ConiuGo Gesellschaft für Telekommunikation mbH 16540 Hohen
Werbung
ConiuGo Gesellschaft für Telekommunikation mbH 16540 Hohen Neuendorf Untersuchung von Systemkomponenten zur Entwicklung eines energieautarken Kommunikationscontrollers für Funksensoranwendungen Projekt TECoSens (Thermo Electric Communication module for Sensors) Abschlussbericht über ein Forschungs- und Entwicklungsprojekt gefördert unter dem Aktenzeichen29396-24/0 von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt von Dr.-Ing. Ulrich Pilz Juni 2013 Seite 1 von 40 06/02 Projektkennblatt der Deutschen Bundesstiftung Umwelt Az 29396 Antragstitel Stichworte 24 Referat Fördersumme 70.000 TECoSens Untersuchung von Systemkomponenten zur Entwicklung eines energieautarken Kommunikationscontrollers für Funksensoranwendungen Energy- Harvesting, Kommunikation, Funksensor Laufzeit Projektbeginn Projektende Projektphase(n) 15 Monate 24.11.2011 30.4.2013 1 Zwischenberichte 2 Bewilligungsempfänger ConiuGo Gesellschaft für Telekommunikation mbH Berliner Straße 4a 16540 Hohen Neuendorf Tel 03303 409639 Fax 03303 409691 Projektleitung Dr.- Ing. Ulrich Pilz Bearbeiter Kooperationspartner Zielsetzung und Anlaß des Vorhabens Im Rahmen von TECoSens wird ein Energie-autonom arbeitender, energiesparender, aber dennoch sehr leistungsfähiger Kommunikationscontroller für die Funk Datenübertragung entwickelt. Das System soll sowohl für den Einsatz in Gebäuden wie auch für die Verwendung in freier Natur verwendbar sein. Energieverbrauch und Energiegewinnung aus der Umgebung (Energy- Harvesting) sind so aufeinander abgestimmt, dass TECoSens wartungsfrei ist und keine externen Energiequellen oder zu wechselnde Batterien bzw. Akkus benötigt. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden Die Arbeitsschritte beinhalten Forschung zu technischen Teilaspekten, weil zahlreiche Basistechnologien zwar grundsätzlich vorhanden sind, in der konkreten Ausgestaltung für ein anwendungsreifes System aber noch vollkommen offen sind. Zu klären sind unter anderem Art und Dimensionierung von elektrischen und thermischen Energiespeichern (Akkus, Superkondensatoren bzw. anorganischen oder organischen Enthalpiespeichern) sowie optimierte Betriebsalgorithmen, leistungsfähige Mikrocontroller und Daten- Funkbaugruppen. Die von dem Thermoelektrischen Modul gelieferten Spannungen betragen oft nur wenige Millivolt. Um dies an Spannungslevel von 1,8 – 3,3 Volt anzupassen, sind Ladungspumpen mit geringen Verlusten und Gleichrichter mit Dioden-Schwellspannungen im Bereich weniger Millivolt notwendig. Ergänzend zu Thermoelektrischen Modulen wird Energie auch als Wärme in einem Enthalpiespeicher gesammelt. Um verbrauchsseitig die geringen Energien bestmöglich zu nutzen, werden Energiesparalgorithmen entwickelt und in einem Versuchssystem getestet und optimiert. Dazu gehört auch der Betrieb außerhalb von Gebäuden, da das System auch in der freien Natur funktionieren soll. Unter Verzicht auf ein klassisches Betriebssystem (zu energiehungrig) wird der Controller seine Algorithmen in Abhängigkeit von der Umgebung oder von Jahreszeiten variieren; denn es gibt kein Systemverhalten, das immer und überall das Richtige ist. Das System wird insofern selbst optimierend arbeiten. Neben der Energiegewinnung und –speicherung sowie dem Mikrocontroller mit den Sensoren und Aktoren bilden die Funk- Datentransmitterbaugruppen (GPRS, UMTS, 2,4 GHz oder 868 MHz) das dritte Element des TECoSens- Systems, mit dem die eigentlichen Kommunikationsaufgaben gelöst werden. Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau 2 49090 Osnabrück Tel 0541/9633-0 Fax 0541/9633-190 http://www.dbu.de Ergebnisse und Diskussion Die bei der Antragstellung angestrebten Ergebnisse der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden in allen wesentlichen Zielen erreicht. Als Ergebnis ist ein Energie- autarker Funk- Datenaccesspint entwickelt worden, der sehr wenig Energie benötigt und diese vollständig aus geringen Temperaturunterschieden in der gebauten bzw. natürlichen Umgebung gewinnen kann. Neue Erkenntnisse wurden in vielfältiger Weise gewonnen. Hervorzuheben ist dabei: Die Speicherung thermischer Energie in Enthalpiespeichern ist möglich, aber mit Nachteilen wie hohem Gewicht, großem Volumen hohem Konstruktions- und (thermischem) Isolationsaufwand behaftet. Sie kommt daher für die praktische Anwendung eher nicht in Frage. Hinsichtlich der Erzeugung elektronisch verwertbarer elektrischer Spannungen (ab ca. 1,8 Volt) sind Laderegler, die nach dem Prinzip der Aufwärtstransformation arbeiten den zuvor bekannten, auf dem Konzept der Ladungspumpe beruhenden Schaltungen deutlich im Vorteil. So ist es gelungen eine Energiegewinnungseinheit aufzubauen, die bereits bei Temperaturdifferenzen von nur 1 °C zu arbeiten beginnt. Die Ergebnisse übertreffen damit die Erwartungen zu Projektbeginn erheblich! Ebenfalls über den Ausgangserwartungen liegen die Ergebnisse, wie weit sich der Energieverbrauch des Mikrocontrollers im TECoSens- Gerät senken lässt. Hier kommt die extrem energiesparende Technik des FRAMSpeichers zum Einsatz, die bis zu 200 mal weniger Energie verbraucht, als herkömmlichen RAM und EPROM. Damit sind an zwei entscheidenden Punkten – Energiegewinnung einerseits und Energieverbrauch andererseits – Verbesserungen realisiert worden, die zum Zeitpunkt der Antragstellung nicht bekannt oder erwartbar waren. Diese sehr wichtigen Ergebnisse werden ergänzt durch interessante technische Lösungen in einigen Bereichen der technischen Gerätekonstruktion. Zu erwähnen ist hier die Verwendung von Schlitzantennen, die zugleich als Kühlkörper oder Wärmesammler dienen können, also eine Doppelfunktion haben. Aber auch die Verwendung eines Gerätegehäuses aus einem Kunststoff, der biologisch abbaubar ist. Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation Ergebnisse des F+E- Projekts wurden im April 2013 im Rahmen eines Vortrags auf dem Symposium STORMWATER MANAGEMENT auf der Messe „Wasser Berlin“ vorgestellt. Veröffentlichungen in Fachzeitschriften sollen folgen, wobei in jedem Fall praktische Anwendungen in der Art von Fallbeispielen beschrieben werden sollen. Dafür werden Referenzanwendungen in den Bereichen Gebäudetechnik, Fabrikautomation, Regenwassermanagement, Verkehrssysteme, etc. gesucht. Das Bekanntmachen der Technik wird verstärkt erfolgen, wenn aussagekräftige Berichte und Informationsunterlagen für Interessenten zur Verfügung stehen. Dies wird ab etwa September 2013 der Fall sein. Fazit Das zu ziehende Fazit ist durchweg positiv. Die für TECoSens erforderlichen technischen Grundlagen wurden eingehend erforscht und wichtige Erkenntnisse konnten dokumentiert werden. Aufgrund der forschungsseitig gewonnenen Erkenntnisse konnten Versuchsaufbauten und letztendlich ein Prototyp des Geräts, das in der Gebäudetechnik nutzbar ist entwickelt und erprobt werden. Im Ergebnis ist feststellbar, dass alle Ziele des Vorhabens nicht nur erreicht wurden, sondern die gefundenen technischen Lösungen in wichtigen Teilbereichen sogar deutlich besser sind, als es erwartet wurde. Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau 2 49090 Osnabrück Tel 0541/9633-0 Fax 0541/9633-190 http://www.dbu.de Inhaltsverzeichnis 1.Verzeichnis von Bildern, Zeichnungen, Grafiken und Tabellen 2.Verzeichnis von Begriffen, Abkürzungen und Definitionen 3.Zusammenfassung 4.Einleitung 5.Hauptbericht 5.1. Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Thematik der Thermoelektrischen Energiegewinnung und Energiespeicherung 5.2. Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Thematik Energie sparender Mikrocontroller und Softwarealgorithmen 5.3. Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Thematik geeigneter FunkDatentransmitter 5.4. Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Thematik geeigneter Sensoren für Messaufgaben 5.5. Bau und Erprobung des Gesamtsystems in Ausführungen für Gebäude sowie für natürliche Umwelt 5.6. Überlegungen zu speziellen Bauformen des TECoSens- Kommunikationscontrollers 5.7. Bewertung der Ergebnisse im Hinblick auf die Zielsetzung des Vorhabens 5.8. Ökologische und ökonomische Bewertung der Ergebnisse 5.9. Maßnahmen zur Veröffentlichung der Ergebnisse des Forschungs- und Entwicklungsvorhabens 6.Fazit 7.Literaturverzeichnis Seite 4 von 40 1. Verzeichnis von Bildern, Zeichnungen, Grafiken und Tabellen Bild 1: Thermoelektrische Baugruppe zur Messung von Temperaturdifferenzen und Gewinnung von elektrischer Energie Bild 2: Datenlogger, geeignet für den Einsatz im Freien Bild 3: Standort Garten Thermoreservoir I: Umgebungsluft, Thermoreservoir II: Sonneneinstrahlung (0 bis 24 Uhr) Bild 4: Standort Keller Thermoreservoir I: Fußboden, Thermoreservoir II: Umgebungsluft (0 bis 24 Uhr) Bild 5: Ertragsfunktion des verwendeten Thermoelektrischen Moduls 40 x 40 mm Wärmedurchtrittsfläche Bild 6: Polwender - Gleichrichter mit bistabilem Relais Bild 7: Arten von Energiespeichern elektrisch und thermisch (Li-Po- Akku, PbSo4- Akku, Superkondensator, Enthalpiespeicher) Bild 8: Evaluation- Boards der Mikrocontroller (Energy Micro EFM32 Gecko, Renesas RL78, TI M430F5438 und M430FR5969) Bild 9: Telit h24 GSM / UMTS- Modul Bild 10: Telit ISM- Modul NE50-868 MHz Bild 11: Drei Schlitzantennen für Versuche mit verschiedenen Frequenzen Bild 12: Schaltplan TECoSens (Energiegewinnung) Bild 13: Schaltplan TECoSens (Mikrocontroller) Bild 14: Schaltplan TECoSens (Funkmodule/Sensoren) Bild 15: Layout der TECoSens- Platine (109 x 65 mm) Bild 16: 3D- Simulation der Platine, vier verschiedene Ansichten Bild 17: Platinenoberseite und –unterseite des TECoSens mit Erläuterungen Bild 18: Bauelemente zur Führung des Wärmestroms (Aluminiumblock, TEM und flexible Wärmeleitfolie Bild 19: TECoSens- Gerät, Rückseite und Vorderseite Bild 20: TECoSens- Prototyp im Testbetrieb Grafik 1: Teilsysteme des TECoSens- Kommunikationscontrollers Grafik 2: Aufbau der Vorrichtung zum Messen von Temperaturdifferenzen (Tw-Tk) und elektrischer Leistung (Pel) mit Datenlogger und Datenbank Grafik 3: Kommunikationsfunktionen des TECoSens Tabelle 1: Standorte, Thermoreservoire und Jahreszeiten der Messungen Tabelle 2: Vergleich von Energiespeichern elektrisch und thermisch Tabelle 3: Vergleich wesentlicher Parameter der untersuchten Mikrocontroller Tabelle 4: Steuerung der Aktivitäten des TECoSens in Abhängigkeit von der zur Verfügung stehenden Energie Tabelle 5: Übersicht von Sensoren für den I2C- Bus des TECoSens- Kommunikationscontrollers Tabelle 6: Tabelle zur ökonomischen Bewertung des TECoSens- Geräts Seite 5 von 40 2. Verzeichnis von Begriffen, Abkürzungen und Definitionen TEM Abkürzung für Thermoelektrisches Modul Seebek- Effekt von dem Physiker Seebek entdeckter Effekt, dass Temperaturunterschiede an Verbindungen von elektrischen Leitern oder Metallen aufgrund der unterschiedlichen Energieniveaus der Elektronen ein elektrisches Potenzial hervorrufen PbSO4- Akku Bleisulfat- Akku, wie auch in Fahrzeugen verwendet Li-Po- Akku Lithium-Polymer- Akku, wie auch in Mobiltelefonen verwendet Leckstrom Verlust gespeicherter elektrischer Energie durch minimale Ausgleichströme Enthalpiespeicher Speicher für Wärmeenergie, basierend auf der Phasenumwandlung (z.B. von fest nach flüssig) RAM Random Access Memory, flüchtiger, schnell lesbarer und beschreibbarer Speicher in elektronischen Rechnern ROM Read Only Memory, nicht flüchtiger Speicher in elektronischen Rechnern EEPROM Electronical Eraseable ROM, ROM, das gelöscht und beschrieben werden kann FRAM Ferromagnetic RAM, nicht flüchtiger, wieder beschreibbarer Speicher, der mit sehr geringer Energie beschrieben und gelesen werden kann. Vereint die nützlichen Eigenschaften von RAM und EEPROM I2C- Bus Inter Integrated Circuit- Bus, System zum Austausch von Daten über zwei Leitungen TWI Two Wire Interface, identisch mit I2C- Bus Sensor Elektronisches Bauteil zur Umwandlung eines physikalischen Parameters in eine elektrische Größe (z.B. Temperatur in eine Spannung) Aktor Elektronisches Bauteil, das einen Schaltvorgang ausführen kann (z.B. Relais) Relais, bistabil Relais oder Aktor, der keine Halteenergie benötigt, sondern mit kleinen Stromimpulsen die Schalterstellung wechselt Reedkontakt Schaltkontakt, dessen Kontaktfeder einen winzigen Magneten trägt, kann dadurch über ein von aussen einwirkendes Magnetfeld ausgelöst werden GSM Global System of Mobile communication, internationaler Funktelefonstandard GPRS General Packet Radio Service, GSM- Protokoll zum Versenden von Daten UMTS Universal Mobile Telecommunication System, Technische Fortentwicklung von GPRS LTE Long Term Evolution, Technische Fortentwicklung von UMTS ISM Industrial Scientific Medical, Funkfrequenzbänder für lizenzfreie Anwendung mit geringer Sendeleistung W- LAN Wireless LAN, Funkstandard für Daten in einem ISM- Band DECT Digital Enhaced Cordless Telecommunication, Funkstandard für Telefonie in einem ISM- Band Bluetooth Funkstandard für Daten in einem ISM- Band Bluetooth LE Low Energy- Betriebsart von Bluetooth Seite 6 von 40 3. Zusammenfassung Sensoranwendungen mit Datenübertragung über Funktechnik erlangen bei der Informationsgewinnung in der natürlichen Umwelt und in Gebäuden immer mehr Bedeutung. Im Rahmen des TECoSens- Vorhabens wurden die Grundlagen erforscht, derartige Mess- und Kommunikationsmodule so auszulegen, dass sie vollkommen energieautark arbeiten und daher im Prinzip unendlich lange wartungsfrei in Betrieb gehalten werden können. Um die Zielstellung zu erreichen, wurde die Gewinnung elektrischer Energie aus Temperaturunterschieden in der Umgebung des Geräts untersucht. Das Ergebnis der Forschungsund Entwicklungsarbeit ist ein Thermoelektrischer Generator, der Temperaturdifferenzen von nur 1 °C nutzen kann, wobei sogar ein Wechsel der Richtung des Wärmestroms möglich ist. Beides ist wichtig, weil die Forschungsergebnisse zeigen, dass sehr oft nur geringe Temperaturunterschiede als Energiequelle zur Verfügung stehen und Kalt- und Warmseite des Systems schnell ihre Rollen tauschen können. Die Speicherung der Energie ist der nächste erfolgsrelevante Schritt. Sowohl die Speicherung als elektrische Energie in Akkumulatoren und sog. „Superkondensatoren“ als auch in Form von Wärme (Enthalpiespeicher) kommt in Frage und wurde untersucht. Der für die Gerätefunktion erforderliche Mikrocontroller muss im Hinblick auf den Energieverbrauch optimal gewählt werden. Obwohl aktuelle Neuentwicklungen grundsätzlich als energiesparend bezeichnet werden, gibt es Controller, die in einigen Spezifikationen überdurchschnittliche Merkmale aufweisen. Als höchst relevant wurde die Art der Datenspeicherung identifiziert und ein Controller mit FRAM- Speicher als klar überlegen identifiziert. Die Energiespar- Performance des Mikrocontrollers kommt nur zur Geltung, wenn auch die Software die gebotenen Möglichkeiten intelligent nutzt. Die Bedingungen hierfür wurden erforscht und eine Softwarestruktur geschaffen, in der der Controller aufgrund des aktuell verfügbaren Energievorrats seine Funktionalität selbst skaliert. In Extremsituationen kann dabei sogar die Selbstentladung des Energiespeichersystems unterschritten werden. Sensoren, Schaltaktoren (Relais) ohne Energieverbrauch sowie die Funk- Module für kurze und lange Distanzen bilden die Ausgangs- und Endpunkte der nach außen wirkenden Funktionalität des TECoSens- Datentransmitters. Gerade bei den Funk- Modulen kann man durch wirksame Antennen erreichen, dass die notwendigerweise eingesetzte Energie auch zu einer möglichst hohen Reichweite führt, bzw. kleine Entfernungen mit möglichst geringer Energie bedient werden können. Hierzu wurden aufwändige Untersuchungen durchgeführt und für die Anwendung optimierte Schlitzantennen entwickelt. Seite 7 von 40 4. Einleitung Bedingt durch immer leistungsfähigere und zugleich immer stärker miniaturisiere Elektronische Baugruppen ist zu beobachten, dass mobile oder auch stationär betriebene Sensormodule in Aufgabenbereichen des Gebäudemanagements, der Erfassung von Daten aus der natürlichen Umwelt sowie für Steuerung und Fernwartung von Anlagen immer mehr Verbreitung finden. Diese Gerätschaften arbeiten zur Datengewinnung mit Sensoren und nutzen zur Weitergabe der Messdaten Funkmodule, mit deren Hilfe sie sich weiträumig vernetzen, um die erfassten Daten weiterzugeben oder auch Befehle für einfache Schalt- und Steuerungsaufgaben zu empfangen. Parallel zu dieser Entwicklung der Leistungssteigerung und Miniaturisierung verläuft die technologische Entwicklung zu immer mehr Energie sparenden Mikrocontrollern einerseits und neuen Techniken der Gewinnung kleiner Energiemengen aus der Umgebung andererseits. Dieses sogenannte Energy- Harvesting ist mittlerweile so leistungsfähig, dass es möglich wird, Mikrocontroller- gesteuerte Sensor- und Funkbaugruppen zu entwickeln, die vollkommen energieautark arbeiten. Dadurch ist es möglich, derartige technische Einrichtungen dauerhaft und ohne die Notwendigkeit zum Wechseln von Batterien oder dem Nachladen von Elektrizitätsspeichern zu betreiben. Im Vorhaben TECoSens werden Thermoelektrische Module (TEM) zur Gewinnung elektrischen Stroms aus geringen Temperaturunterschieden genutzt. Die je nach Umgebung ständig oder auch nur sporadisch gewonnene Energie wird möglichst verlustfrei gespeichert und steht dem Controller sowie den Sensoren und Aktoren und nicht zuletzt den Funkmodulen des TECoSens zur Verfügung. 5. Hauptbericht TECoSens besteht aus den in Grafik 1 gezeigten Baugruppen, für die zunächst einzeln Forschungs- und Entwicklungsarbeit geleistet wurde, ehe das Gesamtsystem erstellt und erprobt werden konnte. Entsprechend der Systemstruktur sind die ersten vier Unterkapitel des Hauptberichts den TECoSens- Teilsystemen gewidmet. Energiespeicher Sensoren Funkmodul I Aktoren Funkmodul II Mikrocontroller Thermoel.Modul Stromversorgung Grafik 1: Teilsysteme des TECoSens- Kommunikationscontrollers Seite 8 von 40 5.1. Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Thematik der Thermoelektrischen Energiegewinnung und Energiespeicherung Temperaturdifferenzen in natürlicher Umgebung und in Gebäuden sind eine gut zu erschließende Energiequelle, die über den thermoelektrischen Effekt (nach seinem Entdecker auch Seebek- Effekt genannt) zur Gewinnung elektrischer Energie genutzt werden kann. Im ersten Schritt wurden in umfangreichen Messreihen verschiedene Standorte, die später potenzielle Einsatzorte des TECoSens sein würden, einer Untersuchung der dort typisch sowie der maximal auftretenden Temperaturdifferenz unterzogen. Hierfür wurde zunächst eine universell einsetzbare Messvorrichtung entwickelt und gebaut. Warmseite mit Temperaturfühler Datenlogger Thermoelektr. Modul (TEM) Tw, Tk, Pel als Funktion der Zeit Kaltseite mit Temperaturfühler Datenbank Grafik 2: Aufbau der Vorrichtung zum Messen von Temperaturdifferenzen (Tw-Tk) und elektrischer Leistung (Pel) mit Datenlogger und Datenbank Die in Grafik 2 schematisch dargestellte Messvorrichtung wurde in Eigenbau realisiert. Der Messaufnehmer besteht aus einem Thermoelektrischen Modul mit einer Wärmedurchtrittsfläche von 40 x 40 mm das zur Verbesserung des Wärmeaustauschs auf der Warm- und Kaltseite Aluminiumblech- Wärmeabsorptionsflächen, Aluminium- Rippenkörper oder Behälter für Speichermedien (Materialien für Enthalpiespeicher) tragen kann. Bild 1 zeigt die in vielen Versuchsreihen verwendete Ausführung mit einem schwarz lackierten Aluminiumblech 380 x 90 mm als Warmseite (geeignet zur Absorption von Wärmestrahlung) und einem Rippenkühlkörper als Kaltseite (Umgebungsluft). Bild 1: Thermoelektrische Baugruppe zur Messung von Temperaturdifferenzen und Gewinnung von elektrischer Energie Seite 9 von 40 Ergänzt wurden die Messmodule durch einen Datenlogger, der in Bild 2 gezeigt ist und eigens für das Vorhaben gebaut wurde. Hier werden die beiden Temperatursensoren sowie das Thermoelektrische Modul über Kabel angeschlossen. Da spezielle Messaufgaben zu lösen waren und der Datenlogger auch im Freien verwendet werden sollte, wurde dieser in einem spritzwasserdichten Gehäuse (IP 65) untergebracht. Das Gerät kann über eine GSMFunkverbindung seine Messwerte drahtlos an eine Datenbank übertragen; ebenso können die Messwerte aber auch auf einer eigenen Speicherkarte abgelegt werden. Der Datenlogger wurde in ca. 30% der Messaufgaben fern vom Stromnetz eingesetzt und verfügt für diesen Fall über einen 12 Volt Bleiakku, der das Gerät bis zu 3 Wochen in Betrieb halten kann. Die Möglichkeit, den Akku über ein Solarmodul zu laden, besteht grundsätzlich, wurde jedoch im Rahmen der Messungen nicht genutzt. Bild 2: Datenlogger, geeignet für den Einsatz im Freien Mit dem Datenlogger und der Energy-Harvesting- Messeinheit wurden an 5 verschiedenen Standorten 23 Messreihen durchgeführt. Tabelle 1 zeigt eine Übersicht der gewählten Standorte und der bei den Versuchsreihen genutzten Kälte- und Wärmequellen (Thermoreservoire I und II). Standort Garten Garten Garten Garten Gebäude Gebäude Auto Keller / Tiefgarage Abwasserkanal Thermoreservoir I Umgebungsluft Erdreich Erdreich Erdreich Heizkörper Umgebungsluft Umgebungsluft Fußboden Umgebungsluft Kanal Thermoreservoir II Sonnenstrahlung Sonnenstrahlung Umgebungsluft Tag (Schatten) Umgebungsluft Nacht Umgebungsluft Sonnenstrahlung Sonnenstrahlung Umgebungsluft Umgebungsluft Winter Herbst/Frühjahr X X X X X X X X X X X X X X Sommer X X X X X X X X X Tabelle 1: Standorte, Thermoreservoire und Jahreszeiten der Messungen Seite 10 von 40 Man kann feststellen, dass die Messreihen unter mehr oder weniger gleichartigen Bedingungen weitgehend identisch sind, dass also ein Tagesverlauf mit Exposition im Freien (mit Sonneneinstrahlung tagsüber) immer wieder den im Grunde gleichen Verlauf zeigt, ebenso wie eine Exposition in einer Tiefgarage. Diese beiden Verläufe werden in Bild 3 und Bild 4 einander gegenüber gestellt. Bild 3: Standort Garten Thermoreservoir I: Umgebungsluft, Thermoreservoir II: Sonneneinstrahlung (0 bis 24 Uhr) Bild 4: Standort Keller Thermoreservoir I: Fußboden, Thermoreservoir II: Umgebungsluft (0 bis 24 Uhr) Das erste Beispiel zeigt den Verlauf an einem sehr guten Standort, an dem wegen lang andauernden Temperaturdifferenzen von bis zu 11,5 °C eine sehr gute thermoelektrische Energieausbeute möglich ist. Interessant ist, dass es auch hier in den Nachtstunden bei Temperaturdifferenzen von bis zu -0,3 zu einer Umkehr des Wärmestroms kommen kann. Seite 11 von 40 Im Gegensatz dazu zeigt Bild 4 eine deutlich ungünstigere Situation, da bei diesem Messverlauf nur Maximalwerte von 1,9 °C erreicht werden, wobei auch in diesem Beispiel zeitweise eine Umkehr des Wärmestroms stattfindet. Aufgrund umfangreicher Vergleiche mit Hilfe von Datenblättern wurde für das TECoSens das TEM des Herstellers CUI, Typ CP85-4-38 ausgewählt, das eine Wärmedurchtrittsfläche von 40 x 40 mm hat und über 127 in Reihe geschaltete Thermopaare verfügt. Die Ertragsfunktion für die aus einer anliegenden Temperaturdifferenz sich ergebende elektrische Leistung wurde experimentell ermittelt und ist in Bild 5 gezeigt. Man erkennt eine mathematische Beziehung, die einer Parabel ähnelt und im Bereich geringer Temperaturdifferenzen sehr flach verläuft. Bild 5: Ertragsfunktion des verwendeten Thermoelektrischen Moduls 40 x 40 mm Wärmedurchtrittsfläche Bewertet man die Erkenntnisse, die sich aus den in Bild 3 und 4 gezeigten Temperaturmessversuchen ergeben sofern man die Ertragsfunktion nach Bild 5 auf sie anwendet, kann man folgendes feststellen: • An Standorte, an denen periodisch (z.B. im Tagesrhythmus) Temperaturdifferenzen von mehr als 10 °C auftreten, ist es nicht schwierig genügend Energie für einen Strom sparend ausgelegten Accesspoint für Mess- und Funkanwendungen zu gewinnen. Seite 12 von 40 • Demgegenüber problematisch sind Standorte, an denen nur geringe nutzbare Temperaturunterschiede zu verzeichnen sind. Für diese Standorte wird eine Energiegewinnung benötigt, die nicht nur geringe Temperaturdifferenzen verwerten kann, sondern auch bei der Umkehr der Wärmestromrichtung arbeitet. Die geringen elektrischen Leistungen, die ein TEM abgibt, sind für das Sammeln der Energie ein großes Problem, denn sehr geringe Spannungen müssen auf eine für elektronische Baugruppen nutzbare Spannung gesteigert werden. Zunächst wurde hierfür eine für die Uhrenindustrie entwickelte „Ladungspumpe“ des Herstellers SEIKO verwendet. Die aus den Schaltkreisen S-8827Z24-M5T1G und S-8353D30MC-IUPT2G bestehende Versuchsschaltung verarbeitet Eingangsspannungen ab 0,2 Volt, was bei den gegebenen Bedingungen einer elektrischen Leistung des TEM von 8 mW entspricht. Gemäß Bild 5 ergibt sich, dass am TEM eine Temperaturdifferenz von ca. 7 °C anliegen muss, damit das Energy Harvesting mit dieser Schaltung beginnen kann und die geringe Spannung von nur 0,2 Volt über das Prinzip einer Ladungspumpe mit geschalteten Kondensatoren auf 3 Volt erhöht wird. Was aus Sicht der allgemeinen Schaltungstechnik bereits eine hervorragende Leistung sein mag, befriedigt im vorliegenden Fall nicht, da in vielen gewünschten Anwendungsfällen die in situ erzielbaren Temperaturunterschiede unter 7 °C liegen und daher mit dieser Technik nicht genutzt werden können. Deshalb wurde nach Alternativen gesucht und eine Schaltung mit dem Schaltkreis LTC 3108/3109 aufgebaut. Diese Schaltung nutzt das Verfahren, über einen miniaturisierten Transformator mit Ferritkern die Spannung des TEM nach dem Prinzip der Zündspule auf ein höheres Spannungsniveau zu transformieren; hierzu muss die elektrische Last am TEM mit hoher Frequenz geschaltet werden, so dass sich der Transformatoreffekt ergibt. Die Ergebnisse, die mit der entsprechenden Versuchsschaltung erzielt wurden waren hervorragend. Die Schaltung erzeugt 3,3 Volt bzw. 5 Volt aus einer Eingangsspannung von nur 0,02 Volt. Bezogen auf das gewählte TEM entspricht dies einer Leistung von nur 0,08 mW. Die Schaltung ist so leistungsfähig, dass Temperaturdifferenzen ab 1 °C bereits für das Energy Harvesting nutzbar werden. Parallel zu der Frage der Anhebung der geringen Spannungen des TEM auf ein nutzbares Niveau von mindestens 3,3 Volt wurde auch an dem Problem gearbeitet, dass ein Wechsel der Richtung der Wärmeströmung zu einer Polaritätsumkehr der vom TEM abgegebenen Spannung führt. Ein nahe liegender Lösungsansatz hierfür ist ein Brückengleichrichter, wie er üblicher Weise in der Elektronik Anwendung findet. Unpassender Weise haben die in üblichen Brückengleichrichtern verwendeten Dioden einen Spannungsverlust von 1,2 Volt zur Folge, der sich aber auf 0,4 Volt reduzieren lässt, sofern man Germanium- oder Shottky-Dioden einsetzt. Interessant ist auch der von Franke vorgeschlagen Ansatz, einen Gleichrichter Seite 13 von 40 mit Hilfe von polaritätsrichtig angesteuerten Feldeffekttransistoren zu realisieren, was nochmals einen geringeren Spannungsverlust ermöglicht. Mit modernen Transistorbrücken wie dem ALD212900 von Advanced Linear Devices lässt sich damit ein Gleichrichter bauen, der nur noch 10 bis 20 mV Spannungsabfall hat. Nach allem, was zuvor schon zu den geringen nutzbaren Spannungen des TEM gesagt wurde, ist klar, dass aber selbst ein so geringer Spannungsabfall sehr unerwünscht ist. Daher wurde im Rahmen des Vorhabens der in Bild 6 gezeigte Polwender mit einem bistabilen Relais realisiert, bei dem jeglicher Spannungsverlust vermieden werden kann. Bei einem bistabilen Relais U in handelt es sich um einen Schaltaktor, der über zwei Magnetspulen verfügt, die nur einen kurzen Stromimpuls von ca. 0,1 Sekunden Dauer benötigen, um U out den Schaltanker in eine der beiden möglichen Positionen zu schalten. Diese Art von Relais benötigt also keinen Haltestrom, sondern behält den zuletzt ausgelösten Schaltzustand im stromlosen Zustand bei. Da im TECoSens der Mikrocontroller ohnehin Bild 6: Polwender - Gleichrichter mit bistabilem Relais die Spannung des TEM überwacht, ist es naheliegend dem Controller die Aufgabe zu geben, das bistabile Relais entsprechend der Polarität der vom TEM bereitgestellten Spannung anzusteuern; die hierfür benötigte Schaltenergie ist vernachlässigbar gering. Die beschriebene Idee löst das Problem der wechselnden Polarität der TEM- Spannung verlustfrei und dadurch sehr elegant. Die Schaltung wurde jedoch in die Elektronik des TECoSens nicht übernommen, weil für die Spannungserhöhung die zuvor erläuterte Schaltung mit dem Schaltkreis LTC 3109 gewählt wurde. Hier ist ein Polwender nicht erforderlich, weil wegen der Spannungs- Transformation die Gleichrichtung auf einem höheren Spannungsniveau stattfinden kann. Nachdem in der Frage der Spannungserzeugung eine sehr gute Lösung gefunden war, wurde im nächsten Schritt die Frage der Energiespeicherung untersucht. Hierzu wurde zu den aktuellen Akkumulator- Bauformen des Lithium-Polymer- Akkus und des Bleisulfat- Akkus umfangreich Material gesammelt und ausgewertet. Als weitere Speichertechnik für elektriSeite 14 von 40 sche Energie wurden Kondensatoren im Kapazitätsbereich bis zu 1000 Farad untersucht, die nach dem Prinzip der Helmholtz- Doppelschicht funktionieren; derartige Kondensatoren werden auch als „Hi-Cap“, „Superkondensatoren“ oder „Gold-Cap“ bezeichnet. Als nicht elektrisches Speicherprinzip wurde der Enthalpiespeicher in die Betrachtung aufgenommen. Hierbei nimmt ein wachsartiges Paraffin durch Schmelzen Wärmeenergie auf, die es zu einem anderen Zeitpunkt wieder über einen Erstarrungsvorgang abgeben kann. Dabei ist in der Auslegung zu berücksichtigen, welche Umwandlungstemperatur gewählt wird, weil nur im Bereich dieser Temperatur der Phasenwechsel fest/flüssig erfolgt und das Speichern von Energie möglich ist. Für die Versuche im Rahmen dieses Vorhabens wurde das Paraffin RT 31 des Herstellers Rubitherm eingesetzt, dass einen reversiblen Phasenwechsel von „fest“ zu „flüssig“ bei 31 °C ausführt. Bild 7: Arten von Energiespeichern elektrisch und thermisch (Li-Po- Akku, PbSo4- Akku, Superkondensator, Enthalpiespeicher) Bild 7 zeigt die verschiedenen Bauformen der Energiespeicher und Tabelle 2 fasst die wesentlichen Beurteilungs- und Auswahlkriterien für die verglichenen Speichertechniken zusammen. Parameter Leistungsvolumen Leistungsgewicht Selbstentladung Ladezyklen Spannungskonstanz Li-Po- Akku 0,36 Wh/cm3 0,15 Wh/g ca. 1%/Monat ca. 2.000 ca. 20 % over cycle PbSO4- Akku 0,065 Wh/cm3 0,026 Wh/g ca. 3%/Monat ca. 600 ca. 20 % over cycle Super-Cap 0,01 Wh/cm3 0,005 Wh/g ca. 15 %/Monat ca. 10.000 100 % over cycle Enthalpiespeicher 0,037 Wh/cm3 0,047 Wh/g ca. 2 %/Tag ca. 1.000 -/- Tabelle 2: Vergleich von Energiespeichern elektrisch und thermisch Schon ein erster Blick auf Tabelle 2 zeigt deutlich, dass von den verfügbaren Speichern für elektrische Energie der Lithium-Polymer- Akku in praktisch allen relevanten Parametern klar überlegen ist: • Bei Leistungsgewicht und Leistungsvolumen weist er gegenüber den elektrischen Vergleichssystemen sehr viel bessere Werte auf. • Von großer Bedeutung ist auch die Selbstentladung, denn in Zeiten mit geringer Energieausbeute sollte von der gespeicherten Energie möglichst wenig verloren gehen. Auch hier ist der Li-Po- Akku klar überlegen. Seite 15 von 40 • Generell weisen Akkus gegenüber den Kondensatoren den Vorteil auf, bis zum Punkt der Entladung eine nahezu konstante Spannung bereitzustellen. • Einzig und allein im Hinblick auf die Lade-/Entladezyklen kann der „Superkondensator“ einen Vorteil geltend machen. Damit ist dieser Energiespeicher dann in Betracht zu ziehen, wenn im Vordergrund der Betrachtung steht, dass sehr lange Betriebszeiten zu erreichen sind. Der Enthalpiespeicher nimmt unter den untersuchten Energiespeichern als rein thermisches System eine Sonderrolle ein. Die technischen Daten zeigen, dass diese Speichertechnik den elektrischen Speichern in allen Belangen deutlich unterlegen ist. Besonders nachteilig ist die Selbstentladung, die selbst bei hervorragender thermischer Isolierung bei 2% pro Tag liegt. Technisch und konstruktiv schwierig zu handhaben sind auch die Baugröße und das Volumen der thermischen Isolierung, das bei der Betrachtung von Leistungsvolumen und Leistungsgewicht noch nicht einmal berücksichtigt ist. Aufgrund der Versuchsergebnisse wurde entschieden, das Prinzip der Speicherung von Wärmeenergie im TECoSens- Vorhaben nicht weiter zu verfolgen, da es in keinerlei Hinsicht Vorteile bietet. 5.2. Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Thematik Energie sparender Mikrocontroller und Softwarealgorithmen Nachdem die Frage der Energiegewinnung und –speicherung umfassend untersucht war, wurde die Thematik des Mikrocontrollers (Hardware und Software) betrachtet. Von zahlreichen Herstellern werden hierzu Produkte angeboten, die weitaus weniger Energiebedarf haben als vergleichbar leistungsfähige Exemplare früherer Controllergenerationen. Nach einer Vorauswahl wurden vier Mikrocontroller in die engere Wahl gezogen. Von diesen wurden die in Bild 8 gezeigten vier Entwicklersysteme bestellt und eingehenden Tests unterzogen. Bild 8: Evaluation- Boards der Mikrocontroller (Energy Micro EFM32 Gecko, Renesas RL78, TI M430F5438 und M430FR5969) Alle näher untersuchten Mikrocontroller verfügen über eine sehr gute Entwicklungsumgebung, wobei allerdings die sehr wichtigen Libaries, über die leistungsfähige Funktionen codeSeite 16 von 40 optimiert eingebunden werden können, für die Prozessoren der TI 430- Controllerfamilie am umfangreichsten sind. Ein Vergleich der für den Energiebedarf wichtigsten Hardwareparameter zeigt Tabelle 3. Parameter Controllerklasse Versorgungsspannung max. Taktfrequenz Speicherart Stromverbrauch RTC only Stromverbrauch aktiv Gecko EFM 32 32 Bit 1,85 - 3,8 V 32 MHz RAM / EEPROM 0,9 µA 180 µA/MHz RL78/G13 16 Bit 1,6 - 5,5 V 32 MHz RAM / EEPROM 0,56 µA 66 µA/MHz MSP430F5438 16 Bit 1,8 - 3,6 V 26 MHz RAM / EEPROM 2,1 µA (keine RTC) 110 µA/MHz (@8MHz) MSP430FR5969 16 Bit 1,8 - 3,6 V 16 MHz FRAM 0,5 µA 100 µA/MHz Tabelle 3: Vergleich wesentlicher Parameter der untersuchten Mikrocontroller Man kann erkennen, dass die verglichenen Controller in der überwiegenden Anzahl der verglichenen Eigenschaften hervorragende Werte aufweisen, die sich nur wenig unterscheiden. Näher in Betracht gezogen wurden die Controller Gecko EFM 32 (Energy Micro) und der MSP 430FR5969 (Texas Instruments), die in zwei Punkten für den Auswahlprozess besonders interessante Eigenschaften aufweisen: • Gecko EFM 32 von Energy Micro ist als einziges System im Vergleich ein 32 Bit Mikrocontroller, der trotz dieser Spezifikation hervorragende Eigenschaften im Hinblick auf geringen Energieverbrauch mitbringt. • MSP430FR5969 von Texas Instruments verfügt nicht mehr über die beiden typischen Speicherarten RAM und ROM, sondern verwendet sowohl für den flüchtigen wie auch den nichtflüchtigen Speicher ein „ferromagentisches RAM“ (FRAM). Dieser Speicher ist schneller lesbar und beschreibbar als ein RAM, so dass nicht mehr zwischen RAM und ROM unterschieden wird. Entscheidend ist aber der ca. 250 mal (!) geringere Energieverbrauch bei ROM- Operationen, was für den mit einem FRAM ausgerüsteten Mikrocontroller einen durch nichts auszugleichenden Vorteil bedeutet. In der Endauswahl wurde der energetische Vorteil des FRAM als für die Entscheidung ausschlaggebend angesehen. Demgegenüber ist die Spezifikation der 32 Bit Busbreite für die gestellte Aufgabe weniger wichtig, so dass der MSP430FR5969 als Controller für das TECoSens- Projekt ausgewählt wurde. Grundsätzlich führt die Software des Mikrocontrollers die für einen Funk- Accesspoint mit Mess- und Steueraufgaben typischen Aufgaben durch, nämlich den Datenstrom der FunkDatentransmitter zu vermitteln, Messwerte aufzunehmen, diese bei Bedarf zu speichern, und ggf. auch Schaltorgane (Aktoren) anzusteuern. Im Unterschied zu der üblichen Vorgehensweise sind beim TECoSens- Gerät jedoch alle Peripheriebaugruppen im Normalfall abgeschaltet und werden nur bei Bedarf vom Controller aktiviert. So benötigt z.B. eine FunkbauSeite 17 von 40 gruppe, die einmal pro Minute für 5 Sekunden aktiviert nur 8% der Energie eines Dauerbetriebs. Vergleichbares gilt auch für Sensoren und alle andere peripheren Baugruppen. Allerdings ist es nicht immer notwendig, Energie zu sparen, denn bei voll geladenem Akku und der Aussicht auf weiterhin gute Energieernte kann der Controller Sparmaßnahmen aussetzen und einen höheren Energieverbrauch zulassen. Zudem gibt es Aktivitäten, die überhaupt nicht unterbrochen werden können (RTC), oder nur so wenig Energie kosten, dass es das System nicht belastet. Zu den Letztgenannten zählen die bistabilen Relais, die für jeden Schaltvorgang nur ca. 0,5 Millisekunden aktiviert werden müssen. In der Controllersoftware ist vorgesehen, dass nur die RTC ständig läuft und alle anderen Energie verbrauchenden Aktivitäten abhängig vom Ladezustand des Akkus und abhängig vom zu erwartenden Energieverbrauch vom Controller aktiviert werden. Eine Übersicht zu einem typischen Aktivitätskonzept ist in Tabelle 4 gezeigt. Ladezustand Akku Aktivität RTC Ladezustand prüfen Aktoren Sensoren Funkbaugruppe "low energy" Funkbaugruppe "high energy" 20% 40% 70% 100% immer 1/Stunde 1/Stunde 1/Stunde Manuell aktiviert nie immer 1/Minute sofort 1/10 Minuten 1/10 Minuten nie immer 1/Minute sofort 1/Minute 1/Minute 1/Tag immer 1/Minute sofort 1/Minute 1/Minute 1/Stunde Tabelle 4: Steuerung der Aktivitäten des TECoSens in Abhängigkeit von der zur Verfügung stehenden Energie Bei zu 100% geladenem Energiespeicher werden die peripheren Baugruppen, die selbst in diesem Fall überwiegend ruhen, in geringem Zeitabstand aktiv, um zu prüfen, ob Aufgaben zu erledigen sind. Solche Aufgaben können entweder nach einem Zeitplan aufgerufen werden, zum Beispiel im Fall der Aufnahme einer GPRS- Verbindung zum Transfer gespeicherter Messwerte in eine Datenbank. Im Fall von Messaufgaben sind die Sensoren im Minutenrhythmus für einige Sekunden in Betrieb. Sinkt der Ladezustand ab, werden zunächst die besonders stark Energie verbrauchenden Aktivitäten eingeschränkt, in der Hoffnung, dass sich dadurch der Ladezustand mittelfristig erholt. Zunächst sind nur Funkbaugruppen mit hoher Reichweite und damit entsprechend hohem Energieverbrauch betroffen. Fällt die Energiereserve weiter, wird der Betrieb von „high-energy“- Funkbaugruppen ganz eingestellt und Sensoren wie auch „low-energy“- Funkbaugruppen sind seltener aktiv. Bei noch geringerer Energiereserve, können „low-energy“- Funkbaugruppen nur noch manuell am Gerät aktiviert werden. Außer der RTC arbeiten alle anderen Einheiten mit stark verringerter zeitlicher Aktivität. Seite 18 von 40 5.3. Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Thematik geeigneter FunkDatentransmitter Die Funkbaugruppen im TECoSens- Gerät haben die in Grafik 3 gezeigten Aufgaben zu erfüllen, die nachfolgend beschrieben werden: • Weiterleiten von Daten anderer Kommunikationsbaugruppen, die über kurze Reichweiten empfangen wurden („short-range“). • Weiterleiten von Sensor- Messwerten über kurze Reichweiten („short-range“). • Empfang von Aktor- Befehlen über kurze Reichweiten („short-range“). • Weiterleiten von Sensor- Messwerten über lange Reichweiten im GSM- Betrieb („longrange“). • Empfang von Aktor- Befehle über lange Reichweiten im GSM- Betrieb („long-range“). Datenweiterleitung „short range“ SensorDaten Aktoren TECoSens Datenweiterleitung „short range“ Datenweiterleitung „long range“ Sensordaten „short range“ Sensordaten „long range“ Aktordaten „short range“ Aktordaten „long range“ Grafik 3: Kommunikationsfunktionen des TECoSens Um diese Aufgaben lösen zu können benötigt TECoSens eine GSM- Funkbaugruppe, die die Datendienste GPRS und UMTS beherrscht. In einer technischen Weiterentwicklung kann später auch LTE wichtig werden, das allerdings momentan aber noch nicht implementiert wurde. Die GSM- Funkbaugruppe verfügt über Sendeleistungen von bis zu 2 Watt, und ist der Hauptstromverbraucher, sofern sie vom Mikrocontroller nicht abgeschaltet wird. Da Empfangsempfindlichkeit und Sendeleistung den Normen der Funktelefon- Kommunikation unterliegen, ist der Energieverbrauch von GSM- Modulen durch Auswahl aus dem Angebot verschiedener Hersteller praktisch nicht zu beeinflussen. Denn Module verschiedener Hersteller weisen nahezu identische, an den Vorgaben der Normung orientierte Leistungsmerkmale für Sendeleistung und Empfangsempfindlichkeit auf. Aus den zur Auswahl stehenden GSM- Modulen wurde das in Bild 9 gezeigte GSM- Funkmodul h24 des Herstellers Telit ausgewählt. Dieses unterstützt nicht nur die grundlegenden Funktelefonaktivitäten sondern verfügt auch über die Internet- basierten Datendienste GPRS und UMTS. Seite 19 von 40 Sehr wesentlich für einen energiesparenden Betrieb ist die Gestaltung der Antenne, weil eine gute Antenne nicht nur einen störungsfreien Empfang gewährleistet, sondern durch gute Abstrahleigenschaften dazu beiträgt, dass das GSM- Funkmodul mit einer reduzierten Sendeleistung arbeiten kann. Auf dieses bedeutende Thema wird am Ende dieses Kapitels ausführlich eingegangen. Bild 9: Telit h24 GSM / UMTS- Modul Zur Überbrückung kleiner Distanzen werden Funkmodule für die gebräuchlichen ISM- Funkbänder benötigt. ISM steht für „industrial“, „scientific“ und „medical“ und beschreibt die Funkfrequenzen 169 MHz, 433 MHz, 868 MHz sowie 2.400 MHz, die mit geringen Sendeleistungen zwischen 10 und 100 mW lizenzfrei genutzt werden können. Von den ISM- Frequenzen wird insbesondere 2.400 MHz für zahlreiche, allgemein gebräuchliche Kommunikationsstandards benutzt, von denen Bluetooth, Bluetooth LE, W- LAN und DECT die bekanntesten sind. Für die Vernetzung mit üblichen Geräten wie z.B. Smartphones sind sicherlich Bluetooth und Bluetooth LE von sehr großer Bedeutung, für technische Zwecke sind 868 MHz und die neu freigegebene Frequenz 169 MHz sehr wichtig. Gegenüber dem GSM- Modul sind in den ISM- Bändern die erlaubten Sendeleistungen mit 10 – 100 mW zwar wesentlich geringer, doch auch hier gilt, dass der Energieverbrauch im Sendebetrieb durch die Qualität der Antenne beeinflusst wird und darüber hinaus auch eine hohe Empfindlichkeit beim Empfang vonnöten ist. Beides gemeinsam führt dazu, dass der Sender der Übertragungsstrecke seine Sendeleistung reduzieren kann und nicht die maximale Leistung aufwenden muss. Aus der Vielzahl der Funkmodule für kurze Strecken (bis zu 1000 Meter im Freifeld) wurde das in Bild 10 gezeigte Modul der Baureihe NE / ME 50 des Herstellers Telit ausgewählt. Die elektrischen Daten dieser Module werden zwar in vergleichbarer Weise auch von den Produkten anderer Hersteller erreicht, aber Telit liefert Module für alle ISM- Frequenzen und den für die Gebäudetechnik sehr wichtigen „Wireless M-Bus“ in einer einheitlichen Bauform und mit einheitlicher SoftwareSchnittstelle. Das bedeutet, dass man eine Vielzahl von Frequenzen und Übertragungsstandards mit äußerlich baugleichen Modulen realisieren kann, die alle das gleiche Kontaktbild (engl. „footprint“) haben und auf der Platine identisch angeschlossen werden. Bild 10: Telit ISM- Modul NE50-868 MHz Ein weiterer Vorteil der ISM- Module von Telit ist auch, dass diese in der Lage sind, mit anderen gleichartigen Modulen spontan Netzwerke zu bilden. Diese sogenannten „ad-hocSeite 20 von 40 Mesh- Netzwerke“ ermöglichen es, Daten zwischen zwei weiteren Geräten mit Funkmodul weiterzuleiten. Auf diese Weise ist es möglich, die Reichweite eines Gesamtsystems aus mehreren Funkbaugruppen gleicher Technik über mehrere Zwischenstationen, die als Vermittler agieren, zu erhöhen. Die Bedeutung der Antenne für eine energiesparende Funk- Datenübertragung wurde bereits betont. Denn es ist leicht einzusehen, dass nur mit einer guten Abstrahlung der Sendeenergie gearbeitet werden kann, wobei eine Antenne mit guten Abstrahleigenschaften zugleich für die entsprechende Frequenz auch ebenso gute Empfangseigenschaften aufweist. Der einfachste Fall einer Antenne ist ein in die Luft gehaltener Metallstab bzw. ein in der Luft gespannter Draht. Alle Bauformen moderner Antennen basieren auf diesem Prinzip, wobei die Länge des Leiters mindestens einem Viertel der zu empfangenden Wellenlänge entsprechen muss. Ein Mehrfaches dieser Länge ist ebenfalls eine geeignete Länge für eine Antenne. Dies ist der Grund dafür, dass im GSM- Netz die Wellenlängen von 900 MHz (D- Netze) und 1800 MHz (E- Netze) als Vielfache gewählt worden sind, damit sie einfcher mit einer Antenne verarbeitet werden können und eine Mehrband- Antenne nicht unbedingt erforderlich ist. Auch wenn bei einer Antenne – z.B. in einem Mobiltelefon – die idealtypische Bauform eines Leiters mit einem Viertel der Wellenlänge nicht auf den ersten Blick erkennbar ist, so handelt es sich auch in diesen Fällen um das genannte Konstruktionsprinzip, nur dass die physikalisch erforderliche Länge gefaltet, geknickt oder anderweitig kunstvoll verkleinert ist. Weniger bekannt als der „typische Antennenstab“ ist die sogenannte Schlitzantenne, bei der nicht ein Metallstab oder –draht in Luft sondern ein Luftspalt in einer Metallplatte das für Abstrahlung der Hochfrequenz wirksame Prinzip ist. Wichtig und physikalisch zur Ausbildung einer elektromagnetischen Welle wirksam ist nämlich die Grenzlinie zwischen Metall und Luft. Diese Grenzlinie lässt sich aber sowohl mit „Metall in Luft“ als auch mit „Luft in Metall“ darstellen. Bild 11: Drei Schlitzantennen für Versuche mit verschiedenen Frequenzen Seite 21 von 40 Die in Bild 11 gezeigten Antennentypen sind Schlitzantennen, die für das TECoSens- Projekt entwickelt und in Verbindung mit den Funkmodulen getestet wurden. Man erkennt das wirksame Prinzip des Luftschlitzes, der in den drei Bauformen unterschiedlich lang ist und geknickt sein kann. Neben den durch die große Metallmasse günstigen elektromagnetischen Eigenschaften wurde die Schlitzantenne auch gewählt, weil sie gleichzeitig als Kühlkörper oder Wärmefänger für das Thermoelektrische Modul zur Energiegewinnung dienen kann. Damit wird die Antenne zu einem Bauteil, das zwei existenziell wichtige Funktionen des TECoSens- Geräts gleichzeitig erfüllen kann. 5.4. Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Thematik geeigneter Sensoren für Messaufgaben Neben dem drahtlosen Empfang und Weiterleiten von Daten ist eine der Aufgaben des TECoSens- Accesspoints das Durchführen eigenständiger Messungen von Umweltparametern wie Luftdruck, Temperatur, relativer Luftfeuchtigkeit und weiterer Parameter, die im Einzelfall von Bedeutung sein können. Der Übertragungsstandard, der sich für derartige Messaufgaben durchgesetzt hat und der ständig durch neue Produkte an Bedeutung gewinnt, ist der I2C- Bus, der auch als TWI (two-wire- Interface) bezeichnet wird. Es handelt sich dabei um einen seriellen, von dem Mikrocontroller als „Master“ über ein Taktsignal synchronisierten Bus für bis zu 127 Teilnehmer, die von den Sensoren gebildet werden. Es gibt von diversen Herstellern eine Vielzahl von Sensoren für den I2C- Bus. In Tabelle 5 ist eine Übersicht einiger aktueller Typen gegeben, die für einen Einsatz im TECoSens- Kommunikationscontroller in Frage kommen. Parameter Temperatur (Kontakt) Bezeichnung / Typ LM 75C TMP 100 Hersteller Texas Instruments Texas Instruments Versorgungsspannung 3,0 - 5,5 V 2,5 - 5,5 V Stromverbrauch 0,3 mA 0,07 mA Stromverbrauch stand-by 4 µA 0,1 µA MLX90615 TMP 006B Melexis Texas Instruments 2,6 - 3,6 V 1,8 - 3,3 V 1,5 mA 0,24 mA 1,1 µA 0,5 µA HIH6120 Honeywell 2,3 - 5,5 V 1 mA 1 µA Temperatur / Luftfeuchtigkeit SHT 21 Sensirion 2,1 - 3,6 V 0,3 mA 0,15 µA Luftdruck T 5400 EPCOS 1,7 - 3,6 V 0,8 mA 1 µA Beschleunigung KXT J9 Kionix 1,8 - 3,6 V 0,14 mA 2 µA Magnetometer MAG3110 Freescale 1,95 - 3,6 0,9 mA 2 µA Temperatur (Strahlung) Luftfeuchtigkeit Tabelle 5: Übersicht von Sensoren für den I2C- Bus des TECoSens- Kommunikationscontrollers Bei den Sensoren für die Temperaturmessung unterscheidet man zwischen Aufnehmern, die im Kontakt mit einem Messobjekt arbeiten und solchen, die eine Strahlungsmessung durchführen. Welcher Sensor für welchen Einsatzzweck geeignet ist, muss von Fall zu Fall entSeite 22 von 40 schieden werden. Für die Erfassung von Lufttemperaturen bieten die Strahlungs- Messaufnehmer eine sehr elegante Möglichkeit der Messung. Eine sehr interessante Kombination ist auch die Erfassung der Temperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit in einem gemeinsamen Sensor, die der Hersteller Sensirion anbietet. 5.5. Bau und Erprobung des Gesamtsystems in Ausführungen für Gebäude sowie für natürliche Umwelt Nachdem alle technischen Teilaspekte des TECoSens- Kommunikationscontrollers untersucht und die entsprechenden Teilergebnisse erarbeitet waren, wurde ein Prototyp für die testweise Anwendung in Gebäuden entwickelt und gebaut. Der in den Bildern 12, 13 und 14 gezeigte Schaltplan hat drei Seiten, auf denen die Elektronik zur Energiegewinnung, der Mikrocontroller mit I2C- Peripherie und die Funk- und Sensorbaugruppen des Geräts dargestellt sind. Bild 12: Schaltplan TECoSens (Energiegewinnung) Seite 23 von 40 Bild 13: Schaltplan TECoSens (Mikrocontroller) Bild 14: Schaltplan TECoSens (Funkmodule/Sensoren) Seite 24 von 40 An die Schaltungsentwicklung schließt sich die Entwicklung des Platinen- Layouts an, das in Bild 15 gezeigt ist. Bild 16: Layout der TECoSens- Platine (109 x 65 mm) Schaltung und Layout wurden mit Hilfe der CAD- Software Target 3001 erstellt; die Platine ist für den Einbau in ein Gehäuse des Typs Softcase des Herstellers OKW designt. Interessant an dem Softcase- Gehäuse ist, dass dieses auch in einem biologisch abbaubaren Material mit BIOGRADE- Zertifizierung angeboten wird. Für die zur Verwendung in Gebäuden vorgesehene Prototypenversion wurde dieses ökologisch verträgliche Material gewählt. Vor der Produktion ist eine 3D- Simulation der Platine sinnvoll, um nochmals die Fehlerfreiheit der Hardware, eventuelle Kollisionen von Bauteilen und die Passgenauigkeit zu prüfen. Verschiedene Ansichten dieser Simulation sind in Bild 16 gezeigt. Bild 16: 3D- Simulation der Platine, vier verschiedene Ansichten Seite 25 von 40 Im nächsten Schritt erfolgt die Fertigung und Bestückung der Platine. In Bild 17 ist diese mit ihrer Oberseite und Unterseite gezeigt. Zusätzlich sind die Erläuterungen zur Lage der Baugruppen auf der Platine gegeben. Spannungsregler Peripherie Reedkontakte Laderegler Li-Po- Akku Energy-Harvesting- Elektronik Funkbaugruppe 1 Ferrit- Transformatoren „Landeplatz“ Funkbaugruppe 2 Platinenausschnitt für TEM Bistabile Relais 1,8 / 3,3 V- Verdopplung I2C-Bus 3,3 V- Treiber Funkbaugruppe 1 Mikrocontroller mit FRAM 3,3 V- Treiber Funkbaugruppe 2 Bild 17: Platinenoberseite und –unterseite des TECoSens mit Erläuterungen Wie bereits erläutert wurde der TECoSens- Prototyp mit zwei bistabilen Relais ausgestattet, damit das Gerät auch über Aktoren verfügt. Weiterhin erwähnenswert ist, dass wegen der Uneinheitlichkeit der Spannungsversorgung von Sensoren der I2C- Bus des Mikrocontrollers, der auf 1,8 Volt ausgelegt ist, um einen weiteren I2C- Bus mit 3,3 Volt Busspannung erweitert wurde. Damit ist es möglich auch Sensoren mit höherer Versorgungsspannung anzuschließen. Als Möglichkeit zur Gerätebedienung kann eine der Funkbaugruppen dienen, z.B. bei Verwendung einer Smartphone- App über Bluetooth LE. Zur Erweiterung des Bedienkonzepts wurden zwei Reed- Kontakte vorgesehen, die mit Hilfe eines kleinen Magneten durch die Gehäusewand betätigt werden können. Seite 26 von 40 Der Zusammenbau des TECoSens Prototypen stellt keine Schwierigkeit dar, jedoch muss das Thermoelektrische Modul in dem in der Platine vorgesehenen Ausschnitt so montiert werden, dass beide Seiten in einen guten Kontakt zu den erforderlichen Thermoreservoiren I und II gebracht werden. Der Prototyp wurde für die Verwendung in einem Gebäude vorgesehen. Ein Heizkörper soll im Winter als Wärmequelle und im Sommer als Kältereservoir gegenüber der Raumluft fungieren. Die Rückseite des Gehäuses wird mit Hilfe von vier in die Rückseite eingelassenen Magneten direkt am Heizkörper befestigt, wobei das TEM hier über eine flexible, 5 mm dicke Wärmeleitfolie direkt am Heizkörper anliegt. Da das TEM selbst nur 4 mm dick ist, erreicht es die als Kontakt zur Umgebungsluft arbeitende Schlitzantenne an der Gehäusevorderseite nicht. Erforderlich ist ein Aluminiumblock, der in Verbindung mit weiteren elastischen Wärmeleitfolien diesen Zwischenraum thermisch überbrückt. In Bild 18 sind die Bauteile Aluminiumblock, Thermoelektrisches Modul und flexible Wärmeleitfolie gezeigt. Aus diesen Elementen ist der Weg, den der Wärmestrom nimmt, aufgebaut. Bild 18: Bauelemente zur Führung des Wärmestroms (Aluminiumblock, TEM und flexible Wärmeleitfolie Der fertig aufgebauten TECoSens- Prototyp kann sehr einfach an der Heizung befestigt werden. Wie in Bild 19 zu erkennen ist befinden sich an der Rückseite vier haftstarke Magnete, die das 95 g schwere Gerät sicher halten. Bild 19: TECoSens- Gerät, Rückseite und Vorderseite Seite 27 von 40 Der einsetzbare Prototyp arbeitet seit Februar an einem Heizkörper im Firmenbüro. Wie in Bild 20 gezeigt ist, wurden zwei Montagepositionen ausgewählt. Im Gerät befindet sich ein netzwerkfähiger Funktransmitter, über den man mit dem Gerät Kontakt aufnehmen kann. Mangels weiterer Netzwerkpartner kann der Prototyp sich momentan noch nicht mit weiteren Geräten vernetzen. Daher wird er im Testbetrieb als „stand-alone“- Gerät genutzt, um Betriebserfahrungen zum Energy- Harvesting zu sammeln und nachträgliche Optimierungen vorzunehmen. Den absichtlich vollständig entladenen Li-Po- Akku hat das Gerät bei ständigem Messbetrieb im 10 Minuten- Rhythmus (Temperatur Heizkörper und Temperatur Raumluft) innerhalb von 17 Tagen voll aufgeladen. Bild 20: TECoSens- Prototyp im Testbetrieb Im Rahmen der Erprobung des Prototypen wurde seit Juli 2013 auch das Funkmodul in Betrieb genommen und regelmäßig die Funkverbindung zu anderen „Kommunikationspartnern“ aufgebaut. Als einfach verfügbare Kommunikationspartner wurden noch mit Netzteil betriebene Funkbaugruppen eingesetzt, allerdings könnten dies aber auch weitere TECoSensGeräte sein, die allerdings noch nicht produziert wurden. Über die Funkverbindung konnten die Kommunikationspartner jederzeit problemlos die Messdaten des TECoSens- Prototypen abrufen; auch eine Fernsteuerung der bistabilen Relais im TECoSens- Gerät war zuverlässig möglich. Die Funktion der Funkverbindung, der Sensoren und Aktoren ist im Prinzip nichts Besonderes, interessant ist aber, wie der Energievorrat im TECoSens- Datentransmitter durch die regelmäßige Nutzung belastet wird. Hierzu ist festzustellen, dass sogar in der kritischen Zeit des Übergangs vom Sommer- in den Winterbetrieb (zeitweise keine Temperaturdifferenz, also zeitweise keine Energiegewinnung) der Füllstand des Akkus nie unter 94% abgesunken ist. Seit Beginn der Heizsaison im Oktober ist ein Energiemangel ohnehin nicht mehr zu befürchten, weil nun aus der Wärme des Heizkörpers genügend Energie gewonnen werden kann. Seite 28 von 40 Aus den gemachten Betriebserfahrungen ergibt sich, dass die Akku- Speicherkapazität des TECoSens- Prototypen zumindest für eine Anwendung in Gebäuden überreichlich bemessen ist. Das Gerät könnte unter diesen Betriebsbedingungen auch mit einem viel kleineren Akku auskommen oder ein Mehr an energieverbrauchenden Aktivitäten leisten. Allerdings sind auch Einsatzbedingungen denkbar, unter denen eine geringere Energiegewinnung möglich ist (Garagen, Freiland, Kellerräume). In diesen Fällen wäre die vorgesehene AkkuSpeicherkapazität angemessen. Somit ist im Einzelfall fallweise zu prüfen, welche EnergieMengen am vorgesehenen Standort gewonnen werden können, wie hoch der Energieverbrauch der vorgesehenen Aktivitäten ist und welche Zeiträume mit unzureichender Energiegewinnung im ungünstigsten Fall zu überbrücken sind. Für die nächste Zeit ist geplant, weitere TECoSens- Mess- und Kommunikationscontroller zu bauen, damit in Gebäudeanwendungen ein Funknetzwerk zu anderen Räumen aufgebaut werden kann. Dieses weiter entwickelte Gerät soll auch ein stromsparendes Display erhalten, das einfache Statusmeldungen und die Messwerte (z.B. Raumtemperatur) anzeigen kann. Zudem ist geplant eine unverwüstliche „outdoor“- Version des Geräts in einem witterungsbeständigen Titangehäuse zu entwickeln. 5.6. Überlegungen zu speziellen Bauformen des TECoSens- Kommunikationscontrollers Der TECoSens- Kommunikationscontroller wurde im Rahmen des geförderten Forschungsprojekts in einer Bauform realisiert, die für den interessanten Anwendungsbereich der Gebäude- und Fabrikautomation geeignet ist. Auch für Aufgaben im Bereich Landwirtschaft, Verkehrstechnik und Messaufgaben in Infrastrukturbereichen (Abwasserkanalisation, etc.) ist TECoSens direkt oder mit geringfügigen technischen Modifikationen einsetzbar. Solche Anwendungen, die allerdings im Rahmen dieses Vorhabens nicht realisiert wurden, könnten sein: • Mess- und Kommunikationsbaugruppen für Meeresforschung und Häfen in schwimmender Bauform, sowohl frei schwimmend als auch verankert (Boje). Hierbei dient das Wasser als Thermoreservoir (kalt im Sommer, warm im Winter) gegenüber der Umgebungsluft. • Integration einer Kommunikationsbaugruppe in den Betonkern eines Kanaldeckels für Aufgaben im Straßenverkehr (z.B. Leuchtmarkierungen) oder Messaufgaben in der Abwasserkanalisation. Der Boden oder die Umgebungsluft in der Kanalisation sind Thermoreservoir 1, die Luft der äusseren Umgebung das Thermoreservoir 2. Seite 29 von 40 • Einbau der TECoSens- Baugruppe in die Wand eines Gebäudes für Mess- und Kommunikationsaufgaben. • Integration in eine Sitzgelegenheit oder auch eine Klobrille, wobei die Körperwärme der sitzenden Person als Energiequelle für Messaufgaben oder Datenkommunikation dient. 5.7. Bewertung der Ergebnisse im Hinblick auf die Zielsetzung des Vorhabens Die im Antrag genannten Zielsetzungen wurden im Rahmen der Forschungs- und Entwicklungstätigkeit vollständig und mit sehr guten Ergebnissen erreicht: • Die Energiegewinnung mit Hilfe eines Thermoelektrischen Moduls funktioniert sehr gut, da bereits Temperaturunterschiede ab 1 °C im Energy Harvesting genutzt werden können. • Die Energiegewinnung ist unabhängig von der Richtung des Wärmestroms. Dies ist wichtig, da Wärmequellen und Kältereservoire durch tageszeitliche Veränderungen (Tag / Nacht) oder die Jahreszeiten (Sommer / Winter) ihre Rollen tauschen können. • Als Energiespeicher haben sich Lithium- Polymer- Akkus neuester Bauart bewährt; andere untersuchte Systeme sind weniger geeignet. TECoSens erfüllt alle Erwartungen, wurde für den Anwendungsfall der Gebäudetechnik komplett entwickelt und funktioniert so, wie es im Antrag in Aussicht gestellt wurde. Die technischen Merkmale des TECoSens- Geräts lassen sich nach Abschluss der intensiven Forschungs- und Entwicklungsarbeit wie folgt zusammenfassen: • Der TECoSens- Kommunikationscontroller verfügt über eine extrem leistungsfähige thermoelektrische Energiegewinnungsbaugruppe, die konstruktiv perfekt in das Gerät integriert ist. Als je nach Einsatzort und Jahreszeit Wärme aufnehmende oder abgebende Seite dient die Umgebungsluft, der eine großflächige Wärmeaustauschfläche angeboten wird. • Das TECoSens- Gerät verfügt über Funkbaugruppen sowohl für kurze Reichweiten als auch für lange Strecken (öffentliche Funktelefonnetze). Diese Funkbaugruppen arbeiten sowohl bedarfsgesteuert als auch abhängig von dem im Gerät zur Verfügung stehenden Energievorrat. Zudem sind die Funkbaugruppen im Betriebsmodus extrem Energie sparend. Im Ruhemodus sind die Funkbaugruppen entweder abgeschaltet oder ihr Ruhe- Energiebedarf ist als vernachlässigbar anzusehen. Seite 30 von 40 • In hohem Maße innovativ ist die Doppelnutzung der Wärmeaustauschfläche an der Gerätevorderseite als Schlitzantenne für die Funkmodule im Gerät. Die für den Wärmeaustausch wünschenswert große Metallfläche ist nämlich auch hervorragend als Antenne geeignet, da große Strukturen mit möglichst langen, auf die Wellenlänge abgestimmten Metall / Luft- Grenzlinien ein sehr gutes Empfangs- und Abstrahlverhalten haben. Es liegt auf der Hand, dass ein empfindlicher Empfang bei einem sendenden Partnergerät Energie spart, während ein hoher Abstrahlwirkungsgrad die zur Kommunikation benötigte eigene Sendeenergie minimiert. • Ebenfalls innovativ ist der im Gerät verwendete Microcontroller, der durch den FRAMDatenspeicher hervorragende Energieverbrauchsdaten aufweist, die weit über die Spezifikation herkömmlicher Controller mit RAM- und EEPROM- Speicher hinausgehen, selbst wenn diese als „besonders energiesparend“ beworben werden. Bei Speicheroperationen ist bei dem gewählten Controller dank des FRAM von einer Energieeinsparung um ca. 80% gegenüber dem nächst besten herkömmlichen Microcontroller auszugehen. • Aus Sicht der Energiebilanz interessant und innovativ ist die Wahl bistabiler Relais zum Ansteuern von Einrichtungen außerhalb des TECoSens- Geräts. Im Unterschied zu herkömmlichen Relais verbraucht diese Art innovativer Aktoren nur im Moment des Umschaltens für ca. 10 Millisekunden elektrischen Strom. In der übrigen Zeit hält das Relais den angesteuerten Schaltzustand bei, ohne Energie zu verbrauchen. • Es liegt nahe, dass auch die übrigen Komponenten ausgewählt wurden, um die Ziele des Energie- autonomen Betriebs zu unterstützen. Zu nennen sind hier die verwendeten Sensoren mit I2C- Bus und der Lithium-Polymer- Akku als Energiespeicher, der nahezu keine Selbstentladung aufweist. Anhand der beschriebenen Leistungsmerkmale ist ersichtlich, dass der TECoSens- Kommunikationscontroller weit über den Stand der Technik hinaus geht und gegenüber den aktuellen Geräten viele technische Neuerungen bietet: • Einen hohen Innovationsgrad weist die im Gerät realisierte Art des Energy- Harvestings auf. Diese geht an die Grenzen des technisch Möglichen, da sie bereits Temperaturunterschiede von nur 1°C zur Energiegewinnung nutzen kann. • Ein weiteres über den Stand der Technik hinausgehendes Merkmal der Energiegewinnung bestehen darin, dass die thermoelektrische Baugruppe Wärmeströme bidirektional (kalt/warm und warm/kalt) verwerten kann. Seite 31 von 40 • Über den Stand der Technik hinaus geht auch die innovative Idee die Wärmetauschfläche für die Umgebungsluft gleichzeitig als Schlitzantennen für die Funkbaugruppen im Gerät zu benutzen. Diese Doppelnutzung ist bislang gänzlich unbekannt und bietet zugleich für die beiden zu erfüllenden Aufgaben (Wärmetransfer und Antennenfunktion) hervorragende Leistungsdaten. • Ebenfalls neu erforscht und entwickelt ist die intelligente Rückkopplung zwischen Energievorrat und Gerätefunktion. Bislang unbekannt ist, dass Geräte mit ähnlicher Funktionsweise den Stand des Energievorrats überwachen und verbleibende Restenergie nach einem Stufenplan sparsam verwalten. • Auch die weiteren verwendeten Baugruppen gehen in ihrer Spezifikation über den aktuellen Stand der Technik hinaus. Besonders zu erwähnen ist dabei der Microcontroller, der Energie sparend arbeitet und über FRAM– Speicher verfügt. 5.8. Ökologische und ökonomische Bewertung der Ergebnisse Entwicklungen, die helfen Aufwand, Energie und Ressourcen zu sparen, sind gleichermaßen ökologisch wie ökonomisch positiv zu bewerten. Genau dies ist der Ansatz, den TECoSens verfolgt, da zahlreiche Aufgaben der Messung von Umweltparametern in Gebäuden, Fahrzeugen und natürlicher Umwelt sowie die Weiterleitung von Daten über Funkverbindungen erfolgreich und effizient wahrgenommen werden können. Sofern diese Tätigkeiten und Vorgänge auch bisher schon ausgeführt wurden, spart TECoSens durch das Prinzip der Energiegewinnung aus Wärmequellen der Umwelt Kosten und Ressourcen für Servicefahrten und Batteriewechsel. Doch nicht nur bereits bestehende Aufgaben werden erleichtert und ressourcenschonend ausgeführt, auch gänzlich neue Lösungsansätze sind durch TECoSens für wichtige Bereiche des Energie- und Umweltmanagements erstmals durchführbar. Hierzu zählen Messanwendungen in Gebäuden, Kellern und Tiefgaragen. Ferner Steuerungsaufgaben bei Starkregeneregnissen, Datengewinnung aus wichtigen Infrastrukturbauwerken (Brücken, Kanalisation) oder auch Anwendungen in der Verkehrstechnik, in Naturschutz, in der Land- und Forstwirtschaft sowie der Umwelttechnik. Den beschriebenen Vorteilen der bei TECoSens realisierten Technik stehen – wie es bei hochwertigen und innovativen Entwicklungen in der Regel der Fall ist – zunächst durchaus höhere Produktkosten gegenüber. Diese zusätzlichen Kosten werden allerdings geringer, wenn die neu angewandten Technologien vom Markt aufgegriffen werden und in größere Seite 32 von 40 Fertigungsserien übergehen. Ferner sind in der ökonomischen Bewertung auch Einspareffekte im Hinblick auf Ressourcen und Arbeitsaufwand zu berücksichtigen. Bauteil / Baugruppe KommunikationsController konventionell in Großserienfertigung 20 € TECoSens Fertigung in Kleinstückzahl mit Bauteilen aus Serienproduktion 20 € TECoSens Fertigung in Großserie mit Bauteilen aus Großserien 20 € 29 € 29 € 29 € 6€ Kosten in Baugruppe Energy-Harvesting Kosten in Baugruppe Energy-Harvesting 6€ 14 € 8€ Controller mit FRAM 15 € 6€ Controller mit FRAM 14 € 3€ konventionelle Relais 5€ bistabile Relais 3€ bistabile Relais Funkbaugruppe ISM Funkbaugruppe GSM Antennen Microcontrollerbaugruppe Sensoren Aktoren 4€ Gehäuse 3€ 12 € 8€ Material "biodegradable" Material "biodegradable" 7€ 4€ Gehäuse / Bearbeitung 2€ 12 € 4€ 2€ 5€ 4€ 0€ 28 € 16 € 89 € 141 € 108 € 30 € für 5 Jahre mit Batteriekosten 0€ 0€ 119 € 141 € 108 € Gehäuse / Montage Energiespeicher Baugruppe Energy-Harvesting Summe I Service / Wartung Summe II Tabelle 6: Tabelle zur ökonomischen Bewertung des TECoSens- Geräts Die in Tabelle 6 gegebene Übersicht zeigt, dass der TECoSens- Kommunikationscontroller die zusätzlichen Kosten, die hauptsächlich durch die Energy- Harvesting- Baugruppe verursacht werden, auch bei Berücksichtigung von Skaleneffekten in der Fertigung nicht gänzlich ausgleichen kann (Summe I). Man muss andererseits im ökonomischen Vergleich jedoch auch die Wartungsfreiheit von TECoSens berücksichtigen, so dass bei einem konventionelSeite 33 von 40 len Gerät die Kostenposition Service / Wartung zu berücksichtigen ist (Summe II, in der Tabelle für einen 5- jährigen Betrieb kalkuliert). Im Ergebnis zeigt sich eine Kostenreihung, die der Wertigkeit der Geräte entspricht. Die Kostenunterschiede sind jedoch nicht gravierend und verringern sich, wenn man für TECoSens eine Großserienfertigung annimmt. In diesem Fall ergibt sich unter Berücksichtigung der Wartungskosten sogar ein Kostenvorteil gegenüber einem konventionellen Vergleichsprodukt. 5.9. Maßnahmen zur Veröffentlichung der Ergebnisse des Forschungs- und Entwicklungsvorhabens Ergebnisse des Vorhabens wurden erstmals im am 13.4.2013 anlässlich eines Vortrags auf dem Symposium STORMWATER MANAGEMENT auf der Wasser Berlin vorgestellt. Weitere Veröffentlichungen sollen in Fachzeitschriften folgen, wobei in allen Fällen praktische Anwendungen als Fallbeispiele beschrieben werden sollen. Hier sucht ConiuGo gegenwärtig noch nach Referenzkunden in den Bereichen Gebäudeautomation, Fabrikautomation, Energiemanagement / Smart-Grid- Technologie, Kanalisationstechnik / Regenwassermanagement, Verkehrstechnik, Meerestechnik und Landwirtschaft. Zudem soll das Bekanntmachen der Technik erst dann verstärkt erfolgen, wenn aussagekräftige Berichte und Informationsunterlagen für Interessenten zur Verfügung stehen. Dies wird ab September 2013 der Fall sein. 6. Fazit Im Rahmen des von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt geförderten Forschungs- und Entwicklungsvorhabens TECoSens wurden wesentliche Grundlagen der Gewinnung elektrischer Energie durch Thermoelektrische Module erforscht. Diese Grundlagen betreffen die Ermittlung der in verschiedenen Situationen zur Nutzung zur Verfügung stehenden Temperaturunterschiede und die Entwicklung einer Technik, mit der diese zum Teil sehr geringen und im Zeitverlauf die Fließrichtung wechselnden Wärmemengen effizient gewonnen und ohne Leckstromverlust gespeichert werden können. Das Verfahren der Speicherung thermischer Energie in Enthalpiespeichern kann bei kurzzeitig zur Verfügung stehenden großen Wärmemengen sinnvoll einsetzbar sein. In der Regel ist aber die Baugröße des Enthalpiespeichers und der selbst bei hohem Isolationsaufwand unvermeidliche Energieverlust aus dem Speicher ein Grund diese Technik nicht einzusetzen. An die Gewinnung und Speicherung schließt sich die sparsame Nutzung der elektrischen Energie an. Hinsichtlich des einzusetzenden Mikrocontrollers ergab sich, dass nicht nur ein energiesparender Rechnerkern benötigt wird sondern wegen der zahlreichen Schreib- und Lesevorgänge die Art des verwendeten Speichers höchst relevant ist. Aus energetischer Seite 34 von 40 Sicht ist festzustellen, dass die FRAM- Technologie allen anderen Arten von Speichern weit überlegen und daher vorzugsweise einzusetzen ist. Für Messaufgaben sind für viele wichtige Parameter sehr gut geeignete Sensoren verfügbar; im Hinblick auf die Systemeigenschaften sind diese Schaltkreise von untergeordneter Bedeutung. Sollten vom Kommunikationscontroller auch Schaltvorgänge ausgeführt werden, so sind Bistabile Relais, die nur im Schaltvorgang für Millisekunden eine geringe Energiemenge benötigen, das zu wählende Bauteil. Bei der drahtlosen Datenkommunikation ist Wert zu legen auf ein Funkprotokoll, das die Daten eng gepackt und damit effizient überträgt. Darüber hinaus ist der Wirkungsgrad der Funkantennen extrem wichtig, um aus der eingesetzten Energie ein Maximum an Reichweite zu erzielen, bzw. bei gegebenem Übertragungsweg, diesen mit geringen elektrischen Leistungen zu überbrücken. Die im Projekt entwickelten Schlitzantennen verfügen über die erwünschte hohe spezifische Reichweite (m/mW). Im Ergebnis wurde ein Funk- Kommunikationscontroller entwickelt, der die Forschungsergebnisse prototypisch umsetzt, variabel konfiguriert werden kann und produktionsreif ist. Verschiedene hiervon abgeleitete Sonderkonstruktionen sind denkbar und erschließen sehr interessante Anwendungsmöglichkeiten. Seite 35 von 40 7. Literaturverzeichnis Energy-Harvesting [1] BRAUN, T.: Energie-Ernte zeigt den Weg in die Zukunft. funkschau 20, S10-11, 2012 [2] iC-HAUS (Hrsg.): So funktioniert der Energy-Harvesting-Sensor-ASIC. ELEKTRONIKPRAXIS 13, S34-35, 2012 [3] VERZIRIDES, A. et al.: Mit TOMS Wärmeenergie umwandeln. E&E-Kompendium 2012, S89-92, 2012 [4] ARMSTRONG, T.: Einsatzmöglichkeiten für die Energieernte gibt es überall. E&EKompendium 2012, S93-96, 2012 [5] SCHMIDT, F.: Energy harvesting wireless – the secret to M2M’s success. Microwave Engineering Europe 3/4, S18-19, 2012 [6] RAJU, M.: Energy Harvesting A game-changing combination for design engineers. White Paper Texas Instruments 2008 [7] SCHNECKLER, D.: So spart das Gehirn Strom. E&E 9/2012, S62-67, 2012 [8] MACKENSEN, E.: Energy-Harvesting-basierte drahtlose Sensor-Systeme. Beiträge aus Forschung und Technik, Hochschule Offenburg, S76-79, 2013 Thermoelektrische Module [9] SUPERCOOL AB.: Thermoelectric Modules, Firmenschrift der Supercool AB. Göteborg, Schweden. 2004 [10] KUPSCH, W. J.: Anmerkungen zur Anwendung der Peltier- Elemente, Firmenschrift der Peltron GmbH. Fürth, Deutschland. 2011 [11] MICROPELT GmbH: Thin Film Thermogenerators and Sensing Devices, Firmenschrift der Micropelt GmbH. Freiburg, Deutschland. 2011 [12] CUI INC.: Peltier-Module CPM-2F, Datenblatt. CUI Inc. 2008 Seite 36 von 40 Energiegewinnung, Elektrische Speicher, Enthalpiespeicher [13] FRANKE, M.: Verlustarmer, automatischer Polwender mit minimalem Aufwand, ELEKTRONIKPRAXIS S11, S24, 2011 [14] ADVANCED LINEAR DEVICES INC.: ALD212900/ALD212900A Precision NChannel EPAD MOSFET Array, Datenblatt Ver. 1.0. 2013 [15] DIODES INC.: DMC2038LVT Complementary Pair Enhacement Mode MOSFET, Datenblatt. 2012 [16] DIODES INC.: DMC2038LVT Complementary Pair Enhacement Mode MOSFET, Datenblatt. 2012 [17] LINEAR TECHNOLOGY Corp.: LTC3109 Auto-Polarity, Ulralow Voltage Step-Up Converter and Power Manager, Datenblatt. 2012 [18] LINEAR TECHNOLOGY Corp.: LTC4054L 150mA Standalone Linear Li-Ion Battery Charger in ThinSOT, Datenblatt. 2011 [19] CODICO GmbH: Infinite Power Solutions. IMPULSE 2/2012, S36-38, 2012 [20] SPS CO. LTD: Supreme Power Solutions – Products and Solutions, Produktbroschüre mit Technischen Daten. 2012 [21] RUBITHERM GmbH.: RT31 Technisches Datenblatt. 2012 [22] KUNZE, B.: Wärmeleitende Softsilikone für coole Medien. elektronik industrie 10, S3637, 2006 [23] KUNZE HEATMANAGEMENT: Hochwärmeleitende Softsilikonfolie KU-TXE, Datenblatt. 2012 [24] KUNZE HEATMANAGEMENT: Hochwärmeleitende Softsilikonfolie KU-TXS, Datenblatt. 2012 [25] KUNZE HEATMANAGEMENT: Hochwärmeleitende Softsilikonfolie KU-TXST, Datenblatt. 2012 Seite 37 von 40 Mikrocontroller [20] CUNDLE, M.: Warten auf den Thronfolger. E&E-Magazin 3/2013, S28-23, 2013 [21] DANG, D.: Drahtlos mit FRAM-basierten Mikrocontrollern. eD-kompendium 2012, S56-58, 2012 [22] BORGESON, J.: Introducing advanced security to low-power applications with FRAMbased MCUs. Whitepaper Texas Instruments Inc., 2012 [23] TEXAS INSTRUMENTS INC.: MSP430 Ultra-Low-Power Microcontrollers. Whitepaper Texas Instruments Inc., 2012 [24] ENERGY MICRO AS: EFM32 G8XX STK, Manual für Microcontroller- Platform. 2011 [25] ENERGY MICRO AS: EFM32 G890 STK, Datenblatt. 2011 [26] RENESAS ELECTRONICS CORPORATION: RL78G13 Renesas Starter Kit User’s manual. Manual für Microcontroller- Platform. 2012 [27] RENESAS ELECTRONICS CORPORATION: RL78/G13 Renesas MCU, Datenblatt. 2012 [28] TEXAS INSTRUMENTS INC.: MSP-EXP430F5438 Experimenter Board User's Guide, Manual für Microcontroller- Platform. 2012 [29] TEXAS INSTRUMENTS INC.: MSP430F543x, MSP430F541x Mixed Signal Microcontroller, Datenblatt. 2012 [30] TEXAS INSTRUMENTS INC.: MSP430 Hardware Tools User's Guide, Manual für Microcontroller- Platform. 2012 [31] TEXAS INSTRUMENTS INC.: MSP430FR59xx, MSP430FR58xx Mixed Signal Microcontroller, Datenblatt. 2012 Sensoren, Aktoren [32] AMA FACHVERBAND (Hrsg.): Themen, Trends und Technologien: Die SENSOR+ TEST 2013. ELEKTRONIKPRAXIS 6, S30-32, 2013 Seite 38 von 40 [33] MAXIM INC.: DS75 Digital Thermometer and Thermostat, Datenblatt. 2012 [34] SENSIRION AG: SDP600 Series Differential Pressure Sensor, Datenblatt. 2012 [35] SENSIRION AG: SHT21 Humidity and Temperature Sensor IB Series, Datenblatt Version 3. 2011 [36] TEXAS INSTRUMENTS INC.: LM75B LM75C Digital Temperature Sensor and Thermal Watchdog with Two-Wire Interface, Datenblatt. 2009 [37] TEXAS INSTRUMENTS INC.: TMP006 TMP006B Infrared Thermopile Sensor in Chip-Scale Package, Datenblatt. 2013 [38] MELEXIS : MLX90615 Infra Red Thermometer, Datenblatt Rev.002. 2010 [39] TEXAS INSTRUMENTS INC.: I2C Guide. Whitepaper Texas Instruments Inc., 2012 [40] KIONIX INC.: KXT J9 Accelerometer, Datenblatt. 2013 Funkmodule [41] MENA, R.A. KOZITSKY, A.: NFC- basierte Sensornetzwerke mit FRAM- Controller. Elektronik 6/2013, S39-40, 2013 [42] TEXAX INSTRUMENTS INC.: eZ430-RF2500 Development Tool, User’s Guide. 2009 [43] TELIT COMMUNICATIONS SPA: Telit H24 Hardware User Guide. 2012 [44] TELIT COMMUNICATIONS SPA: Telit_H24 AT Commands Reference Guide. 2012 [45] TELIT COMMUNICATIONS SPA: Telit xE50-433/868 RF Module User Guide. 2012 [46] TELIT COMMUNICATIONS SPA: Telit ME50 169 RF Module User Guide. 2012 [43] TELIT COMMUNICATIONS SPA: Telit Wireless M-Bus 2010 Part4 User Guide. 2011 Seite 39 von 40 [44] LAIRD INCORPORATED: Bluetooth AT Data Module BTM410/411. Datenblatt, 2012 [45] LAIRD INCORPORATED: Bluetooth AT Data Module BTM430/431. Datenblatt, 2012 [46] LAIRD INCORPORATED: DSH 50003 v1v4 AT Command Reference. 2005 Seite 40 von 40
