Astrose® Autarke Sensorik für das
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7. Workshop Ambient Energy for Ambient Intelligence GFAI, 15.02.2017 Astrose® Autarke Sensorik für das Freileitungsmonitoring H. Pötter, C. Brockmann, V. Großer, S. Benecke Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) Februar 2017 © Fraunhofer Fraunhofer IZM, R3S, Folie 1 Autarke Sensorik für das Freileitungsmonitoring Agenda 1. Vorstellung des Fraunhofer IZM 2. Astrose® - Autarke Sensorik für das Freileitungsmonitoring 1. Systemkonzept 2. Energy Harvesting 3. Energy Management 4. Energy Storage 5. Finale – Astrose in der Anwendung 3. Leistungsangebot „Autarke Sensorik“ Februar 2017 © Fraunhofer Fraunhofer IZM, R3S, Folie 2 Fraunhofer IZM Member of Fraunhofer’s Group Microelectronics Organization 16 institutes – 3,000 employees – 345 Mio € budget (2015) More than 50% industrial contracts 18% basic funding 32% public projects / other revenues Com petencies : Systems - Components - Technologies Bus ines s Fields Ambient Assisted Living, Health & Well-being Energy Efficient Systems Mobility & Urbanization Smart Living Fraunhofer IZM’s task within Fraunhofer Bringing Microelectronics into Application Research Focus of Fraunhofer IZM Functionality © Fraunhofer IZM Reliability © Fraunhofer IZM Application Trends Form Factor Cost © Fraunhofer IZM © Fraunhofer IZM Fraunhofer IZM’s Department RF & Smart Sensor Systems Application Oriented System Integration for CPS Technology Departments @ IZM Material & Technology Development Material & Technology Integrated Components Technologies System Components (Integrated & Discrete) Micro/ Macro Cloud Sensor Elements Prototyping Reliability/Sustainability Smart Sensor Nodes/System Sensors, MEMS. Power Product Integration Interface to mobile Devices MPU, Memory Passives wireless RF Example of an Application Electrical Technology Characterization & Optimization Component Design & Integration using Advanced Packaging Technology Module/System Design & Integration using Advanced Packaging Technology Application-Specific Interface Design, Analysis and Programming RF & Smart Sensor Systems Department @ IZM Februar 2017 © Fraunhofer Fraunhofer IZM, R3S, Folie 6 Astrose® Systemkonzept Februar 2017 © Fraunhofer Fraunhofer IZM, R3S, Folie 7 ® ASTROSE Netzwerk von Funksensoren zur: Messdatenerfassung an Hochspannungsfreileitungen, Weiterleitung der Messdaten und Nutzung in der Schaltleitung Februar 2017 © Fraunhofer Fraunhofer IZM, R3S, Folie 8 ® ASTROSE misst: wird genutzt zur: + Erhöhung der Stromtragfähigkeit Eiswarnung Event- (Gefahren-) detektion Erdschlussdetektion (in Vorbereitung) Seilneigung Seiltorsion Stromfluss Erdschluss (in Vorbereitung) Temperatur im Funksensor funktechnische Parameter Februar 2017 © Fraunhofer Fraunhofer IZM, R3S, Folie 9 Astrose®-Systemkonzept Ex terne Daten (Wetter etc.) Protokolle: TCP/IP IEC 60870-101 S ens orknoten Gatew ay S erv er S oftw are-Clients : Daten des Netzbetreibers (Anlagen- und GeoInformationssysteme) Februar 2017 © Fraunhofer Fraunhofer IZM, R3S, Folie 10 ASTROSE®-Funksensorknoten a/d Sensorik 1 Speicher Energie a/d Sensorik 2 a/d Sensorik 3 Mikrokontroller Funktransceiver a/d Sensorik n HMI Antenne S tandardv ariante: Kapazitiver Harvester Kommunikation im 2,4 GHz Band Messdatenversand aller 15 Minuten Messung der Seilneigung Messung der Seiltorsion Messung des Stromflusses Messung der Funksensorinnentemperatur Variante Batteriebetrieb: Batteriepack statt kapazitiver Harvester Variante Tes tbetrieb: Harvester oder Batteriebetrieb Wählbarer Abstand der Kommunikationsintervalle Quelle: Fraunhofer IZM und ENAS Februar 2017 © Fraunhofer Fraunhofer IZM, R3S, Folie 11 Baugruppen des ASTROSE®-Funksensorknoten Elektronik Antennenschalen Elektronikhalterung Außenhülle (mit Harv es ter) Quelle: Fraunhofer IZM Februar 2017 © Fraunhofer Fraunhofer IZM, R3S, Folie 12 Astrose®-Softwareoberfläche im stationären Betrieb Quelle: Fraunhofer IZM Februar 2017 © Fraunhofer Fraunhofer IZM, R3S, Folie 13 Astrose® Energy Harvesting in Zusammenarbeit mit Steffen Kurth und Sven Voigt, Fraunhofer ENAS Februar 2017 © Fraunhofer Fraunhofer IZM, R3S, Folie 14 Leistungsanforderungen energieautarker Systeme Umgebung Energie Licht Temperaturunterschiede Kinetische Energie Autarke Energieversorgung Messgröße Sensor Signal- und Datenverarbeitung Kommunikationsschnittstelle Benutzer Kommunizierendes System Mikrosystem Februar 2017 © Fraunhofer Fraunhofer IZM, R3S, Folie 15 Energy Harvesting – Technologieüberblick Eingangsgröße Umgebung Optische Energie in Form von Licht sunlight Thermische Energie aus Temperaturgradienten Kinetische Energie aus mechanischen Schwingungen cold Electrode (static) Electrode (dynamic) Energy Harvester Electrode (static) hot Solarzellen Thermoelektrische Elemente Piezoelektrische Wandler Verfügbare Technologien • α-, p-, m-kristallines Si • GaAs • Dünnfilm, z.B. CdTe • Polymer • Farbstoff basiert • Multi junction Bi2Te3 – basierte Halbleiter: • Makro - auf Keramiksubstraten • Mikro - auf Si-Wafer bzw. Polyimid PZT – basierte Keramiken: • Makro - resonante Bimorphstrukturen • Mikro - prototypische Labormuster • Makro – Diskreten • Simulation kapazitiver Komponenten MEMS(Mikrospulen, Interdigitalstrukturen Permanentmageneten) • Mikro - prototypische • Mikro - prototypische Labormuster in Labormuster Entwicklung Zukünftige Herausforderungen • Erhöhte Lebensdauer • Erhöhte Lebensdauer organischer Zellen mikrotechnischer • Konzentratoren Komponenten • Kombinierte Ansätze • Kostenreduktion (z.B. Thermoelektrik + durch großvolumige Photovoltaik) Batch-Produktion • Markteintritt mikrotechnischer Wandler • Entwicklung von Strukturen mit aktiver Resonanzanpassung • Entwicklung von • Entwicklung effizienter Dünnfilmprozessen zur Ladeelektronik Abscheidung hartmag• Integration von netischer Materialien Elektreten zur Initiierung • Optimierung planarer des Ladeprozesses Spulen © Fraunhofer Induktive Wandler Kapazitive Wandler Energy Harvesting – gewähltes Prinzip Stark vereinfachte Darstellung! 110 KV Leiterseil 1 110 KV 1,5 nF/km Leiterseil 2 U 66 KV ZHarvester 𝑍= 8-10 nF/km ZErde Februar 2017 © Fraunhofer 1 𝑗𝜔𝐶 𝑈 𝑍 𝐼 = 𝑈 ∗ 𝑗𝜔𝐶 𝐼= Fraunhofer IZM, R3S, Folie 17 Astrose® Energy Management Februar 2017 © Fraunhofer Fraunhofer IZM, R3S, Folie 18 Struktur des ASTROSE®-Funksensorknoten Februar 2017 © Fraunhofer Fraunhofer IZM, R3S, Folie 19 Energiebedarf Beim Energiebedarf zu berücks ichtigende Module • Kommunikation • Netzwerkkoordination • Messwertvorverarbeitung Februar 2017 © Fraunhofer • Sensorik • Energiemanagement • Diagnosefunktion (Alarm-Telegramm) Fraunhofer IZM, R3S, Folie 20 Netzwerkparameter Herausforderungen und Ressourcenbedarf der Netzwerkkoordination • Synchronität • Protokollumsetzung • Routing • Kollisionen • Fehlerkorrektur Februar 2017 © Fraunhofer Fraunhofer IZM, R3S, Folie 21 Energiemodellierung Erstellung eines fein granulierten Energiemodells zur Abschätzung der Ressourcen Modellierung bekannter Größen Sendezeit Messdauer Intervalle Abschätzung unbekannter Einflüsse Störungen durch Hochspannung Störung durch andere Netze (atmosphärische Phänomene) Drift durch Temperatur-Schwankungen Programmverweigerungen Februar 2017 © Fraunhofer Fraunhofer IZM, R3S, Folie 22 Störungsauswirkungen Modellparameter und –größen ergeben sich aus: Paketwiederholungen (ARQ-Schema ) Synchronisationsverluste (Verbreiterung des Empfangsslots) Bitfehler (Erkennung) Szenariengetriebene Parameter Samplingrate Datenrate Adressraum (Paketlänge) Sende- und Empfangsenergie sind funktionsbestimmend. Zur Energieeinsparung muss der Dutycycle daher besonders klein sein. Februar 2017 © Fraunhofer Fraunhofer IZM, R3S, Folie 23 Energiebedarf Februar 2017 © Fraunhofer Fraunhofer IZM, R3S, Folie 24 Energiebedarf Februar 2017 © Fraunhofer Fraunhofer IZM, R3S, Folie 25 Astrose® Energy Storage Februar 2017 © Fraunhofer Fraunhofer IZM, R3S, Folie 26 Energiespeicherung – Ultra Caps 85 Pkt. AAv smooth of "Strom 500 Leckstrom [µA] 400 Hohe Leckströme 300 Quelle: Cap-XX 200 Stabilisierung des Leckstroms bei 2µA 100 0 00:00 04:48 09:36 14:24 19:12 Zeit [h:min] Februar 2017 © Fraunhofer Fraunhofer IZM, R3S, Folie 27 Energiespeicherung - Elektrochemisch Sekundäre Primäre Batterien Batterien Volumetrische Energiedichte ρV [Ws/cm³] Februar 2017 © Fraunhofer NiMH Li-Ion Alkali Li-MnO2 Zink-Luft 860 Selbstentladungsrate p [%/Monat] NiMH 1080 1200 2880 Li-Ion 5% Alkali 4% Li-MnO2 3780 20% Zink-Luft 0,10% 30% Fraunhofer IZM, R3S, Folie 28 Finale Februar 2017 © Fraunhofer Fraunhofer IZM, R3S, Folie 29 ASTROSE® - Anwendung Freileitungsmonitoring bei 110 kV 2014: Realis ierung Pilotanw endung 12 km Freileitung mit Monitoring im Harz 59 Funksensorknoten Stabiles Funknetzwerk seit September 2014 finale Testphase vor Ort Termin jährlich: über 2.000.000 Datensätze Installation Quelle: Fraunhofer IZM, Fraunhofer ENAS, MPD GmbH Februar 2017 © Fraunhofer Fraunhofer IZM, R3S, Folie 30 Werbung in eigener Sache zum Schluss Leistungsangebot „Autarke Sensorik“ Februar 2017 © Fraunhofer Fraunhofer IZM, R3S, Folie 31 Autarke Sensorik – Unsere Kompetenzen Februar 2017 © Fraunhofer Fraunhofer IZM, R3S, Folie 32 Smart Sensor Systems – Unser Angebot Februar 2017 © Fraunhofer Fraunhofer IZM, R3S, Folie 33 Danke an unsere Förderer und Partner Fördermittelgeber Projekt Astrose Partner Fraunhofer-ENAS LTB First Sensor AG Mitnetz Strom GmbH Projekt Isostrose Amprion GmbH Elmos AG Unilab GmbH KE Automation GmbH TU Chemnitz Februar 2017 © Fraunhofer Fraunhofer IZM, R3S, Folie 34 Vielen Dank! Kontakt: Dipl.-Ing. Harald Pötter Fraunhofer IZM Dept. RF & Smart Sensor Systems Gustav-Meyer-Allee 25 D-13355 Berlin Telefon: +49 (0)30/46403-742 E-mail: [email protected] Februar 2017 © Fraunhofer Fraunhofer IZM, R3S, Folie 35