Ziel dieser Arbeit ist es, einen Überblick über die bestehenden Anwendungen zu geben, die Prinzipien dahinter zu erklären und einen Ausblick auf die Zukunft dieser Technologien zu geben. Im ersten Teil der Arbeit werden hierfür die theoretischen Grundlagen dargestellt. Die Begriffe Energy Harvesting und Energy Scavenging werden definiert und gegeneinander abgegrenzt. Außerdem wird der Bedarf für eine autarke Energieversorgung aufgezeigt und schließlich werden die verschiedenen verfügbaren Energiequellen aufgezählt und erläutert. Der zweite Teil beschäftigt sich mit den technischen Anwendungsprinzipien, die für Energy Harvesting Systeme verwendet werden können. Nachdem der jeweils zugrunde liegende physikalische Effekt erklärt wurde, wird der Stand der Technik dargelegt und die Vor- und Nachteile des Prinzips erläutert. Der abschließende dritte Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der zukünftigen Entwicklung der Technik und des Marktes der energieautarken Systeme. Nach einem Überblick über aktuelle Studien und Produktkonzepte wird theoretisch dargestellt, welche Forschungsmethode (Expertenbefragung) verwendet werden sollte, um generellere Aussagen über die Entwicklung des Energy Scavenging treffen zu können. Danach werden die befragten Personen und deren Institutionen vorgestellt. Schließlich werden deren Aussagen und zusätzliche Materialien zusammengefasst, um einen Einblick in die möglichen Trends und Entwicklungen auf dem Markt zu erhalten.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Theoretische Grundlagen
2.1. Definitionen und Abgrenzung
2.2. Motivation/Bedarf für Energy Harvesting
2.3. Energie-Quellen
3. Anwendungsprinzipien
3.1. Piezoelektrisches Anwendungsprinzip
3.1.1. Physikalischer Effekt
3.1.2. Stand der Technik
3.2. Elektromagnetisches Anwendungsprinzip
3.2.1. Physikalischer Effekt
3.2.2. Stand der Technik
3.3. Elektrostatisches Anwendungsprinzip
3.3.1. Physikalischer Effekt
3.3.2. Stand der Technik
3.4. Thermoelektrisches Anwendungsprinzip
3.4.1. Physikalischer Effekt
3.4.2. Stand der Technik
4. Zukünftige Entwicklung
4.1. Aktuelle Studien und Produktkonzepte
4.2. Forschungsmethode
4.3. Expertenbefragung
4.4. Befragte Experten
4.5. Ergebnisse der Befragung
5. Fazit
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit zielt darauf ab, einen Überblick über den aktuellen Stand und die zukünftigen Entwicklungsmöglichkeiten von Energy-Harvesting-Technologien zu geben. Dabei werden die zugrundeliegenden physikalischen Prinzipien sowie die praktische Umsetzbarkeit in verschiedenen Anwendungsfeldern wissenschaftlich analysiert.
- Definition und Abgrenzung der Konzepte Energy Harvesting und Energy Scavenging.
- Detaillierte Erläuterung der vier Haupt-Anwendungsprinzipien (piezoelektrisch, elektromagnetisch, elektrostatisch, thermoelektrisch).
- Darstellung der wirtschaftlichen Potenziale und technischer Herausforderungen.
- Empirische Untersuchung mittels Expertenbefragung zur zukünftigen Marktentwicklung.
Auszug aus dem Buch
3.1.1. Physikalischer Effekt
Das Prinzip des piezoelektrischen Energy-Harvesting basiert auf dem piezoelektrischen Effekt. Der Effekt wurde 1880 von den Gebrüdern Curie entdeckt. Bei bestimmten Kristallen und organischen Polymeren tritt bei einer mechanischen Krafteinwirkung eine Verformung auf, die eine Polarisation und somit die Entstehung eines elektrischen Feldes zur Folge haben. Die so entstandene Spannung lässt sich dann durch Elektroden abgreifen. Der Piezo-Effekt lässt sich auch andersherum nachweisen: Legt man an einen Kristall eine Spannung an, verformt sich die Kristallstruktur entsprechend.
Abhängig von der Art der Geometrieänderung des Piezo-Kristalls lassen sich drei verschiedene technisch nutzbare Vorgänge unterscheiden: Der Längs-Effekt, der Quer-Effekt und der Schereffekt (Hering, Martin, & Stohrer, 1989):
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Diese Einleitung führt in das Thema der autarken Energiegewinnung ein und definiert das Forschungsziel sowie den strukturellen Aufbau der Arbeit.
2. Theoretische Grundlagen: Hier werden die Begriffe Energy Harvesting und Energy Scavenging definiert, abgegrenzt und der Bedarf an diesen Technologien motiviert.
3. Anwendungsprinzipien: Dieses Kapitel erläutert die physikalischen Wirkungsweisen sowie den Stand der Technik für vier verschiedene Wandler-Prinzipien.
4. Zukünftige Entwicklung: Das Kapitel analysiert aktuelle Studien und nutzt eine Expertenbefragung, um Trends und Marktpotentiale für die kommenden zehn Jahre abzuschätzen.
5. Fazit: Das Fazit fasst die technologischen Möglichkeiten und Grenzen zusammen und bewertet die zukünftige Bedeutung der Energy-Harvesting-Systeme.
Schlüsselwörter
Energy Harvesting, Energy Scavenging, Piezoelektrik, Elektromagnetismus, Elektrostatik, Thermoelektrik, Energieautarkie, Sensornetzwerke, Mikrosystemtechnik, Expertenbefragung, Leistungsdichte, Marktpotenzial, Wandlerprinzipien, Nachhaltigkeit, Batterielose Systeme
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt das Thema Energy Harvesting, bei dem ungenutzte Energie aus der Umwelt (wie Vibration oder Wärme) in elektrische Energie gewandelt wird, um elektronische Kleingeräte autark zu betreiben.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Im Zentrum stehen die physikalischen Wandlerprinzipien, der technische Entwicklungsstand und die ökonomische Einschätzung künftiger Anwendungsmärkte.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist es, einen fundierten Überblick über die bestehenden Technologien zu liefern und durch eine Expertenbefragung aufzuzeigen, wohin sich der Markt für diese autarken Systeme entwickeln wird.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Autoren nutzen eine Kombination aus Literaturanalyse zu den physikalischen Grundlagen und eine qualitative Expertenbefragung mittels E-Mail-Interviews mit Forschenden und Branchenvertretern.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Vorstellung der physikalischen Effekte (Piezo-, elektromagnetisch, elektrostatisch, thermoelektrisch) sowie eine ausführliche Trendanalyse inklusive technischer Machbarkeitsstudien.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird maßgeblich durch Begriffe wie Energieautarkie, Wandlerprinzipien, Sensornetzwerke und die verschiedenen physikalischen Effekte der Energiewandlung charakterisiert.
Was unterscheidet Energy Harvesting von Energy Scavenging nach Definition der Autoren?
Während bei Energy Harvesting die Energiequelle planmäßig verfügbar ist, handelt es sich beim Energy Scavenging eher um die Nutzung von unvorhersehbaren Abfallprodukten biologischer oder chemischer Prozesse.
Warum spielt die Vibration als Energiequelle eine so zentrale Rolle?
Die Experten heben hervor, dass Vibrationen in vielen Umgebungen fast überall vorhanden sind, was kinetische Energy Harvester zu einer der vielversprechendsten Technologien macht.
In welchen Märkten sehen die befragten Experten das größte Potenzial?
Das größte Potenzial wird in der Versorgung von autarken Sensornetzwerken für die Industrie, die Logistik und die Gebäudetechnik gesehen, da hier der Vorteil wartungsfreier Systeme besonders groß ist.
Warum sind medizinische Anwendungen besonders interessant?
In der Medizintechnik könnten Energy-Harvesting-Systeme den Austausch von Batterien in Implantaten (wie Herzschrittmachern) überflüssig machen, wodurch riskante chirurgische Eingriffe vermieden werden könnten.
- Quote paper
- J. Beck (Author), M. Maresch (Author), M. Gunesch (Author), 2010, Energy Scavenging und Harvesting, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/144979
