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
- Zusammenfassung / Abstract
- Einleitung & Motivation
- Ziele in der Anwendung
- Ziele dieser Arbeit
- Energy-Harvesting - Warum gerade jetzt?
- Einschränkungen
- Energy-Harvesting im Überblick / Stand der Technik
- Grundlagen, Klassifizierung und Definitionen
- Anforderungen an Generator und Wandler für Energy-Harvesting
- Mechanische Quellen und Generatoren
- Nicht-mechanische Quellen und Generatoren
- Elektrische Wandlerschaltung
- Energiespeicher
- Exkurs: Primär-Batterien - die Alternative
- Datenverarbeitung und Übertragung bei niedrigem Energiebedarf
- Forschungsaktivitäten und Anbieter
- Entwurf und Entwicklung
- Energy-Harvesting im Getriebe einer Windkraftanlage
- Entwicklung: Induktiver Generator
- Entwicklung: Wandlerschaltung
- Entwicklung: Spannungsüberwachter Speicher
- Entwicklung: Datenverarbeitung und –Übertragung
- Anwendungsfall: Körperschall
- Lebensdauerbetrachtung
- Prototypen, Simulationen & Tests
- Generator
- AC/DC Wandlerschaltung
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines autarken Funkmoduls, das mithilfe von Energy-Harvesting Sensoren auf rotierenden Horizontal-Achsen-Systemen betreiben kann. Die Arbeit untersucht die Herausforderungen der Energiegewinnung aus mechanischen Schwingungen und den Aufbau einer autarken Stromversorgung für Sensoren. Dabei werden unterschiedliche Energieerzeugungs- und -Speicherungskonzepte betrachtet, um die Anforderungen an eine zuverlässige und effiziente Energieversorgung zu erfüllen.
- Energy-Harvesting-Technologien
- Entwicklung eines induktiven Generators
- Entwurf einer effizienten AC/DC-Wandlerschaltung
- Integration von Energiespeicher und Datenübertragung
- Bewertung der Lebensdauer und Zuverlässigkeit
Zusammenfassung der Kapitel
Die Einleitung stellt die Motivation und Zielsetzung der Arbeit vor. Sie erläutert den Hintergrund des Themenfeldes Energy-Harvesting und die Bedeutung der Entwicklung autarker Sensoren. Anschließend werden die Ziele und Einschränkungen der Arbeit beschrieben.
Kapitel 3 bietet einen umfassenden Überblick über den Stand der Technik im Bereich Energy-Harvesting. Es werden die Grundlagen, Klassifizierung und Definitionen verschiedener Energiegewinnungstechnologien diskutiert. Zudem werden Anforderungen an Generator und Wandler für Energy-Harvesting-Anwendungen sowie unterschiedliche mechanische und nicht-mechanische Energiequellen beleuchtet. Das Kapitel behandelt auch wichtige Aspekte wie elektrische Wandlerschaltungen, Energiespeicher, Datenverarbeitung und Übertragung bei niedrigem Energiebedarf sowie relevante Forschungsaktivitäten und Anbieter.
Kapitel 4 beschreibt die Entwicklung des autarken Funkmoduls. Es wird der Einsatzort im Getriebe einer Windkraftanlage sowie die Entwicklung eines induktiven Generators, einer Wandlerschaltung, eines spannungsüberwachten Speichers und der Datenverarbeitung und -übertragung detailliert dargestellt. Zudem werden Anwendungsfälle und die Lebensdauerbetrachtung des Systems behandelt.
In Kapitel 5 werden die Prototypen, Simulationen und Tests des entwickelten Systems vorgestellt. Es werden die Ergebnisse der Generator-, Wandler- und Gesamtsystemtests präsentiert und diskutiert. Die Schlussfolgerungen und der Ausblick auf zukünftige Forschungsarbeiten runden die Arbeit ab.
Schlüsselwörter
Energy-Harvesting, Autarkes Funkmodul, Sensoren, Rotierende Systeme, Induktiver Generator, AC/DC Wandler, Spannungsüberwachter Speicher, Datenverarbeitung, Übertragung, Lebensdauer, Zuverlässigkeit, Simulation, Prototypen, Tests, Windkraftanlage, Körperschall
- Quote paper
- Dipl.-Ing. Nikias Klohr (Author), 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
