Sensoren und Energy Harvesting. Autarke Energie zur Nutzung in elektronischen Komponenten

Inhaltsverzeichnis

I. Abbildungsverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielsystem
1.3 Aufbau der Arbeit

2. Grundlagen
2.1 Übersicht Energiequellen
2.2 Seebeck-Effekt:
2.3 Induktionsgesetz
2.4 Piezoeffekt
2.5 Photoelektrischer Effekt:

3. Bearbeitung der Themenstellung / Sensoren und Energy-Harvesting
3.1 Thermoelektrische Energieversorgung
3.1.1 Aktueller Stand der Technik: Thermoelektrischer Generator
3.1.2 Praktische Anwendung aus der Sensorik: Sich selbst versorgender Elektronischer Heizungsregler
3.2 Energiegewinnung durch bewegte Materie
3.2.1 Aktueller Stand der Technik: Piezoelektrisch und dynamoelektrisch
3.2.2 Praktische Anwendung aus der Sensorik: Autarke Funkübertragung von Schaltsignalen ohne Batterie und Kabel
3.3 Energiegewinnung durch Photovoltaik
3.3.1 Aktueller Stand der Technik: Photoelektrischer Effekt
3.3.2 Praktische Anwendung aus der Sensorik: Multi-Sensor-Plattform für Energy Harvesting über Solarzelle

4.Schlussbetrachtung
4.1 Zusammenfassung
4.2 Ausblick
4.3 Kritische Auseinandersetzung

II. Literaturverzeichnis

I. Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Tabelle Energiequellen

Abbildung 2: Gedruckter Thermoelektrischer Generator von Otego

Abbildung 3: Heizungsregler iTRV MVA 005

Abbildung 4: Mechanischer Schalter

Abbildung 5: Multi-Sensor-Plattform kombiniert mit Energy Harvesting

1. Einleitung

1.1 Problemstellung

Die Verwendung von autarker Energie zur Nutzung von elektrischen Komponenten ist ein umfassendes Thema und stellt eine große Bandbreite von Anwendungen zur Verfügung. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Erläuterung von drei Erzeugungsarten und der Darstellung des aktuellen Standes der Technik. Zudem werden dazugehörige praktische Anwendungen aus der Sensorik bearbeitet.

1.2 Zielsystem

Im Bereich Energy Harvesting werden Systeme zur Nutzung von Energie aus der Umgebung entwickelt und untersucht, um kleine elektronische Verbraucher zu versorgen. Energy Harvesting macht Kabel zur Stromversorgung oder das Nachladen von Batterien mittels Kabel in mobilen Geräten überflüssig.

1.3 Aufbau der Arbeit

In dieser Arbeit werden die Grundlagen von Energy Harvestern erörtert, und dazu Anwendungsbeispiele aus 3 Bereichen des Energy Harvesting dargestellt. Am Ende dieser Arbeit steht die Kritische Reflexion sowie die Zusammenfassung dieser Arbeit.

2. Grundlagen

2.1 Übersicht Energiequellen

Bei Energy Harvestern wird die Energie nicht in Form eines internen Speichers zur Verfügung gestellt, sondern direkt aus der Umgebung gewonnen. Dafür gibt es verschiedene Quellen, aus denen die Energie bereitgestellt werden kann. Diese sind in der nachfolgenden Tabelle zu sehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Tabelle Energiequellen¹

2.2 Seebeck-Effekt:

Grundlage für den Seebeck-Effekt ist das Peltier–Element benannt nach Jean Peltier (1785 – 1845), bei dem durch Zuführung elektrischer Energie an zwei Halbleiter, die eine Seite erwärmt und die andere Seite abgekühlt wird. Kehrt man diesen Effekt um, so kann aus einer Temperaturdifferenz zwischen zwei Halbleitern elektrischer Strom erzeugt werden. Diese Umkehrung des Peltier–Effekts heißt Seebeck–Effekt (benannt nach Thomas Johann Seebeck). Er entdeckte zufällig, dass in einem Stromkreis aus zwei unterschiedlichen Metallstangen, die in Reihe geschaltet sind, eine elektrische Spannung entsteht, wenn zwischen den Stangen ein Temperaturunterschied (Temperaturgradient) herrscht.

Verwendet man verschiedene Leitermaterialien, so entsteht zwischen diesen Bereichen eine Spannung, wenn die Metallstangen unterschiedlich erwärmt werden. Die Stromausbeute ist dabei aber nicht zufriedenstellend. Setzt man statt normaler elektrischer Leiter Halbleitermaterialien ein, wird die Effizienz gesteigert und ein Minimum an Strom abgegriffen. Man spricht von einem Thermogenerator. Es gibt noch weitere physikalische Effekte, die als Grundlage zur Energiegewinnung bei Energy Harvestern eingesetzt werden können. Abbildung 1 zeigt eine Auflistung der heute gebräuchlichsten Varianten.

2.3 Induktionsgesetz

In einer Spule wird eine Spannung induziert, wenn sich das von der Spule umfasste Magnetfeld ändert. Die Induktionsspannung ist umso größer,

- je schneller sich das von der Spule umfasste Magnetfeld ändert (je schneller man die Spule bewegt) und
- je stärker sich das von der Spule umfasste Magnetfeld ändert.

Die in einer Spule induzierte Spannung hängt auch vom Bau der Spule ab. Das Induktionsgesetz wurde 1831 von Michael Faraday entdeckt. Es ist eine wichtige Grundlage für den Bau von Generatoren und Transformatoren. In einer Spule wird eine Spannung induziert, wenn sich das von der Spule umfasste Magnetfeld ändert. Das Magnetfeld kann sowohl durch Dauermagnete als auch durch Elektromagnete erzeugt werden. Die Änderung des Magnetfeldes kann durch Relativbewegung zwischen Spule und Magnet oder durch Änderung der Stärke des Magnetfeldes erfolgen. Der Betrag der Induktionsspannung ist davon abhängig, wie schnell und wie stark sich das von der Spule umfasste Magnetfeld ändert.²

2.4 Piezoeffekt

Ein Festkörper besteht aus negativen und positiven Ladungen, die fest an der Oberfläche oder im Volumen angeordnet sind. Die Summe der positiven Ladungen ergibt irgendwo einen Ladungsschwerpunkt der positiven Ladungen. Dies gilt genauso für die negativen Ladungen. Bringt man nun auf einen Körper eine gerichtete Verformung auf („gerichtet“ bedeutet von z.B. gegenüberliegenden Seiten), so verschieben sich die Ladungsschwerpunkte und es entsteht ein Dipol im Festkörper. Dieser Dipol generiert schließlich eine elektrische Spannung. Man benötigt nur einen Dipol, also eine Polarisation, die sich aus dem Produkt der mechanischen Spannung und dem piezoelektrischen Spannungskoeffizienten e ergibt und abhängig von der elektrischen Feldstärke ist. Bei diesem Effekt benötigt man zwei Materialien mit unterschiedlicher Elektronenaffinität, die Energie, um ein Elektron aus einem Ion zu lösen. Durch mechanische Reibung zwischen diesen beiden Materialien werden die Elektronen an den beiden Oberflächen aufgrund der verschiedenen Elektronenaffinitäten unterschiedlich stark verteilt. Daraus kann schließlich eine Spannung abgegriffen werden (hohe Spannungen, geringe Stromstärken).

2.5 Photoelektrischer Effekt:

Es gibt viele verschiedene photoelektrische Effekte. Alle haben das gleiche Prinzip: Ein Photon wird von einem gebundenen Elektron absorbiert und das Elektron dadurch aus der Bindung gelöst. Beim photovoltaischen Effekt, als Teilbereich des photoelektrischen Effekts, werden weiterhin zwei Materialien mit unterschiedlicher Dotierung (also eines negativ, das andere positiv) benötigt, um eine Ladungstrennung der entstandenen positiven und negativen Ladung zu erzielen. Daraufhin lässt sich eine Spannung abgreifen. Dieser Vorgang findet heute in Solarzellen statt, die als einzelne Einheiten somit Strom produzieren können. Entscheidend ist also die Energie der Photonen, die sich aus dem Produkt der Frequenz des Lichts und des Planck’schen Wirkungsquantums ergibt: E = h*f

3. Bearbeitung der Themenstellung / Sensoren und Energy-Harvesting

3.1 Thermoelektrische Energieversorgung

Thermoelektrisches Energy Harvesting ist die Nutzung von Wärme- oder Kältequellen zur Versorgung von elektrischen Geräten mit Energie. Der Sogenannte Seebeck-Effekt wird bei der Energiegewinnung aus Temperaturdifferenzen genutzt. Hierbei fließt ein elektrischer Strom zwischen zwei Kontaktstellen zweier elektrischer Leiter, die eine unterschiedliche Temperatur haben.³

3.1.1 Aktueller Stand der Technik: Thermoelektrischer Generator

Das erste Thermoelement wurde 1821 von Thomas Johann Seebeck beschrieben. Daran wird klar das die Entwicklung des TEG immer weiter voran schreitet, um stetige Verbesserung zu erreichen.

Anmerkung der Redaktion: Abbildung 2 wurde aus redaktionellen Grunden entfernt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Gedruckter thermoelektrischer Generator von Otego

Otego entwickelt neuartige thermoelektrische Generatoren (TEG) als Energy Harvesting Lösung für drahtlose Sensoren und Aktoren. TEGs wandeln Wärme direkt in Strom um, sobald sie in einen Temperaturunterschied gebracht werden. Sie arbeiten vollkommen wartungsfrei und können bereits kleine Temperaturunterschiede nutzen. Das Umwandeln der Energie aus der Umgebungswärme macht der Seebeck-Effekt möglich.⁴

Ein TEG besteht aus zwei halbleitenden Materialien mit elektronenleitenden und lochleitenden Eigenschaften (n- und p-Leitung). In ihrer Kombination erzeugen diese Materialien im Falle eines Temperaturgradienten eine elektrische Spannung zwischen der Warm- und Kaltseite. Diese Spannungsquelle kann für kleine Verbraucher genutzt werden. Im Otegos TEGs sind tausende dieser Thermopaare in Reihe geschaltet. Die erzeugte Spannung liegt im Bereich von einigen —. Diese Spannung reicht aus, um Mikroelektronik-Schaltungen zu versorgen. Otego druckt die elektrischen Leiterbahnen auf extrem dünne Kunststofffolien (Dicke unbekannt) und faltet sie dann auf eine kompakte Form.^{5 6}

Weitere einzigartige Eigenschaften des Würfels:

- Variabel (passt sich an gekrümmte Oberflächen an)
- Flexibel (Unempfindlichkeit gegenüber Vibrationen und Stößen)
- Ungiftig (Verwendung von umweltschonenden Materialien)
- Kostengünstig (Verwendung von kostengünstigeren Materialien)

[...]

¹ https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik/artikel/induktionsgesetz

² http://www.harvesting-energy.de/

³ https://www.iis.fraunhofer.de/de/ff/lv/iot-system/tech/energy-harvesting/thermo.html

⁴ https://www.cleanthinking.de/thermoelektrische-generatoren-hannover-messe-otego/

⁵ https://www.otego.de/de/#about

⁶ https://www.iws.fraunhofer.de/content/dam/iws/de/documents/publikationen