Diese Arbeit beschreibt nach einer eingehenden Recherche zum Stand der Technik des Energy-Harvesting die Entwicklung eines autarken Sensormoduls zum Betrieb von Sensoren auf rotierenden Horizontal-Achsen-Systemen. Dieses Sensormodul ist in der Lage Daten auf rotierenden Wellen aufzunehmen, zu verarbeiten und auf dem 2.4GHz ISM Band an einen Rechner zu senden, ohne dabei einer externen Energieversorgung zu bedürfen. Die Technologierecherche ist ein wichtiger Teil dieser Arbeit. Sie verschafft einen Überblick über den derzeitigen Stand des Energy-Harvesting in Funk-Sensor-Anwendungen. Dieser Überblick ist speziell für Entwickler von Condition-Monitoring-Systemen interessant. Das entwickelte Modul besteht aus einem induktiven Generator, einer Generatorbeschaltung mit Energiespeicher und einer Mikrocontrollereinheit mit Sensorsignalverstärker und Datenübertragungsmodul. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf Energy-Harvesting und damit dem Generator und seiner elektrischen Beschaltung. Es wurde eine neuartige Schaltungstopologie entwickelt, welche einen guten Generatorausbeutegrad bei kleinem Schaltungsaufwand aufweist. Nachdem in Kapitel 2 der enorme Nutzen in der Anwendung dargelegt wird, wird die Frage beantwortet, weshalb Energy-Harvesting gerade jetzt in den Fokus der Entwickler tritt. In Kapitel 3 wird dann zunächst in das Gebiet Energy-Harvesting eingeführt und notwendige Definitionen festgelegt. Die verschiedenen Energiequellen, Generatoren, Wandlerprinzipien, Energiespeicher und Herausforderungen für Datenverarbeitung und -übertragung bei minimalem Energiebedarf werden erläutert. Die Batterie als Alternative wird analysiert, woraus sich die minimalen Anforderungen an ein Energy-Harvesting System ergeben. Die Arbeit behandelt die Entwicklung eines Generators und seiner elektrischen Beschaltung inklusive energiesparender Datenverarbeitung. Es wird gezeigt, dass das entwickelte System funktioniert.
This work provides an overview of the field of Energy Harvesting in wireless sensor module applications. It is especially interesting for those working on Condition Monitoring systems. The module consists of a generator, a power converting circuit and a microcontroller unit with signal amplification and conditioning. The emphasis of this work is on Energy Harvesting, namely the generator and its power converting circuit. A new circuit topology is proposed, improving the exploitation of the generator with a minimum amount of components.
Inhaltsverzeichnis
1 Zusammenfassung / Abstract
2 Einleitung & Motivation
2.1 Ziele in der Anwendung
2.2 Ziele dieser Arbeit
2.3 Energy-Harvesting - Warum gerade jetzt?
2.4 Einschränkungen
3 Energy-Harvesting im Überblick / Stand der Technik
3.1 Grundlagen, Klassifizierung und Definitionen
3.1.1 Klassifizierung drahtloser Sensorsysteme
3.1.2 Einteilung der Prinzipien für Quellen und Generatoren
3.1.3 Künstliche Energiequellen
3.1.4 Klassifizierung nach Generatorprinzipien
3.1.5 Definition von Energy-Harvesting über die Quelle
3.1.6 Basistechnologien für Generatoren
3.2 Anforderungen an Generator und Wandler für Energy-Harvesting
3.2.1 Anforderung an einen Generator für Energy-Harvesting
3.2.2 Anforderungen an eine Wandlerschaltung für Energy-Harvesting
3.3 Mechanische Quellen und Generatoren
3.3.1 Mechanische Energiequellen
3.3.2 Induktive Generatoren
3.3.3 Piezoelektrische Generatoren
3.3.4 Elektrostatische Generatoren
3.3.5 Vergleich der mechanischen Generatorprinzipien für die Praxis
3.4 Nicht-mechanische Quellen und Generatoren
3.4.1 Thermoelektrische Generatoren
3.4.2 Thermoelektrische Generatoren mit Wärmespeicher
3.4.3 Photovoltaische Generatoren
3.5 Elektrische Wandlerschaltung
3.5.1 Passive AC/DC Topologien
3.5.2 Semi-Aktive Topologien
3.5.3 Aktive Topologien
3.5.4 Vergleich der Topologien (alpha * eta)
3.6 Energiespeicher
3.6.1 Anforderungen
3.6.2 Einsatzszenarien: Langzeitüberbrückungs- oder Sammelspeicher
3.6.3 Herkömmliche Kondensatoren
3.6.4 Doppelschichtkondensatoren
3.6.5 Akkumulatoren
3.6.6 Mechanische Speicher
3.6.7 Begrenzung der gespeicherten Energiemenge
3.6.8 Strategie zur volumenoptimalen Ausnutzung
3.6.9 Exkurs: Laboruntersuchung des Leckstrom ILeak
3.7 Exkurs: Primär-Batterien - die Alternative
3.7.1 Nutzungsprofil und Umgebungsbedingungen
3.7.2 Kapazität und Lebensdauer
3.7.3 Geeignete Primär-Zellen- Typen
3.7.4 Batterien als Benchmark für Energy-Harvesting
3.8 Datenverarbeitung und Übertragung bei niedrigem Energiebedarf
3.8.1 Randbedingungen - Leistung und Energiemenge
3.8.2 Sensor-Frontend
3.8.3 Mikrocontroller mit niedrigem Energiebedarf
3.8.4 Funk bei niedrigen Energiebedarf
3.8.5 Daten(vor)verarbeitung im „intelligenten“ Sensor
3.8.6 Integration von Funk-Chip und Mikrocontroller
3.8.7 ASIC - Integration auf Chip-Ebene
3.9 Forschungsaktivitäten und Anbieter
4 Entwurf und Entwicklung
4.1 Energy-Harvesting im Getriebe einer Windkraftanlage
4.1.1 Getriebeaufbau und Randbedingungen
4.1.2 Systemüberlegungen
4.1.3 Energiequellen
4.1.4 Wahl des Generatorprinzips
4.2 Entwicklung: Induktiver Generator
4.2.1 Werkstoffe
4.2.2 Basiskonzept
4.2.3 FEM-Simulation der magnetische Flussdichte Bx (x,y)
4.2.4 Auslegung der Wicklung und Berechnung der induzierten Spannung
4.2.5 Weiterentwicklung des Konzeptes
4.2.6 Überlegungen zum rotierenden System
4.2.7 Federn
4.2.8 Modellierung des Generators
4.2.9 Ergebnis der Entwicklung
4.3 Entwicklung: Wandlerschaltung
4.3.1 Problemstellung: Selbstschwingender AC/DC Wandler
4.3.2 DC/DC Wandler-Basis: „Joule Thief“
4.3.3 Weiterentwicklung zum neuartigen, aktiven AC/DC Wandler
4.3.4 Alternatives Schaltelement: Feldeffekt Transistor
4.3.5 Ergebnis der Entwicklung
4.4 Entwicklung: Spannungsüberwachter Speicher
4.4.1 Ziele & Randbedingungen
4.4.2 Hochsetzsteller mit Hysterese
4.4.3 Alternative: Direkter Betrieb aus Kondensator
4.4.4 Überlegungen zum kontinuierlichen Betrieb mittels LPM
4.4.5 Kommerzielle Alternative: EH300/EH301
4.4.6 Ergebnis der Entwicklung
4.5 Entwicklung: Datenverarbeitung und -Übertragung
4.5.1 Auswahl der Hardwarebasis
4.5.2 Mikrocontroller Programm
4.5.3 Energiesparende Ablaufsteuerung
4.5.4 Datenübertragung und Funkstrecke
4.5.5 Ergebnis der Entwicklung
4.6 Anwendungsfall: Körperschall
4.6.1 Exkurs: Köperschall (-Sensor)
4.6.2 Anforderungen an eine Verstärkerschaltung
4.6.3 Entwicklung: X100Amp - Verstärker Schaltung mit niedrigem Energie-Bedarf
4.6.4 Frequenzdetektion
4.6.5 Empfang auf dem PC
4.7 Lebensdauerbetrachtung
4.7.1 Mechanisch
4.7.2 Elektrisch
5 Prototypen, Simulationen & Tests
5.1 Generator
5.1.1 Generator Kenndaten
5.1.2 Validierung
5.1.3 Verfügbare Energie, Nutzungsgrade und Leistung
5.2 AC/DC Wandlerschaltung
5.2.1 Simulation bezüglich der Generatorparameter
5.2.2 Simulation der Verluste
5.2.3 Prototypen mit zwei Induktivitäten
5.2.4 Wirkungs- und Ausbeutegrad unter Laborbedingungen
5.2.5 Wirkungs- und Ausbeutegrad am 10mm Generator
5.2.6 Prototyp III mit nur einer Induktivität
5.2.7 Exkurs: Wirkungs- und Ausbeutegrad passiver Wandlertopologien
5.3 Tests
5.3.1 Energieverbrauch
5.3.2 Rotationstests
6 Ergebnis und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Diplomarbeit zielt auf die Entwicklung eines autarken Sensormoduls ab, das mittels Energy-Harvesting-Technologien Energie aus rotierenden Systemen gewinnt, um Sensordaten aufzunehmen, zu verarbeiten und drahtlos per Funk an einen Rechner zu senden, ohne auf externe Energiequellen angewiesen zu sein.
- Technologische Recherche zu Energy-Harvesting-Verfahren und deren Stand der Technik.
- Konstruktion und Optimierung eines induktiven Generators für rotierende Wellen.
- Entwicklung neuartiger, energieeffizienter Schaltungstopologien zur AC/DC-Wandlung.
- Integration von Mikrocontrollern und Funkmodulen für den sparsamen Betrieb.
- Validierung des Systems durch Prototypenbau, Simulationen und praktische Belastungstests.
Auszug aus dem Buch
4.2.6 Überlegungen zum rotierenden System
Abbildung 36 a-b-c zeigen mögliche Konfigurationen für die Montage des Generators auf einer rotierenden Welle. az ist die für den Generator stets in radialer Richtung wirkende Zentrifugalbeschleunigung. Sie hängt vom Radius r und der Drehfrequenz f ab. ag ist die Erdbeschleunigung, die aus Sicht des Generators während der Drehung mit einem Sinus moduliert wird:
a) Radiale Anordnung. Nachteil: Diese Anordnung ist nur für kleine Radien r und kleine Drehfrequenzen f einsetzbar. Die maximale Frequenz fmax ist durch az=ag festgelegt.
Bei einem Radius r=0,3m ergibt sich eine theoretische maximale Drehzahl von 54,6U/min. Weiterhin ist diese Anordnung für federnd gelagerte Generatoren nur dann geeignet, wenn die Einsatzdrehzahl genau bekannt und konstant ist. Der Arbeitspunkt, also die 0-Stellung des Kolben, verschiebt sich ansonsten drehzahlabhängig auf dem Radius durch die Wicklung. Ein Vorteil ergibt sich für kleine Drehzahlen allerdings dadurch, dass die Reibbelastung der Führung minimal ist. Die 4 Kipppunkte, also die Punkte an dem sich der Kolben in Bewegung setzt, ergeben sich durch nach Formel 21.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Zusammenfassung / Abstract: Die Arbeit präsentiert die Entwicklung eines autarken Sensormoduls, das mittels Energy-Harvesting auf rotierenden Wellen funktioniert und die Ergebnisse der Technologierecherche zusammenfasst.
2 Einleitung & Motivation: Es wird der Bedarf für wartungsfreie Sensorik in Condition-Monitoring-Systemen, insbesondere bei Windkraftgetrieben, sowie das Potenzial von Energy-Harvesting analysiert.
3 Energy-Harvesting im Überblick / Stand der Technik: Dieses Kapitel bietet einen umfassenden Überblick über Energiequellen, Wandlerprinzipien, Energiespeicher sowie Datenverarbeitung bei extrem niedrigem Energiebedarf.
4 Entwurf und Entwicklung: Hier erfolgt die konkrete Definition der Anforderungen, der Entwurf des Generators, die Entwicklung einer neuen Wandlerschaltung sowie der Aufbau der Elektronik.
5 Prototypen, Simulationen & Tests: Dieser Abschnitt beschreibt die Implementierung der Prototypen, deren Simulation und die abschließenden Testergebnisse unter Labor- und Rotationsbedingungen.
6 Ergebnis und Ausblick: Zusammenfassendes Fazit zur Praxistauglichkeit des Demonstrators und ein Ausblick auf zukünftige Entwicklungsstufen im Bereich industrieller Condition-Monitoring-Anwendungen.
Schlüsselwörter
Energy-Harvesting, Condition-Monitoring, Induktiver Generator, Autarkes Sensormodul, rotierende Systeme, Wandlerschaltung, Energiespeicher, Funkübertragung, Niedrigenergie-Elektronik, Mikrocontroller, Windkraftanlage, Wirkungsgrad, Ausbeutegrad, Körperschall, Magnetfluss.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundlegend?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines autarken, energieautarken Sensormoduls, das Sensordaten auf rotierenden Maschinenteilen (wie Getriebewellen in Windkraftanlagen) erfasst und per Funk sendet, indem es Energie aus der Umgebung gewinnt.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Zentrale Themen sind die Auswahl von Energiequellen, das Design von induktiven Generatoren, die Entwicklung hochgradig effizienter AC/DC-Wandlerschaltungen sowie die Optimierung von Software und Hardware für minimalen Energieverbrauch.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Hauptziel ist die Entwicklung eines funktionsfähigen Prototyps, der die Energieversorgung eines Sensormoduls durch Energy-Harvesting sicherstellt und dabei die Herausforderungen von rotierenden Systemen bezüglich Mechanik und Elektronik löst.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es wurde ein systematischer Ansatz gewählt, der eine fundierte Technologierecherche mit FEM-Simulationen für das magnetische Design und numerischen Berechnungen zur Wirkungsgradoptimierung kombiniert, ergänzt durch reale Messungen an Prototypen.
Welche Schwerpunkte hat der Hauptteil der Arbeit?
Der Fokus liegt auf dem mechanischen Design des induktiven Generators (Trippelkonzept) und einer innovativen, selbstschwingenden AC/DC-Wandlerschaltung, die speziell für diese Anwendung entwickelt wurde, um hohe Wirkungsgrade zu erzielen.
Was charakterisiert die Arbeit in Bezug auf ihre Schlüsselwörter?
Die Arbeit ist stark interdisziplinär und verknüpft physikalische Grundlagen (Elektromagnetismus) mit praktischem Schaltungsdesign und Systemintegration für industrielles Condition-Monitoring.
Warum ist der Bereich der "Joule Thief"-Schaltung für das Dokument relevant?
Der "Joule Thief" dient als Basis für die Entwicklung der neuartigen selbstschwingenden AC/DC-Wandlerschaltung des Autors, die eine effiziente Eigenenergieversorgung des Wandlers ermöglicht.
Welche besondere Herausforderung bei rotierenden Systemen hebt der Autor hervor?
Der Autor betont besonders die Problematik der Zentripetalbeschleunigung und die Notwendigkeit, ein vollständig abgeschlossenes System zu entwickeln, das gegenüber Öl, Vibrationen und hohen mechanischen Belastungen resistent ist.
- Citation du texte
- Dipl.-Ing. Nikias Klohr (Auteur), 2009, Entwicklung und Aufbau eines autarken Funkmoduls zum Betrieb von Sensoren auf rotierenden Horizontal-Achsen-Systemen mittels Energy-Harvesting, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/141829
