Entwicklung eines elektromagnetischen Energy Harvester für einen

Fachbereich: Elektrotechnik und Informatik
Lehrstuhl: Bauelemente und Mikroelektronik
Prof. Dr. Jan Albers
Entwicklung eines elektromagnetischen Energy Harvester
für einen gedämpften Fahrradsattel
mechatronisches Entwicklungsprojekt WS 09/10
A. Mohib, I. Abdelhaq, O. Hakim, R. Willems, T. Yildiz, Paul Schmidt, El Bakri Taoufik, U. Dreiner, A. Nieland, J. Albers
Einführung und Grundlagen: Energy Harvester werden eingesetzt, um aus der
Umgebung Energie zu gewinnen. Damit können energieautarke Systeme entwickelt
werden [1], die aus den Komponenten Harvester, Elektronik und Energiespeicher
bestehen (Abb.1).
In diesem Projekt wurde ein elektromagnetischer Energy Harvester aufgebaut, der die
Bewegung eines gedämpften Fahrradsattels nutzt, um Energie für die Beleuchtung zu
gewinnen.
Grundlage für einen elektromagnetischen Energy Harvester ist das Faradaysche Gesetz, nach
dem ein zeitlich verändertes magnetisches Feld dΦ/dt in einer Spule eine Induktionsspannung
Uind erzeugt. Es gilt:
U ind = −
Harvester
(Energieerzeugung)
Elektronik
(Gleichrichter)
Energiespeicher
(Kondensator)
Abb. 1
Verbraucher
(LED)
Literatur:
[1]: O. Kanoun, J. Wallaschek: Energy Harvesting; expert Verlag (2008)
[2]: S. Priya, D.J. Inman: Energy Harvesting Technologies; Springer Verlag (2009)
dΦ
dΦ dx
dφ dx
=−
⋅ = −N
⋅
dt
dx dt
dx dt
Die induzierte Spannung erzeugt in der Spule einen Strom, der ein magnetisches Gegenfeld
aufbaut. Daraus resultiert eine Kraft Fem, die von der elektromagnetischen Dämpfung Dem und
der Geschwindigkeit des Magneten dx/dt abhängt. Für die Bewegung des Magneten ist daher
ein mechanische Leistung Pm notwendig, die durch die Induktionsspannung in eine elektrische
Leistung Pe umgewandelt wird. Es gilt:
2
1
 dΦ 
dx 
dx  dx
Dem =


Pe = Pm = Fem ⋅ =  Dem  ⋅
RL + RC + jωLC  dx 
dt 
dt  dt
Stoßdämpfer
Magnet
Spule
Dabei sind RL der Last-, RC der Spulenwiderstand und L die Spuleninduktivität.
Für eine möglichst große elektrische Leistung Pe müssen also die Geschwindigkeit des
Magneten dx/dt und die elektromagnetischen Dämpfung Dem möglichst groß sein [2].
Elektronik
Abb. 2
Messung: Für die Messungen wurde eine gegebene Spule
S
mit unbekannter Windungszahl (ca. 3000) verwendet. Ein
Neodym(NdFeB)-Zylindermagnet wurde über eine PVCStange am Sattel befestigt und in das Führungsrohr der Spule
eingeführt (Abb. 2).
Um die Energie zu speichern, wurde eine einfache Elektronik
F
aufgebaut, mit der ein Kondensator geladen werden konnte
(Abb. 3). Die Gleichrichtung der Induktionsspannung erfolgt
durch eine konventionelle Brückenschaltung mit Silizumdioden
Abb. 3
(D1-D4). Vor dem Kondensator (C2) wurde ein Widerstand
(R1) gesetzt, über dessen Spannungsabfall der Ladestrom bestimmt wurde.
Über den Schalter S und den Widerstand (R2) konnte die LED (D5) eingeschaltet werden. Mit einer
Messwerterfassung, die direkt an die USB-Schnittstelle eines Laptops angeschlossen wurde, konnte der
Ladestrom und die Induktionsspannung bei verschiedenen Fahrten gemessen werden (Abb. 4).
Messwerterfassung
Abb.4
Ergebnis: Die Messungen fanden auf gerader Asphaltstraße statt. Dabei
wurde die Induktionsspannung bei einer langsamen und einer schnelleren Fahrt
gemessen (Abb. 5). Die langsame Fahrt zeigt Spannungsstöße bis zu 4 V,
während bei der schnelleren Fahrt auch Spannungen über 5 V erreicht wurden.
Die Brückenschaltung sorgt für die notwendige Gleichrichtung der
Induktionsspannung. Durch die zwei in Reihe geschalteten Silizuimdioden im
Vollbrückengleichrichter werden nur Spannungsstöße über 1,4 V durchgelassen
langsame Fahrt
schnelle Fahrt
(Abb. 6). Der gemessene Ladestrom über den Widerstand R1 zeigt, dass der
Abb. 5
Kondensator nur geladen wird, wenn die Induktionsspannung größer ist als die
momentane Kondensatorspannung (Abb. 6).
Ladestrom und Ladespannung ergeben die momentane Leistung mit der der Kondensator geladen wird. Hier
zeigt sich, dass bei der schnelleren Fahrt eine momentane Leistung von 120 mW erreicht werden kann (Abb. 7).
Die durchschnittliche Leistung ergibt sich durch die im Kondensator gespeicherte Energie (E = ½ · C·U2) Bei der
langsameren Fahrt wird der Kondensator in 4 min von 0,81 V auf 1,32 V aufgeladen. Dies ergibt eine
durchschnittliche Leistung von 2,5 ·10-6 W. Bei der schnelleren Fahrt beträgt die durchschnittliche Leistung 10,5
·10-6 W. Die schnellere Fahrt erzeugt damit auch ein größere Leistung, da der Magnet hier schneller und mit einer
größeren Amplitude durch die Spule geht.
Abb. 6
Abb. 7
Die LED konnte mit diesen kleinen Leistungen nicht dauerhaft zum Leuchten gebracht werden.