Entwicklung und Aufbau eines autarken Funkmoduls zum Betrieb von Sensoren auf rotierenden Horizontal-Achsen-Systemen mittels Energy-Harvesting

Inhalt

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

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
3.2 Anforderungen an Generator und Wandler für Energy-Harvesting
3.3 Mechanische Quellen und Generatoren
3.4 Nicht-mechanische Quellen und Generatoren
3.5 Elektrische Wandlerschaltung
3.6 Energiespeicher
3.7 Exkurs: Primär-Batterien - die Alternative
3.8 Datenverarbeitung und Übertragung bei niedrigem Energiebedarf
3.9 Forschungsaktivitäten und Anbieter

4 Entwurf und Entwicklung
4.1 Energy-Harvesting im Getriebe einer Windkraftanlage
4.2 Entwicklung: Induktiver Generator
4.3 Entwicklung: Wandlerschaltung
4.4 Entwicklung: Spannungsüberwachter Speicher
4.5 Entwicklung: Datenverarbeitung und ±Übertragung
4.6 Anwendungsfall: Körperschall
4.7 Lebensdauerbetrachtung

5 Prototypen, Simulationen & Tests
5.1 Generator
5.2 AC/DC Wandlerschaltung
5.3 Tests

6 Ergebnis und Ausblick

Anhang A: Technische Zeichnungen

Anhang B: Elektronische Schaltungen

Anhang C: Simulationen

Anhang D: Source Code

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Übersicht (DE)

Abbildung 2: Einsatzort Windkraftanlage (Quelle: Vestas)

Abbildung 3: Energiepfad

Abbildung 4: Lösungsraum

Abbildung 5: Einfaches Modell für Ausbeute- und Wirkungsgrad

Abbildung 6: Einfaches Masse/Feder/Dämpfer System für Vibrationswandler

Abbildung 7: Grundprinzipien magnetischer Wandler (Quelle: (Arnold 2007))

Abbildung 8: Piezoelektrischer Biegebalkenwandler (Quelle: PI Ceramic)

Abbildung 9: Piezoelektrischer Vielschichtbieger (Quelle: CeramTec)

Abbildung 10: Piezoelektrischer Flächenwandler (Quelle: PI Ceramic)

Abbildung 11: Thermoelektrischer Generator

Abbildung 12: MicroPelt TE_Power_One (Quelle: www.Micropelt.com)

Abbildung 13: Passive AC/DC Schaltungen für Gleichrichtung und Spannungserhöhung

Abbildung 14: Passiver Gleichrichter und aktiver DC/DC Wandler

Abbildung 15: Aktiver AC/DC Wandler

Abbildung 16: DC/DC Wandler

Abbildung 17: ISM Bänder Weltweit (Quelle: Texas Instruments)

Abbildung 18: Datenpaket mit Overhead

Abbildung 19: Einsatzort Planetengetriebe (Quelle: Eickhoff)

Abbildung 20: Gewählter Lösungsweg

Abbildung 21: Getriebetopologien in Windkraftanlagen (Quelle: www.wind-energie.de)

Abbildung 22: Magnetische Werkstoffe (Quelle: Boll 1990)

Abbildung 23: Reibungskoeffizient PTFE/Stahl (Quelle: MTOSWISS)

Abbildung 24: Magnetische Konfigurationen für Translatorische Bewegungen (Quelle: HSG- IMIT)

Abbildung 25: Generatorkonzept und Koordinatensystem

Abbildung 26: Generatorkonzept

Abbildung 27: Bx (x@y=0mm)

Abbildung 28: Permeabilität (B/H Kennlinien)

Abbildung 29: Ergebnis der FEM-Simulation "Flusskonzentrator"

Abbildung 30: Verteilung der magnetischen Flussdichte I (10mm Magnet)

Abbildung 31: Archimedische Wicklung

Abbildung 32: Reduzierungsproblem der Generatorabmessungen

Abbildung 33: Verteilung der magnetischen Flussdichte II

Abbildung 34: Generator Trippelkonzept

Abbildung 35: Polschuhkonzepte

Abbildung 36: Konfigurationen für rotierende Systeme

Abbildung 37: Federkonzepte Generator

Abbildung 38: Matlab/Simulink Modell eines Tangential-Generators, magnetischer Federung ..

Abbildung 39: Veröffentlichte aktive AC/DC Wandler

Abbildung 40: Joule Thief Sperrwandler

Abbildung 41: Selbstschwingender DC/DC Wandler

Abbildung 42: Schwingender DC/DC Wandler

Abbildung 43: Synchrones, aktives Schaltelement statt Diode

Abbildung 44: Neuartiger selbstschwingender AC-DC Wandler 74 Diplomarbeit Universität Karlsruhe 2009 - Nikias Klohr - Alle Rechte vorbehalten

Abbildung 45: Neuartiger selbstschwingender AC-DC Wandler mit nur einer Induktivität

Abbildung 46: Aufbau N-Kanal-MosFET mit parasitärer Diode

Abbildung 47: JFET Wandler

Abbildung 48: Hochsetzsteller mit Hysterese

Abbildung 49: Hochsetzsteller im Betrieb

Abbildung 50: Spannungsverlauf im Speicherkondensator

Abbildung 51: AC Wandler, Speicher und Spannungsüberwachung

Abbildung 52: Schaltung zur Spannungsüberwachung mit Einrasten und Abschaltung

Abbildung 53: X100Amp Schaltung

Abbildung 54: X100Amp Frequenzgang von Verstärkung und Phase

Abbildung 55: X100Amp Startsequenz

Abbildung 56: Einfache Frequenzdetektorschaltung

Abbildung 57: Ausgang der passiven Frequenzdetektorschaltung

Abbildung 58: Prototyp Gesamtsystem

Abbildung 59: Generator Prototypen

Abbildung 60: Spannungsverlauf in freiem Fall

Abbildung 61: Leistungsmessung 10mm Generator an 33ȍ Widerstand

Abbildung 62: Leistungsmessung 6mm Generator mit 38ȍ Widerstand

Abbildung 63: Eingangwiderstand RL DCDC Wandler (LTSpice Simulation)

$EELOGXQJ :LUNXQJVJUDG Ș '& '& :DQGOHU /76SLFH 6LPXODWLRQ

Abbildung 65: Verluste (LTSpice Simulation)

Abbildung 66: Prototypen mit zwei Induktivitäten

Abbildung 67: AC/DC Wandler Lastverhalten

Abbildung 68: Messungen am Prototyp I

Abbildung 69: Messungen am Prototyp II

Abbildung 70: Generator und Wandler

Abbildung 71: Prototyp III mit nur einer Induktivität

Abbildung 72: Messungen am Prototyp III

Abbildung 73: Quadrupplerschaltung Diagramm Dioden: BAT54, C=500µF

Abbildung 74: Messungen an einer passiven Wandlerschaltung

Abbildung 75: Energieverbrauch eines Datenpaketes

Abbildung 76: Energie Gesamtbetrachtung

Abbildungen ohne Quellenangabe wurden vom Autor erstellt

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: CeramTec Monomorph 3-3 Bieger Typ 5/25

Tabelle 2: Vergleich mechanischer Generatorprinzipien (Sterken 2008) (P. D. Mitcheson 2007) (G. Poulin 2004)

Tabelle 3: ICs für induktive Hochsetzsteller

Tabelle 4: Wirkungs- und Ausbeutegrad der Wandlertopologien

Tabelle 5: Vergleich der Kondensatoren bezüglich ILeak und Volumen

Tabelle 6: Lithium Batterien

Tabelle 7: Single R2R Operationsverstärker mit niedrigem Energiebedarf

Tabelle 8: AD-Wandler mit niedrigem Energiebedarf

Tabelle 9: Datenübertragungsmodule

Tabelle 10: LF Wakeup Chips

Tabelle 11: Integrierte Mikrocontroller/Funk-Chips

Tabelle 12: Beschleunigungen im Getriebe

Tabelle 13: Geeignete Magnetwerkstofftypen (Quelle: Neotexx)

Tabelle 14: Spezifischer Widerstand von Kupferlackdraht

Tabelle 15: X100Amp Kenngrößen

Tabelle 16: Generator Kenndaten

Tabelle 17: Bauteilewerte AC/DC Wandler

Alle Tabellen wurden vom Autor zusammengetragen und erstellt

1 Zusammenfassung / Abstract

Im Rahmen dieser Diplomarbeit an der Universität Karlsruhe ist nach einer eingehenden Technologierecherche zum Stand der Technik des Energy-Harvesting ein autarkes Sensormodul zum Betrieb von Sensoren auf rotierenden Horizontal-Achsen-Systemen entwickelt worden. 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 selbst ist ein weiteres wichtiges Ergebnis dieser Arbeit. Sie verschafft einen Überblick über den derzeitigen Stand der Technik des Energy-Harvesting in Funk-Sensor-Anwendungen. Dieser Überblick ist speziell für Entwickler von Condition-Monitoring-Systemen interessant. Das entwickelte Modul besteht, wie in Abbildung 1 gezeigt, 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 Defini]tionen festgelegt, um danach einen Überblick über den aktuellen Stand der Technik zu verschaffen. 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. Kapitel 4 behandelt die Entwicklung eines Generators und seiner elektrischen Beschaltung inklusive energiesparender Datenverarbeitung. Kapitel 5 beschreibt Prototypen, Mess- und Simulationsergebnisse. Dabei wird gezeigt, dass das entwickelte System funktioniert. Kapitel 6 gibt einen Ausblick auf die nächsten Entwicklungsstufen von Energy-Harvesting in Condition-Monitoring-Anwendungen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Übersicht (DE)

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This diploma thesis written for the University of Karlsruhe describes the development of a wireless sensor module designed to operate on a rotating shaft without needing an external power supply. The developed module records and processes sensor information. which is then transmitted to a computer via the 2.4GHz band. 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 (see Figure 1). 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.

After explaining the benefits in Chapter 2, the paper turns to the question of why developers focus on Energy Harvesting now. Chapter 3 introduces the field of Energy Harvesting. A few definitions and an overview of the state of the art are given. The various principles of energy sources, generators, converter circuits, energy storage and the challenge of energy conserving data processing are described. A look at the battery as an alternative leads to the minimum requirements for Energy Harvesting systems. Chapter 4 describes the development of an inductive generator and its power-converting circuit. The generator and its power-converting circuit are the main element of the thesis. Chapter 5 depicts prototypes, measurement and simulation results. It is shown that the developed prototype actually works. Chapter 6 provides an outlook.

illustration not visible in this excerpt

Figure 1: Overview (EN)

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2 Einleitung & Motivation

Versorgungs- und Datenkabel sind ein Hindernis für den Einsatz von Sensoren in Condition- Monitoring-Systemen. Abgesehen von den Kosten, sind Kabel und Steckverbinder oft die Schwachstellen des Systems. Störungen lassen sich häufig auf defekte Verbindungen zu Sensoren innerhalb der Maschine zurückführen. Diese Störungen führen zu Ausfällen und damit zu Folgekosten, obwohl das defekte Bauteil nicht zur primären Funktion der Maschine beiträgt. Darüber hinaus gibt es Anwendungen, zum Beispiel auf rotierenden Wellen, bei denen nur unter erhöhtem Aufwand überhaupt eine Messung auf dem relevanten Bauteil möglich ist. Gerade diese schwer zugänglichen Bauteile sind für das Condition-Monitoring von erhöhtem Interesse. Ihr Schadenspotenzial ist durch die schlechte Zugänglichkeit und durch den hohen Aufwand für deren Austausch immens.

Eine steigende Anzahl der Veröffentlichungen und Patenten zeigt, dass das Interesse am Forschungsfeld Energy-Harvesting in den letzten Jahren stark zugenommen hat. Es ist eine reale Alternative zur Verwendung einer Batterie geworden.

2.1 Ziele in der Anwendung

Allgemeine Ziele für Sensoren, welche mittels Energy-Harvesting betrieben werden, sind:

- Einsatz an Orten, deren Überwachung bisher nicht wirtschaftlich war.
- Die Reduzierung der Kosten für Verkabelung von Daten und Stromversorgung.
- Die Reduzierung von Wartungskosten durch den Wegfall von Batterien. Diese müssen andernfalls regelmäßig erneuert werden. Es wird berichtet, dass ein einziger Batteriewechsel bis zu 1.000.000$ gekostet haben soll (Kompis und Aliwell 2008).

Auslöser dieser Arbeit war der dringende Bedarf der Überwachung rotierender Teile in Getrieben von Windkraftanlagen. Ein Zitat zur Haltbarkeit dieser Getriebe:

Kaum ein Getriebe im Kopf der turmhohen Muhlen etwa trotzt der Dauerbelastung langer als funf Jahre ...In „grofieren Stuckzahlen" hatten schon Getriebe ausgetauscht werden mussen, klagt jetzt der Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft ... Nur das Auricher Unternehmen Enercon schaffte ein „gut". Die Firma konstruiert Windrader ohne Getriebe, damit entfallt eine der Hauptschadensquellen ... Die Windmuhlenbetreiber mussen unter Umstanden anfallige Teile, wie beispielsweise Getriebe, alle funf Jahre austauschen lassen. Da sind freilich schnell mal zehn Prozent der gesamten Baukosten fallig. (Der Spiegel 36/2007)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Einsatzort Windkraftanlage

(Quelle: Vestas)

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2.2 Ziele dieser Arbeit

Die Ziele dieser Diplomarbeit sind:

- Erlangung eines Überblicks über den Stand der Technik auf dem Gebiet des Energy- Harvesting. Von übergeordnetem Interesse sind dabei die verfügbaren Technologien bezüglich eines Sensor-Funk-Moduls für Condition-Monitoring-Systeme auf rotierenden Wellen.
- Die Entwicklung eines Systems, bestehend aus Energy-Harvester und Datenverarbeitung, für den Einsatz auf rotierenden Wellen, um Körperschallsignale eines Lagersitzes in einem Planetengetriebe eines Windkraftwerks beobachten zu können. Es soll ein Prototyp entwickelt werden, welcher die wesentlichen Eigenschaften bezüglich Energieversorgung und Datenverarbeitung erfüllt.

2.3 Energy-Harvesting - Warum gerade jetzt?

Fünf wesentliche Faktoren tragen dazu bei, dass Energy-Harvesting gerade jetzt interessant wird:

- Reduzierung des Energiebedarfs integrierter Schaltkreise. Diese Entwicklung von Sensoren, Verstärkern und Mikrocontrollern, welche mit kleinsten Energiemengen auskommen, vor allem aber der Fortschritt bei den Funk-Lösungen der letzten Jahre, lassen Anwendungen auf Basis von ambienter¹ Energie realisierbar werden. Auf ISM- Bändern begnügen sich diese Funk-Lösungen Energiemengen von unter 100µJ pro Sendervorgang.
- Materialien und Herstellungsverfahren für die Generatoren. Die Entwicklung von Verfahren zur Herstellung kleinster elektromechanischer Strukturen (MEMS) und Magnet-(NdFeB), Keramik-(Piezo) und Halbleiterwerkstoffen (Elektrovoltaik, Thermoelektik) in Kombination mit weiteren Verbesserung effektiviätsspezifischer Eigenschaften mittels Nanotechnologien, hat in den letzten Jahren nutzbare Ergebnisse für den Einsatz in Energy-Harvesting Generatoren hervorgebracht. Diese Werkstoffe und Herstellungsverfahren erlauben hohe Leistungsdichten und ermöglichen damit Generatoren auf kleinstem Raum.
- Verstärkter Trend hin zum Condition-Monitoring in der Praxis. Im letzten Jahrzehnt haben sich mit Internet und GSM Technologien durchgesetzt, die es erlauben, ständig über den Zustand von Maschinen und Bauwerken informiert zu sein. Die sofort verfügbaren Informationen ermöglichen Rückschlüsse über das Verhalten der Systeme und eine zustandsbasierte Instandhaltung. Damit können die Instandhaltungskosten von Maschinen und Bauwerken reduziert werden. Dies führt zu einem erhöhten Bedarf an einer Vielzahl von Sensoren, die verkabelt und versorgt werden müssen.
- Entwicklung von verteilten Sensor-Netzten. In Kombination mit dem Forschungsfeld der selbstorganisierenden Netzwerke mit vielen hundert, oder gar tausenden Knoten, ergeben sich interessante neue Anwendungen, welche so bisher nicht realisierbar waren. Der Austausch von Batterien oder die Versorgung durch Kabel sind unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten in solchen Netzwerken schlichtweg nicht möglich. Kostendruck. Die Kosten für Herstellung und Betrieb müssen seit je her bei gleicher Funktionalität immer weiter gesenkt werden. Dies kann durch drahtlose Sensoren mit dem Verzicht auf die Verkabelung und die teuren Steckverbinder erreicht werden. Allerdings wurde bisher selten über Funklösungen nachgedacht. Der naheliegende Ansatz,

Datenkabel durch Funkübertragung zu ersetzten, macht keinen Sinn, wenn gleichzeitig Kabel zur Energieversorgung eingesetzt werden müssen. Erst durch die Ausbeutung von ambienter Energie des Wirtsystems, welche in vielen Maschinen im Überfluss in Form von Vibrationen vorhanden ist, lassen sich Kabel gänzlich einsparen. Die Batterie als Alternative und die damit verbundene regelmäßige Wartung für deren Austausch ist vor allem an schwer zugänglichen Maschinenteilen nicht praktikabel.

2.4 Einschränkungen

Das bearbeitete Themengebiet ist weitläufig. Um den Umfang dieser Arbeit zu begrenzen, sind Einschränkungen erforderlich.

Bewertungen: Kontext und Ziel

Der Stand der Technik soll möglichst umfassend beschrieben werden. Da bei der Beschreibung des gegenwärtigen Standes der Technik eine Bewertung der gefundenen Sachverhalte notwendig ist, muss der zu Grunde gelegte Kontext, vor allem aber das Ziel, eingegrenzt werden. Ziel dieser Arbeit ist es, einen Energy-Harvesting basierenden Sensor zu entwickeln. Dieser sendet seine Daten an eine kontinuierlich mit Energie versorgte Empfangseinheit und befindet sich auf einem ständig rotierenden Maschinenteil. Insbesondere der Aufbau eines Sensor-Netzwerkes mit mehreren Sensoren/Empfängern/Repeatern ist nicht Gegenstand dieser Arbeit. Ein Beispiel, das die Tragweite dieser Einschränkung deutlich macht, ist folgendes:

Die in dieser Arbeit favorisierten Tantal-Elektrolyt-Kondensatoren kommen für OutdoorSensor-Netzwerke mit Solarzellen zur Überbrückung der Nacht auf Grund deren beschränkter Kapazität nicht in Frage. Die dort sinnvollen Doppelschichtkondensatoren sind für die Anwendung auf einer rotierenden Welle mit langer Lebensdauer unter harschen Umwelteinflüssen jedoch völlig ungeeignet.

Prototyp

Der Lösungsraum für den Prototyp muss eingeschränkt werden. Zum Aufbau muss auf Standardkomponenten vor allem bei Chip und Schaltungsentwurf zurückgegriffen werden. Das mechanische System dient dem Machbarkeitsnachweis, der Betrieb unter Einsatzbedingungen soll diskutiert werden, der Prototyp muss diesen allerdings nicht standhalten.

3 Energy-Harvesting im Überblick / Stand der Technik

Das Fachgebiet Energy-Harvesting ist jung. Bisher konnte sich kein Standardwerk etablieren. Anstatt dessen finden sich eine Vielzahl einzelner Veröffentlichungen und einige Dokumente, die versuchen, einen Überblick zu schaffen. Ein großer Teil dieser Diplomarbeit widmet sich deshalb der Recherche und dem Zusammentragen von Information und Konzepten. In diesem Kapitel wird der derzeitige Stand der Technik² in Bezug auf Energiequellen, Generatorprinzipien, den elektrischen Wandler, den Speicher und der Datenübertragung mit niedrigem Energieverbrauch umfassend dokumentiert. Abbildung 3 zeigt die Verkettung der Komponenten. Der Schwerpunkt dieses Kapitels liegt bei den mechanischen Quellen, Generatoren und dafür geeigneten Wandlerschaltungen. Darüber hinaus wird die Primärbatterie als Alternative erörtert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Energiepfad

3.1 Grundlagen, Klassifizierung und Definitionen

Die Vielzahl der möglichen Einsatzszenarien, Quellen und Generatoren ist unübersichtlich. Der Lösungsraum ist komplex, die Wahl der richtigen Basisprinzipien jedoch entscheidend für den Erfolg des Systems. Abbildung 4 spannt den Lösungsraum für Energy-Harvesting-Anwendungen auf. Auf die gezeigten Alternativen wird innerhalb des folgenden Kapitels eingegangen. Dies führt zu verschiedenen, nicht orthogonalen Klassifizierungen. Diese Klassifizierungen sollen bei der Wahl der Prinzipien helfen und damit zu anwendungsoptimierten Anordnungen führen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Lösungsraum

3.1.1 Klassifizierung drahtloser Sensorsysteme

Für die Klassifizierung drahtloser Sensorsysteme werden zwei Kategorien vorgeschlagen:

- Kontinuierlicher Betrieb
Ein Sensor muss kontinuierlich ausgewertet werden. Dabei muss die gesamte oder ein Teil der Elektronik ständig eingeschaltet bleiben. Kontinuierliche Anwendungen sind für Energy-Harvesting mäßig geeignet. Der Energiebedarf muss auf die vorhandene Energie abgestimmt werden. Dies geschieht z. B. durch das Aufteilen der Datenverarbeitung in einen sparsamen DSP und einen flexiblen Mikrocontroller (Amirtharajah, et al. 2006). Der DSP begnügt sich mit einer minimalen Leistung: der Mikrocontroller wird nur aktiviert, wenn die Daten interpretiert und übertragen werden müssen. Oft lassen sich kontinuierliche Sensorikprobleme allerdings mit etwas Aufwand in diskontinuierliche Probleme umwandeln. Ein praktisch orientierter Ansatz ist es, ein kontinuierliches Sensorproblem durch äußere Einflüsse zu steuern und es so in ein diskontinuierliches Problem zu wandeln.
- Diplomarbeit Universität Karlsruhe 2009 - Nikias Klohr - Alle Rechte vorbehalten.
Es genügt den Wert eines Sensors nur sporadisch auszuwerten. Dies kann entweder auf Basis fester Zeitintervalle oder einer Aktivierung von außen geschehen. Typische Anwendungen sind stetige Prozesse und Messgrößen, deren Verlauf einfach rekonstruiert werden können, z.B. bei Temperaturmessungen. Die Aktivierung kann für Einzelereignisse aber auch durch das zu messende Ereignis selbst ausgelöst werden. Ist es nicht notwendig, die Messung in festen Zeitintervallen durchzuführen und handelt es sich um eine stetige Messgröße, kann die Aktivierung im einfachsten Fall über die Energiezufuhr erfolgen. Ist genügend Energie für eine Messung eingesammelt worden, wird sie durchgeführt.

3.1.2 Einteilung der Prinzipien für Quellen und Generatoren

Die Energie für Sensoren, Informationsverarbeitung und -übertragung muss aus der Umgebung gewonnen werden und liegt in den meisten Fällen zunächst nicht in elektrischer Form vor. Mechanische Schwingungen, beschleunigte Lageänderungen im Raum, Winkeländerungen gegenüber der Erdbeschleunigungsrichtung, thermische Gradienten und elektromagnetische Wellen ± auch in Form von sichtbarem Licht ± sind interessante Energiequellen. Die Erfahrung zeigt, dass es kein optimales Allzweckprinzip gibt. Vielmehr muss für jedes Energy-Harvesting Problem ein passendes Konzept aus Quelle und Generator ausgewählt, angepasst und optimiert werden. Grundsätzlich können Quelle und Generator in

- mechanische und
- nicht-mechanische

Prinzipien eingeteilt werden.

Eine umfassende Beschreibung der verschiedenen Quellen und Generatorprinzipien würde den Umfang dieser Arbeit sprengen. Die als Basis zur Wahl stehenden Quellen und Generatorprinzipien werden in Kapitel 3.2.1 und 3.4 jeweils in Grundzügen vorgestellt. Für weiterführende Informationen und vergleichende Studien finden sich viele Veröffentlichungen. Es wird z. B. auf (Sterken 2008), (Pereyma 2007), (P. D. Mitcheson 2007) und (G. Poulin 2004) verwiesen.

3.1.3 Künstliche Energiequellen

Wenn das Energieangebot des Wirtsystems nicht ausreicht, liegt der Gedanke nahe, die benötigte Energie künstlich zur Verfügung zu stellen. Ein bekanntes Beispiel sind passive RFID-Tags. Sie werden durch das elektromagnetische Feld des Lesegerätes mit Energie versorgt. Bekannte Konzepte zur künstlichen Energieversorgung sind:

- Elektromagnetische Wellen (RF, Wärmestrahlung, IR-Licht, sichtbares Licht, Laser)
- Magnetisches Nahfeld (RFID)
- Schall, im besonderen Ultraschall
- Wärmefluss, z. B. durch ein Trägermedium (Luft/Fluide)

3.1.4 Klassifizierung nach Generatorprinzipien

Für die Klassifizierung mechanischer Generatoren wird ein Merkmal vorgeschlagen: Die Anzahl der Anbindungen an ihre Umwelt. Sie können darüber in zwei Gruppen eingeteilt werden:

- 1-Punkt-Anbindung (Ausbeutung von Gradienten)
Der Generator ist nur an einem Punkt mit der Umgebung verbunden. Energie kann an diesem Punkt nur durch die Variation einer Größe übertragen werden. Der Energiefluss geschieht stets abwechselnd in beide Richtungen, da sich die Größe ansonsten gegen Unendlich entwickeln müsste, was in technischen Systemen nicht möglich ist. Die Energiegewinnung hängt vom Gradienten der Größe ab, auf Basis derer, der Generator arbeitet. Beispiel: Der Generator nutzt Geschwindigkeit, der Gradient ist die Beschleunigung.
- 2-Punkt-Anbindung (Bewegungen/Kräfte/Felder/Flüsse)
Der Generator ist an zwei Punkten mit der Umgebung verbunden. Dies kann entweder mechanisch über einen weitern Kontaktpunkt oder über ein Feld (Magnet-, Gravitations-, elektrostatisches, etc.) auf einen Magnet, eine Masse oder eine Ladung innerhalb des Systems wirken.

Mit dieser Klassifizierung sind deduktive Vorgehensweisen bei der Entwicklung neuer Generatoren denkbar. Beispielsweise kann praktisch jedes 2-Punkt-System in ein 1-Punkt System überführt werden, wenn ein Speicher zur Verfügung gestellt und die Variation der Eingangsgröße ausgenutzt wird. Zwei Beispiele:

- Ein mechanisches System, das aus der Relativbewegung zweier Teile Energie gewinnt, wird mit einem Masse-Feder-System, als Speicher für potentielle Energie, ausgestattet. Damit reichen Beschleunigungen anstatt der Relativbewegung zum Betrieb.
- Ein thermischer Wandler auf Basis von Wärmefluss wird mit einem zur Umgebung isolierten Wärmespeicher ausgestattet. Dadurch reichen Variationen der Temperatur zum Betrieb.

3.1.5 Definition von Energy-Harvesting über die Quelle

Die Grenzen zwischen Energy-Harvesting und der Versorgung durch künstliche Energiequellen lassen sich nicht exakt ziehen. Photovoltaische Generatoren auf Basis der Innenbeleuchtung eines Raumes oder die Ausbeutung von Rundfunksignalen mittels Antennen sind Grenzfälle. Vorgeschlagen wird folgende Definition:

Dient die Energiequelle nicht explizit dem Zweck, das System mit Energie zu versorgen, handelt es sich um ein Energy-Harvesting System.

3.1.6 Basistechnologien für Generatoren

Um einen geeigneten Generator zu konstruieren lohnt sich ein Blick auf die benötigten Technologien zur Herstellung. Die Einschränkung durch die verfügbaren Verfahren beziehungsweise deren Kosten kann schnell zum Ausschluss einzelner Konzepte führen.

Klassische Feinwerktechnik

Handelt es sich um makroskopische Systeme, vorwiegend bei induktiven Generatoren, werden zur Herstellung klassische Verfahren, wie das Wickeln von Spulen, spanende Verfahren usw. eingesetzt. Die Produktion ist einfach zu beherrschen, die Ergebnisse schnell zu erzielen. Die Systeme liegen im Bereich einiger cm² und einiger 10g. Diese Art von Systemen eignet sich für Industrieanwendungen bei kleinen bis mittleren Stückzahlen.

Keramik, Dünnschicht, Sintern

Verfahren zur Erzeugung von Piezo-Keramiken, gesinterten NdFeB-Magneten etc. sind etabliert. Greift man auf Standard-Komponenten zurück, kann in großen Stückzahlen günstig eingekauft werden. Angepasste Anfertigungen sind mit hohem Aufwand verbunden.

Halbleiter

Halbleiter kommen vor allem dann zum Einsatz, wenn ein Generator ohne bewegliche Teile gewünscht ist. Halbleiterherstellungsverfahren werden beherrscht. Die Verbesserung der spezifischen Eigenschaften des Materials ist derzeit Stand der Forschung. Die Investitionen für die Produktion von Halbleitermaterialien sind hoch. Diese Art von Systemen eignet sich vor allem für große Stückzahlen oder muss von einem spezialisierten Zulieferer eingekauft werden.

MEMS (Micro-Electro-Mechanical System)

MEMS-Verfahren werden derzeit intensiv erforscht. Vor allem kapazitiven Generatoren auf MEMS-Basis könnte die Zukunft gehören. Sie würden eine große Stückzahl bei geringen Kosten und kleinem Volumen erreichen. Ein Problem stellen die kleinen Massen dar. Diese haben eine hohe Eigenfrequenz zur Folge.

3.2 Anforderungen an Generator und Wandler für Energy- Harvesting

3.2.1 Anforderung an einen Generator für Energy-Harvesting

Um eine Energiequelle nutzbar zu machen, wird ein Generator benötigt. Die Anforderungen an diesen Generator sind im Allgemeinen:

- eine hohe Leistungsdichte bzw. kleine Abmessungen und Massen.
- eine lange Lebensdauer unter Einsatzbedingungen.
- niedrige Komplexität und damit Kosten.

Nutzungsgrad/Dämpfung

Weiterhin muss es eine Forderung sein, einen möglichst hohen Nutzungsgrad zu erreichen. Der Nutzungsgrad bzw. die damit verknüpfte Dämpfung ergeben sich aus dem Verhältnis von Verfügbarer zu genutzter Energie.

3.2.2 Anforderungen an eine Wandlerschaltung für Energy-Harvesting

Der Generator liefert die elektrische Energie im Allgemeinen nicht in einer geeigneten Form. Die Spannung muss im Betrag angepasst werden, meist ist sie zu niedrig. Bei mechanischen Generatoren bedarf es meist außerdem einer Gleichrichtung. Eine geschickte Wandlung sollte gleichzeitig auch dazu genutzt werden, den Ausbeutegrad des Generators zu maximieren. Daher ist eine Lastanpassung vorteilhaft.

Ausbeutung des Generators und Wirkungsgrad

Für die Qualität der elektrischen Wandlerschaltung sind zwei Kenngrößen maßgeblich:

- Der Ausbeutegrad Į aus Abbildung 5 beschreibt das Verhältnis zwischen der vom Generator zur Verfügung gestellten und der von der Wandlerschaltung abgerufenen Energie. Der Generator wird vereinfacht als Wechselspannungsquelle mit Innenwiderstand modelliert. Für die maximale Leistungsaufnahme im Sinne der Leistungsanpassung gilt, dass der Ersatzwiderstand RL des Wandlers gleich dem Innenwiderstand Ri des Generators sein muss. Dies gilt stets sowie unabhängig vom Zustand des nachgeschalteten Speichers. Die letzte Forderung kann ausschließlich mit aktiven Schaltungen erfüllt werden.
- Wirkungsgrad Die aufgenommene Leistung muss in eine Gleichspannung mit geeignetem Betrag gewandelt werden. Hierbei entstehen Verluste. Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhaltnis zwischen der vom Generator aufgenommen Energie und der Energie, die nach der Wandlung im Speicher zur Verfugung steht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Einfaches Modell für Ausbeute- und Wirkungsgrad

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Formel 1 definiert Ausbeute³ - und Wirkungsgrad.

Arbeitspunkt

Der Generator kann sich in unterschiedlichen Arbeitspunkten befinden. Ein guter Wandler zeichnet sich dadurch aus, dass er über einen weiten Bereich hohe Ausbeuten im Bereich von = « HUUHLFKW 9HUIDKUHQ GLHVHU $UW ZHUGHQ ] % I U GDV Ä 0D[LPXP 3RZHU 3RLQW 7UDFNLQJ ³ (MPPT) von Solarzellen eingesetzt.

Diplomarbeit Universität Karlsruhe 2009 - Nikias Klohr - Alle Rechte vorbehalten.

3.3 Mechanische Quellen und Generatoren

In diesem Kapitel werden die wichtigsten mechanischen Generatorprinzipien vorgestellt. Die Ausbeutung mechanisch vorliegender ambienter Energie ist in industriellen Anwendungen an Maschinen aber auch am Menschen interessant.

3.3.1 Mechanische Energiequellen

Mechanische Energiequellen können nach Bewegungsmustern klassifiziert werden:

- Vibrationen/Resonante Systeme

Vibrationen im Bereich weniger Hz bis kHz treten in Maschinen aller Art auf. 50Hz/60Hz Netzfrequenzen und ihre Oberwellen, verursacht durch elektrische Rotationsmaschinen, sind allgegenwärtig. Die englische Firma Perpetuum bietet einen Wandler an, der speziell für den Einsatz auf Maschinen mit 100Hz/120Hz Frequenzen optimiert ist (Perpetuum 2008).

Die Wandlung von Vibrationen in elektrische Energie wird üblicherweise über ein abgeschlossenes Masse/Feder/Dämpfer-System nach Abbildung 6 erreicht. Formel 2 beschreibt das mechanische System. Es handelt sich um eine 1-Punkt Anbindung. Dem System wird die Energie über die Dämpfung be durch einen Wandler entnommen. Optimale Eigenschaften werden dann erreicht, wenn das System in Resonanz angeregt wird. Resonanzoptimierte Wandler erzeugen im Arbeitspunkt vergleichsweise hohe Leistungen, außerhalb der Resonanzfrequenz bricht die Leistung allerdings schnell zusammen (Cheng, NaigangWang und Arnold 2007). Durch eine adaptive Dämpfung be kann das Verhalten des Systems im Betrieb ständig geändert und beeinflusst werden. Ziel muss es sein, dem Gesamtsystem bestehend aus Mechanik und Elektronik, ein Optimum an Energie zu entziehen.

Ein interessanter Vorschlag ist, das System durch die Elektronik nicht nur zu dämpfen, sondern, zum richtigen Zeitpunkt, durch die Zuführung kleiner Mengen Energie auch anzuregen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Einfaches Masse/Feder/Dämpfer System für Vibrationswandler

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

b_e: Elektrische Dämpfung, sie kann adaptiert werden

b_m: Mechanische Dämpfung, Verluste z.B. durch Reibung mit der Luft

Eine hohe elektrische Dämpfung be ist nicht nur auf Grund des Nutzungsgrades, sondern auch für eine breiteres Resonanzfrequenzspektrum sehr hilfreich. Die Mechanische Dämpfung bm muss minimiert werden. Abgesehen von einer reibungsarmen Aufhängung und Führung der Masse, spielt die Feder und das umgebene Gas (Luft) eine wesentliche Rolle (Naumann 2003). Eine Evakuierung des Wandlers ist bei MEMS-Wandlern und hohen Frequenzen zwingend notwendig.

- Umwandlung niedriger Frequenzen in hohe

Ein wesentliches Problem bei der Miniaturisierung der Wandler ist die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von der seismischen Masse, siehe Formel 3. Je kleiner das System wird, und damit die Masse, desto höher steigt die Resonanzfrequenzen. In Industriellen Vibrationsanwendungen dominieren nutzbare Frequenzen im Bereich einiger 100Hz, am Menschen Frequenzen im Bereich <10Hz. Dies führt dazu, dass miniaturisierte Generatoren in solchen Anwendungen nicht in Resonanz angeregt werden können. Ein Ansatz zur Lösung dieses Problems ist die Umwandlung in höhere Frequenzbereiche seitens der Mechanik. Eine interessante magnetische Ausführung wird in Külah (Külah und Najafi 2007) vorgestellt. Es handelt sich um eine doppelt seriell ausgeführte 1-Punkt Anbindung mit magnetischer Kopplung einer großen und vielen kleinen Massen im MEMS Technologie.

- Chaotische Anregung

Chaotische Anregungen zeichnen sich dadurch aus, dass die Anregung über ein breites Spektrum verteilte Frequenzen und Amplituden aufweist. Wandler für chaotische Systeme können im Gegensatz zu Vibrationswandlern nicht auf die Resonanzfrequenz abgestimmt werden. Sie weisen im Vergleich zu resonanzoptimierten Wandlern im Allgemeinen wesentlich kleinere Energiedichten auf. Ein Beispiel aus der Anwendung ist die Bewegung einer Uhr am Handgelenk. Dabei handelt sich um eine 1-Punkt Anbindung.

- Rotierende Systeme

Rotierende Systeme sind prädestiniert für den Einsatz drahtloser Sensoren. Der Anschluss eines Kabels ist nicht möglich, Schleifringe leiden unter Verschleiß und schlechten Übertragungseigenschaften. Reifendrucksensoren sind ein omnipräsentes Beispiel für Sensoren dieser Art. Auf rotierenden Systemen ist häufig eine Vibration als Energiequelle nutzbar. Soll diese nicht genutzt werden, kann für horizontal aufgehängte Wellen auch der Einfluss der Schwerkraft auf das drehende Bezugssystem genutzt werden. Im einfachsten Fall wirkt die Schwerkraft auf eine Masse. Die Richtung der Schwerkraft dreht sich bei jeder Umdrehung der Welle um 360°. Solche Systeme können quer und längs zum Radius, oder am Ende einer Welle auf der Drehachse montiert werden. In jedem Fall muss die Zentripetalbeschleunigung bei der Auslegung des Systems in Betracht gezogen werden. In dieser Arbeit wurde ein solches System entwickelt; siehe Kapitel 4.2.6. Es handelt sich um eine 2-Punkt Anbindung.

3.3.2 Induktive Generatoren

Generatorprinzip

Induktive Wandler bestehen aus einer Anordnung von Permanentmagneten und Spulen, welche eine Relativbewegung mit einer Geschwindigkeit v ausführen. Ein Leiter mit der wirksamen

Diplomarbeit Universität Karlsruhe 2009 - Nikias Klohr - Alle Rechte vorbehalten.

20 Energy-Harvesting im Überblick / Stand der Technik

Leiterlänge l wird durch ein magnetisches Feld mit der Flussdichte B bewegt, eine Spannung UInd induziert (siehe Formel 4) und umgekehrt eine Kraft Fmag erzeugt, die der Bewegung entgegenwirkt (siehe Formel 5).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In der Literatur sind unterschiedlichste Anordnungen zu finden, die auf dem Prinzip von Permanentmagnet und Spule basieren. Abbildung 7 zeigt die verschiedenen Konfigurationen. Im Prinzip handelt es sich um Querschnitte aus klassischen linearen oder rotatorischen Synchronmaschinen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Grundprinzipien magnetischer Wandler (Quelle: (Arnold 2007))

Der Wandlertyp (b) in verschiedenen Ausprägungen, siehe Abbildung 24, wird in wissenschaftlichen Arbeiten derzeit am häufigsten untersucht und eingesetzt. Magnetische Wandler unterliegen bei der Miniaturisierung dem Problem, dass die erzeugte Spannung mit den Abmessungen sinkt. Eine Mindestspannung von einigen 100mV ist allerdings Vorrausetzung für die weitere Verwendung der Energie durch eine elektrische Schaltung. Dies hat zur Folge, dass magnetische Wandler für miniaturisierte Anwendungen vor allem in Kombination mit MEMS Herstellungsverfahren weniger geeignet sind. Einen guten und umfassenden Überblick über magnetische Wandler gibt Arnold (Arnold 2007). Naumann hat in seiner lesenswerten Dissertation (Naumann 2003) einen funktionsfähigen Prototyp aufgebaut.

3.3.3 Piezoelektrische Generatoren

Der piezoelektrische Effekt wandelt mechanischen Druck auf piezoelektrische Werkstoffe direkt in elektrische Spannung um. Durch ihre Federsteifigkeit und hohe Spannungen bei kleinster Verformung sind sie für hohe Frequenzen bei kleinen Amplituden geeignet. In Vielschichtanordnungen, vor allem als Biegebalken, können sie unter Umständen auch in niedrigere Frequenzbereiche und größere Amplituden vorstoßen.

Elektrisches Verhalten

Es handelt sich um kapazitive Bauteile. Das Piezoelement kann als Kondensator angesehen werden, der durch mechanische Einflüsse aufgeladen wird. Bei Belastung entlädt sich das Element analog zu einem Kondensator. Die Energie, die entnommen werden kann (Formel 6), entspricht der eines geladenen Kondensators im Bereich einiger nF. Diese Energie steht je Auslenkung einmal zur Verfügung und ist auf Grund der kleinen Kapazität im Allgemeinen gering. Dies führt dazu, dass piezoelektrische Generatoren tendenziell für höhere Frequenzen geeignet sind.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Beschaltung eines Piezoelektrischen Generators ist nicht trivial. Um sich dem theoretischen Maximum aus Formel 6 zu nähern, muss das Gesamtsystem optimiert werden (Liu, et al. 2008).

Biegebalkenwandler/Vielschichtbieger

Einseitig aufgehängte Biegebalken, ggf. mit seismischer Masse am freien Ende, werden in der Literatur häufig vorgestellt. Es handelt sich um eine Verbundkonstruktion ähnlich eines Bimetallstreifens (siehe Abbildung 8). Damit wird eine mechanische Übersetzung der hohen Steifigkeit und gleichzeitig kleinen Auslenkungen des Piezomaterials in praktikable Größenordnungen erreicht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Piezoelektrischer Biegebalkenwandler (Quelle: PI Ceramic)

Eine Verbesserung der Eigenschaften wird durch Vielschichtanordnungen erzielt (siehe Abbildung 9). Diese besitzen indes vergleichsweise hohe Herstellungskosten. Tabelle 1 zeigt typischen Kennzahlen eines solchen Vielschichtbiegers. Ein Problem dieser Biegeanordnung ist die mechanische Überbelastbarkeit. Treten kurzfristig zu hohe Anregungen auf, z. B. beim Transport der Maschine auf einem LKW, bricht der Wandler, wenn keine Vorkehrungen dagegen getroffen werden.

Abbildung 9: Piezoelektrischer Vielschichtbieger (Quelle: CeramTec)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Max Spannung als Aktor 200V Tabelle 1: CeramTec Monomorph 3-3 Bieger Typ 5/25

Eine weitere interessante Bauform sind die so genannten Flächenwandler, siehe Abbildung 10. Sie können ähnlich eines Dehnmessstreifens aufgebracht werden. PI Ceramics bewirbt diese Wandler für Energy-Harvesting Anwendungen (PI-DuraAct 2008).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10: Piezoelektrischer Flächenwandler (Quelle: PI Ceramic)

3.3.4 Elektrostatische Generatoren

Generatorprinzip

Zunächst müssen die Kondensatorplatten mit einer Spannungsquelle niedrigster Leistung geladen werden, z. B. einem Elektret oder einem piezoelektrischen Element. Basierend auf dem Modell des Plattenkondensators lässt sich mechanische Energie dann mittels zweier Prinzipien wandeln: Die Wandlung geschieht indem sinngemäß entweder der Abstand d der Platten verändert oder die Platten zueinander verschoben, und damit die Fläche A verändert wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Formel 7 zeigt, dass bei gleichbleibender Ladung Q0 und veränderlichem Abstand d bzw. Fläche A eine Spannungserhöhung bei offenen Anschlüssen hervorgerufen wird. Diese kann in Kombination mit der veränderten Kapazität in eine gewandelte Energiemenge , welche dem Generator entnommen werden kann, umgerechnet werden (Sterken T. 2004). Elektrostatische Wandler lassen sich insbesondere mit MEMS Technologien effizient herstellen. Da die wesentlichen Gestaltungsparamater die Fläche A der Platten und der minimale Abstand d dazwischen sind, bieten sich Meander- bzw. Dreicksförmige Strukturen mit großen Oberflächen und kleinen Spalten an. Diese können besonders effizient durch die MEMS-Herstellungsverfahren realisiert werden (Berger P-D 2008).

3.3.5 Vergleich der mechanischen Generatorprinzipien für die Praxis

Eine allgemeine Gegenüberstellung gestaltet sich schwierig. Die unterschiedlichen Implementierungen jedes Generatorprinzips unterscheiden sich in den wesentlichen Eigenschaften zu stark. Die in Tabelle 2 aufgeführten Werte dienen ausschließlich der Orientierung:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten⁴

Tabelle 2: Vergleich mechanischer Generatorprinzipien (Sterken 2008) (P. D. Mitcheson 2007) (G. Poulin 2004)

3.4 Nicht-mechanische Quellen und Generatoren

Nicht-mechanische Generatoren haben einen wesentlichen Vorteil: sie besitzen keine beweglichen Teile. Dadurch erreichen sie höhere Lebensdauern. Wesentlicher Nachteil sind geringere erreichbare Leistungsdichten. Für drei Einsatzfälle sind sie dennoch interessant:

- Wenn der Bauraum eine untergeordnete Rolle spielt.
- Wenn keine mechanischen Energiequelle zur Verfügung steht.
- Extrem lange Laufzeiten im Bereich einiger Jahrzehnte geplant sind.

3.4.1 Thermoelektrische Generatoren

Thermische Gradienten treten überall dort auf, wo Arbeit verrichtet wird. Oft tritt Wärme als ungenutztes Nebenprodukt auf. Quellen können mechanische Reibung, Verbrennungsmaschinen, chemische Reaktionen und vieles mehr sein.

Generatorprinzip

Basierend auf dem Seebeck-Effekt werden Temperaturgradienten über einem geeigneten Material, meist ein Halbleiter, ausgenutzt. Die erzeugten Spannungen sind proportional zur Temperaturdifferenz von kalter zu warmer Seite. Der Seebeck-Koeffizient für einzelne Elemente ist niedrig (mV/K).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das Halbleitermaterial muss optimiert werden. Einerseits sind hohe Seebeck-Koefizienten und eine gute elektrische Leitfähigkeit gefordert, anderseits soll die thermische Leitfähigkeit möglichst niedrig sein. Dies ist notwendig damit sich bei niedrigerem Wärmefluss ein höheres einstellt. Physikalisch hängt eine gute Durchlässigkeit für Elektronen/Löcher allerdings eng mit der Transportfähigkeit von Phononen, den Trägern der thermischen Energie, zusammen. Ein guter Leiter leitet beides gut, Wärme und Strom. Der ZT- Wert erlaubt eine Aussage über die die Eignung eines Materials für einen thermischen Generator.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Es wird versucht, den ZT-Wert mittels Nanotechnologien zu erhöhen. Derzeitige ZT-Werte liegen im Bereich von 0,5 bis 0,8. Steigerungen bis auf 1,4 wurden veröffentlicht (Ebling 2008).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 11: Thermoelektrischer Generator

Da für ein einzelnes Element im Bereich von mV liegt, werden Generatoren aus einer großen Anzahl thermisch parallel und elektrisch seriell geschalteten Materialübergängen zusammengefügt, siehe Abbildung 11. Im einfachsten Fall können normale Peltier-Elemente als Generatoren genutzt werden. Die Firma Micropelt stellt speziell als Generator entwickelte Elemente her (siehe Abbildung 12). Diese erreichen Leistungen im Bereich einiger mW.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 12: MicroPelt TE_Power_One

(Quelle: www.Micropelt.com)

Probleme in der Anwendung

Ein entscheidendes Problem der thermoelektrischen Wandler stellt das benötige thermische Gefälle im Bereich einiger K dar. Die Temperaturen des Wirtssystems sind zwar oft höher als die der Umgebung. Allerdings bedarf es auch einer geeigneten Zu- und Abführung des Wärme- Flusses. Einerseits müssen alle Kontaktflächen gut angebunden werden, anderseits ist vor allem die Abführung weg vom Generator entscheidend, um ausreichend große Temperaturgradienten zu erreichen. Dies bedeutet, dass entweder eine Material-Wärme-Brücke oder ein Wärmetauscher (Kühlkörper für Luft) eingesetzt werden muss. Das Gesamtsystem benötigt dadurch viel Raum und besitzt eine Masse im Bereich einiger 100g, welche den Einsatz für viele Anwendungen schlichtweg nicht praktikabel macht. Es kommen vor allem Anwendungen in Frage, in denen hohe Wirtstemperaturen mit guten Abführbedingungen kombiniert sind. So stellt z. B. die Nutzung der thermischen Energie des Abgassystems in Kraftfahrtzeugen derzeit eine realistische Anwendung dar. Einige Hersteller arbeiten an solchen Lösungen, um den steigenden elektrischen Energiebedarf an Bord eines Fahrzeugs stillen und damit zu einer Verbrauchsreduzierung um 5% beitragen zu können (Ebling 2008). Ebling zeigt auch einen Generator, der die Abwärme eines Kugellagers ausnutzt, vertieft dies jedoch nicht weiter.

3.4.2 Thermoelektrische Generatoren mit Wärmespeicher

Thermoelektrische Generatoren werden klassisch mit einer 2-Punkt-Anbindung betrieben. Es gibt aber auch die Möglichkeit der 1-Punkt-Anbindung. Sind sie mit einem Wärmespeicher verknüpft, erlauben sie die Ausbeute von Temperaturveränderungen über der Zeit. Dies funktioniert besonders gut, da die Generatoren in beiden Wärmeflussrichtungen arbeiten. Phasenübergänge der Speichermedien erhöhen die Wärmespeicherdichten. EADS entwickelt ein System für den Einsatz direkt unter der Außenhaut eines Flugzeuges. Dieses nutzt die Temperaturdifferenz zwischen Reiseflughöhe und Temperatur am Boden bei Start und Landung der Flugzeuge aus. Eine kleine Menge Wasser wird als Speicher verwendet und der Wärmefluss während des Tau- bzw. Einfriervorgangs mittels eines thermoelektrischen Elements in nutzbare elektrische Energie gewandelt (Becker 4. Dezember 2008).

3.4.3 Photovoltaische Generatoren

Solarzellen sind seit vielen Jahren in makroskopischen Energy-Harvesting-Anwendungen, z. B. bei Parkuhren, im Einsatz. Für eine Beschreibung der Funktionsweise von Solarzellen soll an dieser Stelle auf die in großem Umfang vorhandene Fachliteratur verwiesen werden. Für den Einsatz in Energy-Harvesting-Applikationen sind Solarzellen vor allem für Outdoor- Anwendungen, z. B. für Sensornetzwerke, geeignet. Photovoltaische Generatoren sind in jedem Fall interessant, weil sie hochverfügbar und günstig sind. Die Massenproduktion auf Siliziumbasis wird beherrscht.

Zellentyp und Leistung

Polykristaline Zellen sind günstig und liefern in Sonnenlicht Leistungen im Bereich einiger mW/cm². Monokristaline Zellen liefern einen 50% höheren Nutzungsgrad, kosten aber um den Faktor 10 mehr. Es gibt Solarzellen, die auf ein bestimmtes Spektrum optimiert sind. Mit solchen Zellen sind Anwendungen in künstlich beleuchteten Räumen möglich. Aktuelle Entwicklungen in Dünnschicht- und flexiblen Plastik-Zellen könnten neue Anwendungsgebiete, z.B. auf Kleidung, hervorbringen.

Probleme in der Anwendung

In der industriellen Anwendung dominieren drei Problemfelder:

- Miniaturisierung: Die erzielbaren Flächenleistungen sind zu niedrig. Abgesehen vom Outdoor-Betrieb in Sonnenlicht, wo einige cm² ausreichen, sind in Räumen und Maschinenhallen große Oberflächen im Bereich von dm² erforderlich.
- Dunkelzeiten: Es werden gute Langzeitspeicher mit niedriger Selbstentladung zur Überbrückung von Dunkelzeiten benötigt. Dies ist speziell deswegen notwendig, weil die Energiezuführ mit Licht meist unabhängig von der Anwendung ist. Anders als z. B. bei Vibrationen oder Wärme, korreliert sie nicht mit dem Betriebszustand der zu überwachenden Maschine. Eine Maschine, z. B. ein Windkraftwerk, muss schlichtweg auch im Dunkeln überwacht werden, nicht jedoch wenn sie abgeschaltet ist. Anwendungen dieser Art benötigen in jedem Fall einen Langzeitspeicher.
- Abschattung und Verschmutzung: Photovoltaikzellen büßen bei einer Abschattung von nur wenigen Prozent der Fläche ein einen gravierenden Teil ihrer Leistung ein. Im Industriellen Einsatz ist die Staublagerung ein erhebliches Problem.

Photodiode als Generator on Chip

Es gibt Ansätze bei der Integration des Gesamtsystems, den Generator auf den Chip zu integrieren. Für die Integration des Gesamtsystem auf einem einzigen Chip (SoC) ist dieser Ansatz höchst interessant (Guilar, et al. 2008). Praktische Anwendungen gibt es derzeit allerdings nicht.

3.5 Elektrische Wandlerschaltung

3.5.1 Passive AC/DC Topologien

Wenn eine regelmäßige Wechselspannung, also mit abwechselnd ähnlicher hoher positiver und negativer Auslenkung, vorliegt, ist der Einsatz eines Dioden-Kondensator-Netzwerkes (siehe Abbildung 13) zur Spannungserhöhung die beste Wahl. Der Vorteil des einfachen Aufbaus, wird durch folgende Nachteile aufgehoben:

- Der Bauraum wird durch große, schlecht ausgenutzte Kondensatoren bestimmt.
- Die Ausbeute des Generators ist vom Ladezustand der Kondensatoren abhängig. Die aufgenommene Leistung am Eingang wird bei gleicher Spannungsamplitude mit steigender Ausgangsspannung schlechter (siehe Kapitel 5.2.7).

Der erreichbare Wirkungsgrad, unter Vernachlässigung des schlechten Ausbeutegrades der Quelle, liegt bei guter Dimensionierung für Schaltung c) bei etwa 45% - für Anordnungen dieser Art kein schlechter Wert und eine Messlatte für aktive Topologien.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 13: Passive AC/DC Schaltungen für Gleichrichtung und Spannungserhöhung Quelle: (Kuphaldt 2008) und (Ching 2001)

Abbildung 13 zeigt folgende Schaltungen⁵:

a) Greinacher Schaltung ± Eine einfache Anordnung mit durchgängiger Masse. Die Ausgangsspannung entspricht der doppelten Amplitude der Eingangsspannung abzüglich der Diodenspannungen und liegt nach einer Eingangswelle am Ausgang vor. Der Wirkungsgrad beträgt ca. 32% (C=250µF, Beobachtung für 0,2s).
b) Delon Schaltung ± Die Ausgangsspannung verhält sich wie in a), die Ausgangskapazität wird allerdings nur zu Hälfte ausgenutzt und das Massepotential der Schaltung kann nicht mit dem Generator verbunden sein. Der Wirkungsgrad liegt bei ca. 55% (C=500µF, Beobachtung für 0,2s).
c) Quadruppler-Anordnung ± Wie Anordnung b, nur dass die Spannung mit jeder Eingangswelle weiter steigt. Der Wirkungsgrad liegt bei ca. 45% (C=500µF, Beobachtung für 1s).
d) Quadruppler-Anordnung mit Masseverbindung zum Generator. Volle Nutzung des Ausgangskondensators bei einem Wirkungsgrad von 31% (C=250µF, Beobachtung für 1s).

3.5.2 Semi-Aktive Topologien

Das größte Problem der passiven Topologien ist, dass ihr Ausbeutegrad mit steigender Speicherspannung sinkt. In Kapitel 5.2.7 wird dieser Zusammenhang anhand von Simulation und Testaufbau veranschaulicht. Um dieses Problem zu umgehen, und den Speicher nicht bis zur Betriebsspannung des nachgeschalteten Verbrauchers füllen zu müssen, eignet sich eine Aneinanderreihung einer passiven Gleichrichtung und eines herkömmlichen DC/DC Wandlers. Dies ist zwar nur eine Zwischenlösung, erhöht jedoch die Ausbeute und den Wirkungsgrad. Sie ist außerdem insofern sinnvoll, als dass der DC/DC Wandler dafür sorgt, dass die Betriebsspannung unabhängig vom Speicherzustand konstant bleibt. Abbildung 14 zeigt die Topologie.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 14: Passiver Gleichrichter und aktiver DC/DC Wandler

Für die Wandlung eignen sich Hochsetzsteller mit niedrigen Startspannungen. Ein niedriger Standby- und Betriebsstrom sind die Voraussetzung, um den Speicher nicht unnötig zu entladen. Tabelle 3 zeigt eine Auswahl geeigneter ICs. In Kapitel 4.4.2 wird eine Schaltung dieser Topologie mit Eingangshysterese und adaptiver Ausgangsspannung vorgestellt. Als Eingangsbeschaltung eignet sich die Schaltungen nach Abbildung 13b, sie dient dabei primär der Gleichrichtung. Die Anordnung erreicht dabei einen höheren Gesamtwirkungsgrad, da die Spannungserhöhung den Hochsetzsteller mit einem wesentlich besseren Wirkungsgrad erreicht werden kann. Der Ausbeutegrad ist davon abhängig welche Eingangsspannung der DC/DC Steller benötigt. Je niedriger die benötigte Kondensatorspannung, desto höher der Ausbeutegrad der Diodenbrückenschaltung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten⁶

Tabelle 3: ICs für induktive Hochsetzsteller⁷

Kapazitive Ladungspumpen

Kapazitiv arbeitende Ladungspumpen sind eine Alternative zu induktiven Hochsetzstellern. Die auf dem Markt verfügbaren Bauelemente TPS60303DGS und LTC1682 weisen allerdings hohe Startspannungen und niedrige Ausgangsströme auf. Der Strombedarf im Standby bzw. der Betriebsstrom sind in der Größenordnung der Hochsetzsteller. Es ergibt sich bis auf den Verzicht auf das induktive Bauelement kein Vorteil. Eine Ausnahme ist der Seiko S-882Z, der für die direkte aktive Wandlung prädestiniert ist. Er ist jedoch nicht für die Versorgung eines Mikrocontrollers, sondern nur für die Bereitstellung der Versorgungsspannung für einen weiteren, induktiven Wandler gedacht. Er schwingt bei 0,3V an, und benötigt 0,6µA im Standby.

3.5.3 Aktive Topologien

Aktive Topologien sind direkt an den Generator gekoppelte Stromsteller, welche auf Basis bekannter Topologien aus der Leistungselektronik (Hochsetzsteller, Sperrwandler, SEPIC- Wandler, etc.) arbeiten. Sie sind passiven und semi-aktiven Topologien hinsichtlich Ausbeutegrad weit überlegen; siehe Tabelle 4. Auch der Wirkungsgrad kann bei guter Auslegung über dem der anderen Topologien liegen.

Beschaltung von Wechselstromgeneratoren

Um mit Wechselstromgeneratoren umgehen zu können, werden zwei Stromsteller antiparallel miteinander verschaltet. So kann gleichzeitig eine Spannungswandlung und eine Gleichrichtung erzielt werden (Dwari und Parsa 2008); siehe Abbildung 15b.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der wesentliche Vorteil aktiver Anordnungen nach Abbildung 15a für Wechselstromquellen besteht darin, dass sie eine gezielte Ausbeute des Generators erlauben. Die Schaltung entzieht dem Generator die Energie weitgehend unabhängig vom Ladungszustand des Speichers. Sie kann auf den Generator abgestimmt werden und adaptiv auf veränderte Umgebungsbedingungen reagieren (Mitcheson, Green und Yeatman 2007). Neben diesen Vorteilen benötigen aktive Schaltungen im Vergleich zu passiven meist weniger Bauraum weil keine großen Kondensatoren benötigt werden.

Beschaltung von Gleichstromgeneratoren

Für Gleichstromgeneratoren, deren Spannung für die direkte Verwendung zu niedrig ist und welche auf kleinem Raum nicht mehrfach in Serie ausgeführt werden können, gibt es ohnehin keine Alternative zur aktiven DC/DC Wandlung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 16: DC/DC Wandler

Problem der Eigenenergieversorgung

Aktive Wandler in Energy-Harvesting-Anwendungen verursachen ein Problem: sie benötigen selbst Energie um die Schaltelemente anzusteuern. Diese Energie kann im Betrieb durch den aufgeladenen Speicher bereitgestellt werden oder direkt aus dem Generator erfolgen:

- Direkte Versorgung durch Generator

Im Fall der direkten Versorgung aus dem Generator ist die Funktion erst ab einer Generatorspannung möglich, die für die Ansteuerung der Schaltelemente ausreicht. Es kommen selbstschwingende Sperrwandler auf Basis einer gekoppelten Induktivität zur Anwendung. Eine neuartige AC/DC Wandlerschaltung dieser Art wird in Kapitel 4.3.3 vorgestellt. Sie hat den großen Vorteil, im inaktiven Zustand keine Energie zu benötigen.

- Versorgung aus dem Speicher

Bei einer Versorgung aus dem eigenen Speicher muss für den Start mit leerem Speicher eine Lösung gefunden werden. Dies kann z. B. durch eine Primär-Batterie oder durch die Kombination mit einer weiteren, für den Start dedizierten Anordnung, aktiv oder passiv, erreicht werden. Die Schaltung soll im Standby, also wenn keine Energie vom Generator kommt, möglichst keinen Strom verbrauchen.

- Kombination

Eine Lösungen für thermoelektrische Wandler, die sich zunächst aus dem Generator und dann, wenn der Speicher eine gewisse Spannung erreicht hat, aus dem Speicher selbst versorgt, wurden am Fraunhofer Institut erfolgreich aufgebaut (Markus Pollak 2008).

Die Startproblematik ist im Besonderen bei Systemen mit ungleichmäßiger Energiezufuhr in langen Zeitintervallen ein wesentliches Problem. Dieser Nachteil kennzeichnet alle bisher veröffentlichten aktiven Schaltungsanordnungen für die Wandlung von Wechsel- in Gleichspannung. Aus diesem Grund wird auf dem Gebiet der aktiven Topologien derzeit nach neuen Lösungen gesucht.

Veröffentlichungen zu aktiven Wandlerschaltungen

Arnold fordert in seinem Ausblick neue Entwicklungen für aktive Wandlerschaltungen (Arnold 2007). In dieser Arbeit wird eine selbstschwingende Schaltung vorgestellt, die in dieser Form bisher nicht veröffentlich wurde. Hier sollen einige interessante Module und Veröffentlichungen zum Thema aktive Wandlerschaltungen genannt werden:

- Das hochst interessante „VIBES" Projekt der University of Southampton ( http://www.vibes.ecs.soton.ac.uk/) setzt eine Dickson Schaltung ein.
- Freescale hat Anfang 2009 einen Wandlerchip angekundigt, der fur einzelne Solarzellen geeignet sein soll. Der Chip soll bei einer Anlaufspannung von 320mV einen Strom von 1A unter einem Wirkungsgrad von 90% in 4 V wandeln.
- Das Fraunhofer Institut hat einen Wandler fur thermoelektrische Elemente entwickelt, der ab einer Spannung von nur 70mV zu schwingen beginnt (Markus Pollak 2008).
- Die Firma Micropelt aus Freiburg bietet mit ihren Thermoelementen einen Wandler an, der ab einer Spannung von 500mV arbeitet.

3.5.4 Vergleich der Topologien ( )

Ausbeutegrad für Sinusförmige Anregung

Um die Ausbeute einer Schaltungstopologie bewerten zu können, muss die maximal mögliche Ausbeute bekannt sein. Für Simulationen und Messungen wird ein Vergleichswert benötigt. Da diese häufig an einer Sinusspannungsquelle durchgeführt werden, soll hierfür eine Berechnung hergeleitet werden. Bei Lastanpassung, also R_i=R_L=R, gilt bei einer sinusförmigen Eingangsspannung Û und n Sinusperioden für die maximale Energiemenge W_optR, , die in R_L umgesetzt wird:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

[...]

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¹ Unter „ambienter" Energie wird die in der Umgebung vorhandene, bisher ungenutzte Energie verstanden.

² In einer Diplomarbeit, deren Hauptziel die Entwicklung eines Prototyps ist, muss zur Losungswahl zunachst eine Recherche durchgefuhrt werden. Diese kann aus Zeitgrunden keine Beschreibung aller verfugbaren Topologien, Technologien, Bauteile, Marktteilnehmer und Forschungsergebnisse enthalten. Ziel war die Konzentration auf die wesentlichen Informationen und die Schaffung eines Uberblicks. Alle Auflistungen dieses Kapitels erheben keinen Anspruch auf Vollstandigkeit. Weiterfuhrend sei speziell die Lekture von „Energy Harvesting Technologies to enable remote and wireless sensing" (Kompis und Aliwell 2008) empfohlen.

³ Wopt_RL entspricht der maximal verfügbaren Energiemenge und wird in Kapitel 3.5.4 hergeleitet.

⁴ Die Einschätzung des Bauraums bezieht sich auf tatsächlich realisierbare Konzepte. Theoretisch müsste anhand der Leistungsdichte verglichen werden. Dies hilft für die Praxis jedoch nicht weiter.

⁵ Diode: BAT54. Startbedingung: Kondensatoren entladen. Um die verschiedenen Topologien Vergleichbar zu machen, wurden fur Simulationen folgende Quelle verwendet: 1.2V Amplitude, 30Q Innenwiederstand 10 Hz.

⁶ TI: Texas Instruments; LT: Linear Technologie

⁷ Untersucht wurde das Angebot von: Texas Instruments, MicroChip, Linear Technologie und Maxim