Energy Harvesting
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Energy Harvesting Energieautarke Systeme Björn Miksch Universität Stuttgart Ferienakademie 2011 18.9. – 30.9.2011 1/25 Energy Harvesting • Erzeugung von Strom aus ubiquitären Quellen (z. B. Umgebungstemperatur, Vibrationen, Luftströmungen) • Energiespeicherung • Verwendung für kleine autarke Systeme (z. B. drahtlose Sensoren, tragbare Geräte) 2/25 Überblick • • Energiespeicherung verschiedene Formen der Stromerzeugung • grundlegender Effekt • Anwendungsbeispiele • energieautarke Radelektronik 3/25 Möglichkeiten der Energiespeicherung • Akkumulatoren • Kondensatoren • Doppelschichtkondensatoren • Mikrobrennstoffzellen mit Wasserstoffspeicher 4/25 Möglichkeiten der Stromerzeugung • Elektromagnetische Generatoren • Bewegung, Vibrationen • Luft-/Wasserströmungen • Piezoelektrizität • Pyroelektrizität • Thermoelektrische Generatoren • Elektrostatische Stromerzeugung • Photovoltaik • Antennen für elektromagentische Wellen aus der Umgebung Elektrochemische Stromerzeugung • • Ausnutzung von Konzentrationsgradienten • Brennstoffzellen für Brennstoffe in der Umgebung 5/25 Elektromagnetische Generatoren • Elektromagnetische Induktion Uind = − Z A ∂~B ~ · dA ∂t Elektromagnetischer Linearwandler1 1 Shearwood C., Yates R.B., Development of an electromagnetic mirco-generator, Electronic Letters, 33(22), 1997 6/25 Elektromagnetische Generatoren • Linearwandler • Wandlung von Vibrationen (möglichst hochfrequent) • z. B. an Maschinen, Motoren, Schuhe • Rotationsgenerator • Kleine Turbinen für Energie aus Strömungen • z. B. Wind, Strömung in Rohren, Fahrtwind • Energiegewinnung aus der Bewgung bei tragbaren Sytemen • z. B. Uhren, Kleidung 7/25 Piezoelektrizität • Verlagerung der Ladungsschwerpunkte im piezoeleketrischen Material durch gerichtete Verformung • Polarisation der Elementarzellen führt zu einer makroskopisch messbaren elektrischen Spannung • Menge der Ladungen an der Kristalloberfläche proportional zur mechanischen Spannung Q∝σ 8/25 Piezoelektrizität piezo_led.mov 9/25 Piezoelektrizität - Anwendungen • Piezoschwinger in Druckluftystem zur Versorgung eines Drucksensors • Biegsame Piezokeramiken an Rucksackträgern (ca. 150 mW) • Energieautarke Radelektronik: Schwingfähiges Sytem aus einem Piezobiegewandler zur Energieversorgung 10/25 Piezoelektrizität - Anwendungen • Stromerzeugung mit der Schuhsohle beim Laufen • Energieautarke Funkschalter: Energieversorgung ausschließlich durch piezoelektrisch gewonnene Energie beim Tastendruck 11/25 Pyroelektrizität • Ionenkristalle mit permanenter elektrischer Polarisation • Oberflächen laden sich bei Temperaturänderung auf • Menge der Ladungen proportional zur Temperaturänderung Q ∝ ∆T • Verwendung Infrarotsensor • Bisher keine praktische Anwendung zur Stromerzeugung 12/25 Thermoelektrizität • Seebeck-Effekt • Elektrische Spannung in einem Stromkreis aus verschiedenen Leitern (A & B) bei einer Temperaturdifferenz zwischen den Kontaktstellen Z T2 U= • T1 (SB (T ) − SA (T )) dT Seebeck-Koeffizienten S in der thermoelektrischen Spannungsreihe 13/25 Thermoelektrische Generatoren • Erzeugung einer elektrischen Spannung zwischen den Elektroden • Temperaturdifferenz ∆T zwischen den Enden der Leiter- oder Halbleiterstruktur • Thermoelektrische Generatoren (Peltier-Element) zur Stromerzeugung aus Temperaturunterschied • Thermoelemente als Temperatursensor 14/25 Thermoelektrizität - Anwendungen • Uhren mit thermoelektrischem Generator: Nutzung des Tempearturunterschieds zwischen Körper und Außentemperatur • Nutzung von Abwärme: Motoren, Maschinen, Auspuff • Radionuklidbatterien 15/25 Kapazitive Generatoren Variabler Kondensator als Generator2 • • • • 2 Miao Aufladen des Kondensator bei kleinem Plattenabstand Durch Vergrößern des Abstands, Spannungserhöhung Entladen bei höherer Spannung, aber gleicher Ladung ⇒ Energiegewinn Entfall der Hilfsspannung bei Nutzung von Elektreten et al., Micro-Machined Variable Capacitors for Power Generation, Proc. IOP Conference on Electrostatics, 2003 16/25 Photovoltaik • Basiert auf dem inneren photoelektrischen Effekt • Ladungstrennung durch Lichteinwirkung • je nach Material Wirkungsgrad im großtechnischen Einsatz über 20 % • poly- und monokristalline Siliziumzellen • Dünnschicht Solarzellen aus amophem Silizium • organische Solarzellen 17/25 Photovoltaik - Anwendungen • Insellösungen: Verkehrsysteme, Straßenlaternen • Taschenrechner • biegsame Dünnschicht Solarzellen auf Kleidung • Solarfahrzeuge • Raumfahrt 18/25 Antennen • Antennen zur Nutzung elektromagnetischer Wellen aus der Umgebung • Radiowellen von Rundfunk und Handynetz • Passive RFID Transponder 19/25 Bio-Brennstoffzellen Glucose-Brennstoffzelle3 • Elektrochemische Energiewandlung von Glucose Anode: Glucose −→ Gluconsäure + 2H+ + 2e− Kathode: O2 + 4H+ + 4e− −→ 2H2 O • Anwendung im menschlichen Körper • Implantate: z. B. Herzschrittmacher 3 Kerzenmacher et al., Glukose-Brennstoffzellen als autarke Energieversorgung für medizinische Mikro-Implantate, 2007 20/25 Energieautarke Radelektronik4 • herkömmliche Reifendrucksensoren sind batteriebetrieben • Batteriewechsel • Enstsorgung • 4 Haas, drahtgebundene Energieversorgung nur schwierig über Schleifkontakte T., Intelligenter Reifen mit energieautarker Mikroelektronik, Technisches Messen, 74, 2007 21/25 Energieautarke Radelektronik4 • Stromerzeugung mit Piezoschwinger durch Rotation des Rads • Gravitationskraft konstant, Zentrifugalkraft rotiert mit 4 Haas, • Befestigung an der Felge oder am Reifen • zur Verfügung stehende mechanische Energie zwischen 50 µW und 280 µW reicht nach der Wandlung für die Schaltung T., Intelligenter Reifen mit energieautarker Mikroelektronik, Technisches Messen, 74, 2007 22/25 Energieautarke Radelektronik4 • Brückengleichrichter für Wechselspannung des Piezobiegebalkens • Energiespeicherung in Kondensator bei ausreichender Spannung Messung und Datenübertragung per Funk • • durschnittliche Sendeintervalle von 9.4 s • herkömmliche Radelektronik ca. 60 s (für Batterielaufzeit von 5 Jahren) • 4 Haas, Funktionsfähigkeit getestet bis 250 km/h T., Intelligenter Reifen mit energieautarker Mikroelektronik, Technisches Messen, 74, 2007 23/25 Energieautarke Radelektronik4 4 Haas, T., Intelligenter Reifen mit energieautarker Mikroelektronik, Technisches Messen, 74, 2007 24/25 Fazit • • Produkte in einige Bereichen vorhanden aktuelles Forschungsgebiet • höhere Effizienz und Miniaturisierung für autonome Sensoranwendungen • größere Leistungsdichten für größere Verbraucher (z. B. Laptops) • interessante Konzepte für medizinische Anwendungen • Verdrängung der Batterie aus vielen Bereichen • Wartungsfreie Komponenten zum Einbau an schwer zugänglichen Stellen • zugunsten der Umwelt 25/25
