjelmalla pystyy analysoimaan tuloksia kursoreiden avulla. Kuten kuvasta 46 näh-

dään, on kahden ulostulosignaalin välinen aika noin 9,8 ms. LTspice-ohjelmiston analy-

sointi työkalu laskee myös ulostulosignaalien taajuuden, joka on noin 102 Hz. 

 

Signaali katkaisee virran kulun ja kondensaattorin latautuminen perustuu kelan kuljetta-

maan virtaan. On tärkeää, että MOSFET johtaa virtaa tarpeeksi kauan, jotta kela pyrkii 



65 

 

jatkamaan virran kulkua. Kun MOSFET reitti on poikki, virta kulkee diodin läpi keräimen 

kondensaattoriin.   

 

 

Kuva 46. Komparaattorien ulostulo signaalien väli on 9,8 ms. 

 

Kuvassa 47 esitetään komparaattorin yhden ulostulosignaalin kesto ja jännite. Ulostulo-

signaalin pituus on noin 5,5 µs ja jännite on noin 4,9 V. Jännite riittää sulkemaan MOS-

FET:n johtavuuden. Signaalin ajan virta ohjautuu kelan ja diodin kautta kondensaattoriin. 

 

Seuraavaksi poistetaan komparaattorin käyttöjännitteen jännitelähde ja kytketään koko 

piirin sisääntuloksi jännitelinjan kapasitanssi. Simuloinnit suoritetaan 20 kV, 33 kV, 100 

kV, 110 kV ja 400 kV jännitteillä.  

 

 



66 

 

 

Kuva 47.  Komparaattorin signaalin pituus ja korkeus. pituus 5,47 µs ja korkeus on 4,9 V. 

 

6.1.2 Energiakeräimen ulostulojännite 20 kV siirtolinjassa 

Testeissä jännitelähteenä toimii jännitelinjan toimintaa kuvaava jännitelähde, josta on 

säädetty sinimuotoinen jännite. Kuvassa 48 esitetään simuloinneissa käytetty piiri, joka 

vastaa piirikaaviota. Erona kuvan 44 piirikaavioon komparaattorin jännitelähde on siir-

retty kuvaamaan jännitelinjaa ja keräin on matalassa potentiaalissa kuvitteellisen 5 pF 

kondensaattorin perässä. Koska kapasitiivinen energiakeräin kiinnitetään testeissä yh-

den johtimen linjaan tai sen alle, käytetään yhtä vaihejännitettä, joka lasketaan kaavalla 

û =
𝑈

√3
,              (12) 

jossa û on vaihejännite ja U on pääjännite. 20 kV tapauksessa vaihejännite on noin 11,5 

kV. Huippuarvo tästä saadaan laskemalla rms arvo, joka lasketaan kaavalla 

𝑈𝑟𝑚𝑠 = û ∗ √2.             (13) 

Huippuarvo on noin 16,33 kV. 

 



67 

 

 

Kuva 48. Kapasitiivinen energiakeräimen simuloinnissa käytetty piiri ja arvot 20 kV:n lin-
jassa. 

 

20 kV jännitteellä ei testissä saatu kerättyä simuloinnilla kondensaattoriin yhtään ener-

giaa. Syynä tähän oli komparaattorin käynnistymisjännite, joka ei ylittynyt simuloidun 

kahden sekunnin aikana. Seuraavaksi nostetaan jännitettä 33 kV:iin, jotta saadaan tulok-

sia. 

 

6.1.3 Energiakeräimen ulostulojännite 33 kV siirtolinjassa 

Koska 20 kV jännitteellä ei saatu mitattua tuloksia nostetaan jännitettä hiukan, jotta voi-

daan varmistua, ettei piirissä ole itsessään vikaa. 33 kV:n vaihejännite on noin 19 kV ja 

vaihejännitteen huippuarvo on noin 26,9 kV. Kuvassa 49 esitetään kondensaattorin la-

tautuminen ajan funktiona. Teho latautumisen aikana on noin 10,2 µW.  



68 

 

 

 

Kuva 49. Kapasitiivisen energiakeräimen ulostulo kondensaattorin varautuminen ajan 
funktiona 33 kV jännitteellä. Teho on noin 10,2 µW. 

 

6.1.4 Energiakeräimen ulostulojännite 100 kV siirtolinjassa 

100 kV jännitteellä kapasitiivisen energiakeräimen kondensaattorin latautuminen on esi-

tetty kuvassa 50 ajan funktiona. Simulaatio kesti yhden sekunnin. 100 kV vaihejännite on 

noin 57,7 kV, jonka huippuarvo taas on noin 81,7 kV. Simulointituloksen perusteella kon-

densaattorin latautumisteho on noin 8 µW. 



69 

 

 

 

Kuva 50. Kapasitiivisen energiakeräimen ulostulo kondensaattorin varautuminen ajan 
funktiona 100 kV jännitteellä. Teho on noin 8 µW. 

 

6.1.5 Energiakeräimen ulostulojännite 110 kV siirtolinjassa 

110 kV vaihejännite on noin 63,5 kV, jonka huippuarvo on noin 89,8 kV. Kuvassa 51 on 

esitetty kondensaattorin varautuminen ajan funktiona. Simulaatio kesti vain 315 ms. Jos-

tain syystä simulaatio ei pystynyt laskemaan enempää arvoja, mutta tälläkin tuloksella 

saatiin todistettua, että energiaa saadaan kerättyä. Teho on noin 13,2 µW. 



70 

 

 

 

Kuva 51. Kapasitiivisen energiakeräimen ulostulo kondensaattorin varautuminen ajan 
funktiona 110 kV jännitteellä. Simulointi kesti vain 280 ms. Teho on noin 13,2 
µW. 

 

6.1.6 Energiakeräimen ulostulojännite 400 kV siirtolinjassa 

Suurimpien siirtoverkkojen jännite on Suomessa 400 kV. Viimeinen simulointi tehtiin ko-

keilumielessä 400 kV jännitteelle. Vaihejännite on noin 231 kV ja sen huippuarvo noin 

327 kV. Kuvassa 52 esitetään kondensaattorin latautuminen ajan funktiona. Simuloinnilla 

oli taas vaikeuksia saada laskettua tarpeeksi pitkälle, joten mittaus jäi vain 150 ms. Teho 

kondensaattorin latautuessa on noin 11,0 µW. 



71 

 

 

 

Kuva 52. Kapasitiivisen energiakeräimen ulostulo kondensaattorin varautuminen ajan 
funktiona 400 kV jännitteellä. Simulointi kesti vain 150 ms. Teho on noin 11,0 
µW. 

 

6.1.7 Yhteenveto simuloinneista 

Simuloinnissa oli paljon ongelmia piirin monimutkaisuuden takia. Vaikka LTspice on ylei-

sesti käytetty simulointiohjelmisto piirilevyille, on sillä selkeästi haasteita valmistajien 

mallintamien komponenttien kanssa. Tässä simulaatiossa komparaattorin ja MOSFET:n 

sopimattomuus toisiinsa aiheutti monia kaatumisia. Lopulta saatiin kuitenkin tuloksia ja 

niiden mukaan energian kerääminen on mahdollista. Tulokset simuloinneista esitetään 

taulukossa 4. Simulointi ei täysin vastaa odotuksia, mutta se johtunee simulaatioiden 

kestojen vaihtelusta. Simulointi kuitenkin osoittaa, että energian kerääminen sähköken-

tästä on mahdollista. 

 



72 

 

Taulukko 4. Simuloinneista saadut tulokset ja simuloinnin kesto. 

 20 kV 33 kV 100 kV 110 kV 400 kV 

Teho (µW) 0 10,2 8 13,2 11,0 

Simulaation 

kesto (s) 

2 1 1 0,280 0,150 

 

 

6.2 Kokeelliset tutkimukset 

Kokeellisessa tutkimuksessa lähdettiin tekemään prototyyppiä piirikaavion pohjalta. 

Komponenttien arvoja päätettiin vaihdella, jotta voidaan kokeilla niiden vaikutusta kapa-

sitiivisen energiakeräimen kondensaattorin lataustehoon. Komparaattoria ei lähdetty 

vaihtamaan eikä kondensaattoreita tai kelaa, vaikka tehokkaampia tai parempia olisi 

mahdollisesti ollut saatavilla. 

 

Uusien komponentti arvojen muutokset määrittivät suurimmilta osin käytettävissä ole-

vat komponentit. Vaikka keräintä varten tilattiin monia lähes identtisiä komponentteja, 

oli joidenkin valmistus jo lopetettu, joten ne oli korvattava lähes vastaavilla. Komponent-

tien kokoon kiinnitettiin huomiota, jotta ne olisivat vaihdettavissa itse myöhemmin. 

 

Kokeellisia tutkimuksia tehtiin kaikilla prototyypeillä ja niiden kehitystä jatkettiin mit-

tausten salliessa. Simuloinnista ei todettu olevan hyötyä lataustehon optimoinnissa. Pro-

totyyppien mittauksista kerrottiin luvussa 5. 

 



73 

 

7 Yhteenveto 

Tässä työssä tutkittiin Vaasan yliopistossa valmistettua kapasitiivista energiakeräintä, 

joka on tarkoitus viedä voimakkaaseen sähkökenttään, josta se kerää energian IoT-lait-

teelle. Ensimmäiseksi valmistettiin kolme prototyyppiä energiakeräimistä. Ensimmäisellä 

prototyypillä todettiin vain keräimen toiminta. Toista prototyyppiä käytettiin mittausten 

tekemiseen ja sillä selvitettiin piirilevyn toimintaa tarkemmin. Se oli myös ensimmäinen 

keräin johon liitettiin energianhallintaa. Energianhallinnalla varmistettiin IoT-laitteen 

vaatiman jännitteen ja virran saanti. Kolmannessa ja viimeisessä prototyypissä yhdistet-

tiin energiankeräin ja energianhallinta samalle piirilevylle. Myös monet kiinteät vastuk-

set korvattiin säätövastuksilla, jotta eri vastusarvojen testaus helpottui. Prototyyppien 

jälkeen kapasitiivinen energiakeräin simuloitiin LTspice-ohjelmistoa käyttäen. Simuloin-

nilla saatiin parempi kuva piirin toiminnasta ilman haastavia mittauksia. Energiakeräimen 

optimointi toteutettiin kuitenkin kokeellisesti.  

 

Kapasitiivisen energiakeräimen komparaattorista löytyi valmistajan tekemä mallinnus 

LTspiceen. Komparaattorin toiminnasta saatiin näin simuloimalla todella tarkka ja hyvä 

toimintaperiaate. Sama mittaus oli tehty itse valmistetuilla piirilevyillä samalla menetel-

mällä. Alun perin tarkoitus oli simulaatiolla vain todeta piirin toiminta. Kokeiden onnis-

tuminen mahdollisti komparaattoreiden vertailun. Tuloksen perusteella oikeat piirilevyt 

ovat erittäin toimivia simuloituun verrattuna. Simuloidun komparaattorin ulostulosig-

naali on hyvin lyhyt verrattuna prototyyppeihin. Näin ollen ulostulon kondensaattori la-

tautuu hieman hitaammin, koska sinne ei ohjaudu niin paljon energiaa. Toisaalta taas 

signaalien väli on lyhyempi, jolloin latautumista tapahtuu useammin. 

 

Varsinaisten kokeiden vertailu osoittaa, että korkeassa potentiaalissa on mahdollista ke-

rätä huomattavasti enemmän tehoa kuin matalassa potentiaalissa. Testeissä matalassa 

potentiaalissa tehot olivat noin 0,5 ja 1,0 mW luokkaa, kun taas korkeassa potentiaalissa 

päästiin jopa 2,3 mW. Jännitteen suuruus vaikuttaa huomattavasti energiakeräimen te-

hoon. 

 



74 

 

Kun työn tuloksia verrataan muiden tekemiin tutkimuksiin, voidaan havaita, että ne oli-

vat saman suuntaisia muiden saamine tulosten kanssa. Tässä työssä tutkitut kapasitiivi-

set energiakeräimet keräsivät noin 1-2 mW teholla energiaa. Osa muiden energiakeräi-

mistä saavutti suurempia tehoja korkeamman jännitteen ja suuremman elektrodilevyn 

ansiosta. Muiden kapasitiivisten energiakeräinten tuloksia tarkasteltiin luvussa 3. 

 

Kapasitiivisia energiakeräimiä on tutkittu aika vähän, vaikka niillä on paljon potentiaalia 

sähköverkkojen automaattisessa valvonnassa. Tällä hetkellä monet valvonta laitteet vaa-

tivat joko paristoja tai kytkemistä sähköverkkoon. Tällä menetelmällä varsinkin pieniku-

lutukselliset laitteet voisivat luopua kokonaan paristoista. Tämä antaisi uusia mahdolli-

suuksia esimerkiksi siirtolinjojen kunnonvalvontaan, kun mittalaitetta ei tarvitsisi ikinä 

huoltaa pariston vaihtamiseksi. Tulokset osoittavat, että riittävän harvalla lähetysvälillä 

olisi jo mahdollista toteuttaa joitain mittauksia. Lisää tutkimista kuitenkin vaaditaan, 

jotta toiminta saadaan varmemmaksi ja teho suuremmiksi.  

 

Vaasan yliopistossa on jatkettu tutkimusta kapasitiivisesta enrgiakeräimestä Interreg Au-

rora -rahoitteisessa HE4T-hankkeessa. Tutkimuksen kohteena on ollut jännitteen ja elekt-

rodilevyn koon vaikutusta energiakeräimen tehoon. Keräimen kokoa on pyritty pienen-

tämään. Työstä ovat olleet kiinnostuneita monet sähköverkkoyhtiöt. Tässä menetel-

mässä on vielä paljon potentiaalia. 



75 

 

Lähteet 

Energiavirasto. (2025). Verkkotoiminnan luvanvaraisuus. Noudettu 6.6.2025 osoitteesta 

https://energiavirasto.fi/verkkotoiminnan-luvanvaraisuus 

Faizan, A. (2018, 18. maaliskuuta). Magnetism and Electromagnetic Devices. Noudettu 

5.6.2025 osoitteesta https://electricala2z.com/renewable-energy/magnetism-

electromagnetic-devices/ 

Fingrid. Fingridin sähkönsiirtoverkko. (2024). Noudettu 9.6.2024 osoitteesta 

https://www.fingrid.fi/kantaverkko/kehittaminen/fingridin-sahkonsiirtoverkko/ 

Sähkömarkkinalaki 588/2013. Finlex. Noudettu 23.5.2023 osoitteesta https://www.fin-

lex.fi/fi/lainsaadanto/2013/588 

Gupta, V., Kandhalu, A., & Rajkumar, R. (2010 28. kesäkuuta). Energy Harvesting from 

Electromagnetic Energy Radiating from AC Power Lines. HotEmNets '10: Proceed-

ings of the 6th Workshop on Hot Topics in Embedded Networked Sensors Article 

No.: 17, Pages 1 – 6 https://doi.org/10.1145/1978642.1978664 

Kang, S., Kim, J., Yang, S., Yun, T., & Kim, H. (2017). Electric field energy harvesting under 

actual three-phase 765 kV power transmission lines for wireless sensor node. Elec-

tronics Letters, 53(16), 1135-1136. https://doi.org/10.1049/el.2017.1794 

Kang, S., Yang, S., & Kim, H. (2017). Non-intrusive voltage measurement of ac power lines 

for smart grid system based on electric field energy harvesting. Electronics Letters, 

53(3), 181–183. https://doi.org/10.1049/EL.2016.3935 

Kazeem, O. O., Akintade, O. O., & Kehinde, L. O. (2017). Comparative Study of Commu-

nication Interfaces for Sensors and Actuators in the Cloud of Internet of Things. In-

ternational Journal of Internet of Things, 6(1), 9–13. 

https://doi.org/10.5923/J.IJIT.20170601.02 

Li, Z., Mei, H., & Wang, L. (2019). A Power Supply Technology for a Low-Power Online 

Monitoring Sensor Based on Electric Field Induction. Sensors (Basel, Switzerland), 

19(9). https://doi.org/10.3390/S19092169 

Mahmoud, M. S., & Mohamad, A. A. H. (2016). A Study of Efficient Power Consumption 

Wireless Communication Techniques/ Modules for Internet of Things (IoT) 

https://dl.acm.org/doi/proceedings/10.1145/1978642
https://dl.acm.org/doi/proceedings/10.1145/1978642


76 

 

Applications. Advances in Internet of Things, 6, 19–29. 

https://doi.org/10.4236/ait.2016.62002 

Mikkelsen, J. H. E. E. (2005, 12. lokakuuta). LTspice-An Introduction. Noudettu 3.4.2025 

osoitteesta http://kom.aau.dk/∼hmi/Teaching/LTspice/ 

Moghe, R., Iyer, A., Lambert, F. C., & Divan, D. (2015). A Low-Cost Electric Field Energy 

Harvester for an MV/HV Asset-Monitoring Smart Sensor. IEEE Transactions on In-

dustry Applications, 51(2), 1828–1836. https://doi.org/10.1109/TIA.2014.2354741 

Najafi S, Ali A, Sozer Y, & De Abreu-Garcia A. (2018). Energy Harvesting from Overhead 

Transmission Line Magnetic fields. 2018 IEEE Energy Conversion Congress and Ex-

position (ECCE). https://doi.org/10.1109/ECCE.2018.8558356 

Puranen, L. (2017). Voimajohtojen sähkökentät. Säteilyturvakeskus. Noudettu 7.2.2025 

osoitteesta https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-309-375-1 

Puranen, L. (2023, 12.tammikuuta). Väestön altistus sähkön jakeluverkon sähkö-ja mag-

neettikentille. Säteilyturvakeskus. Noudettu 7.2.2025 osoitteesta 

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-309-555-7 

R. Nave, H. (2025, 5. kesäkuuta). Physical Connections to Electric Permittivity and Mag-

netic Permeability. Noudettu 7.2.2025 osoitteesta http://hyperphysics.phy-

astr.gsu.edu/hbase/electric/elefie.html 

Ruuvi Innovations Oy. (2023). RuuviTag Technical Specifications. Noudettu 18.6.2025 

osoitteesta https://ruuvi.com/i/u/ruuvitag-tech-spec-2023-04.pdf 

Sähkönsiirto ja -jakelu. Säteilyturvakeskus. Noudettu 23.52023 osoitteesta 

https://www.stuk.fi/aiheet/sahkonsiirto-ja-voimajohdot/sahkonsiirto-ja-jakelu 

ScienceFacts.net. (2023, 17. helmikuuta). Electric Field. Noudettu 5.6.2025 osoitteesta 

https://www.sciencefacts.net/electric-field.html 

Suojanen, M., Vehmaskoski, J., Korpinen, L., & Teknillinen Korkeakoulu, T. (2000, 28. hel-

mikuuta). Sähkökenttien vaimentaminen kasvillisuuden avulla 400 kV:n voimansiir-

tojohtojen alla. Noudettu 7.2.2025 osoitteesta http://www.leenakorpinen.fi/ar-

chive/opukset/sahkokenttien_vaimentaminen_1.pdf 

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-309-375-1
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-309-555-7


77 

 

Texas Instruments. (2019). bq25570 nano power boost charger and buck converter for 

energy harvester powered applications. Noudettu 18.6.2025 osoitteesta 

https://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq25570.pdf 

Vähämäki, O., Talvitie, T., Rautiainen, K., & Toivonen, L. (2003, 11. marraskuuta). Power 

supply arrangement (US6646859B2·2003-11-11). Espacenet. https://world-

wide.espacenet.com/patent/search/family/008558072/publica-

tion/US6646859B2?q=pn%3DUS6646859B2 

Yang, F., Du, L., Yu, H., & Huang, P. (2020, 9. maaliskuuta). Magnetic and Electric Energy 

Harvesting Technologies in Power Grids: A Review. Sensors 2020, Vol. 20, Page 1496, 

20(5), 1496. https://doi.org/10.3390/S20051496 

Ylinen, J. (2025, 5. kesäkuuta). Sähkökenttä. Peda.Net. Noudettu 5.6.2025 osoitteesta 

https://peda.net/p/janne.ylinen/opetus/fysiikka/fys-3-

s%C3%A4hk%C3%B6/s%C3%A4hk%C3%B6statiikka/10-

s%C3%A4hk%C3%B6kentt%C3%A4 

Young, H. D., & Freedman, R. A. (2020). University Physics with Modern Physics in SI Units. 

Pearson Education Canada. Noudettu 3.10.2023 osoitteesta https://bookshelf.vital-

source.com/reader/books/9781292314815/pageid/14 

Zhao, X., Keutel, T., Baldauf, M., & Kanoun, O. (2012, 10. toukokuuta). Energy harvesting 

for overhead power line monitoring. International Multi-Conference on Systems, 

Signals and Devices, SSD 2012 - Summary Proceedings. 

https://doi.org/10.1109/SSD.2012.6198106 

  


	1 Johdanto
	2 Sähkömagnetismi
	2.1 Sähkökenttä
	2.2 Magneettikenttä
	2.3 Sähkökenttä korkeajännitelinjan ympäristössä
	2.4 Kapasitanssi
	2.5 Sähkönsiirto
	2.5.1 Vaihtovirta sähkönsiirtoverkossa
	2.5.2 Suurjänniteverkko


	3 Energian kerääminen suurjännitejohdoista
	4 Tehtävän asettelu
	4.1 Tiedonsiirto menetelmät
	4.2 IoT-laite RuuviTag
	4.3 Vastaanotin

	5 Kapasitiivinen energiakeräin
	5.1 Prototyyppi n. 1
	5.1.1 Piirilevyn suunnittelu ja valmistus
	5.1.2 Piirilevyn kalustaminen
	5.1.3 Laboratoriotestit
	5.1.4 Kenttätesti

	5.2 Prototyyppi n. 2
	5.2.1 Piirilevyn kalustaminen
	5.2.2 Energianhallintapiiri
	5.2.3 Laboratoriotestit
	5.2.3.1 Korkeassa potentiaalissa 20 kV linjassa
	5.2.3.2 Matalassa potentiaalissa 20 kV linjassa
	5.2.3.3 Matalassa potentiaalissa 63,5 kV linjassa

	5.2.4 Kenttätestit

	5.3 Kapasitiivinen yhdistelmäenergiakeräin – Energiakeräin ja -hallinta samalla piirilevyllä
	5.3.1 Piirilevyn suunnittelu
	5.3.2 Laboratoriotestit
	5.3.3 Kenttätesti Vaasan Sähköverkon sähköasemalla


	6 Simulointi
	6.1 Tietokonesimulointi
	6.1.1 Komparaattorin toiminnan mallintaminen
	6.1.2 Energiakeräimen ulostulojännite 20 kV siirtolinjassa
	6.1.3 Energiakeräimen ulostulojännite 33 kV siirtolinjassa
	6.1.4 Energiakeräimen ulostulojännite 100 kV siirtolinjassa
	6.1.5 Energiakeräimen ulostulojännite 110 kV siirtolinjassa
	6.1.6 Energiakeräimen ulostulojännite 400 kV siirtolinjassa
	6.1.7 Yhteenveto simuloinneista

	6.2 Kokeelliset tutkimukset

	7 Yhteenveto
	Lähteet