Inhalt 2

Sämtliche Rechte an dieser Arbeit liegen beim Autor Nikias Klohr. Diese Arbeit darf ohne schriftliche Einverständniserklärung des Autors weder vervielfältigt noch weitergeben oder anderen zur Verfügung gestellt werden. Dies gilt auch für die elektronische Form.

Alle in dieser Arbeit verwendeten Marken sind Eigentum ihrer jeweiligen Eigentümer und werden hiermit anerkannt.

Ich danke meinen Eltern, Cynthia und Volker Klohr, die mir das Studium ermöglicht haben und Sarah Kern, die mich immer unterstützt hat.

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Inhalt 3

Inhalt   

Inhalt   3

Abbildungsverzeichnis   4

Tabellenverzeichnis 6   

1  Zusammenfassung / Abstract  7

2  Einleitung Motivation  9

2.1  Ziele in der Anwendung.  9

2.2  Ziele dieser Arbeit  10

2.3  Energy-Harvesting - Warum gerade jetzt?  10

2.4  Einschränkungen  11

3  Energy-Harvesting im Überblick / Stand der Technik  12

3.1  Grundlagen, Klassifizierung und Definitionen  13

3.2  Anforderungen an Generator und Wandler für Energy-Harvesting  16

3.3  Mechanische Quellen und Generatoren  18

3.4  Nicht-mechanische Quellen und Generatoren  23

3.5  Elektrische Wandlerschaltung  26

3.6  Energiespeicher  31

3.7  Exkurs: Primär-Batterien - die Alternative  35

3.8  Datenverarbeitung und Übertragung bei niedrigem Energiebedarf  37

3.9  Forschungsaktivitäten und Anbieter  48

4  Entwurf und Entwicklung  49

4.1  Energy-Harvesting im Getriebe einer Windkraftanlage  50

4.2  Entwicklung: Induktiver Generator  52

4.3  Entwicklung: Wandlerschaltung  69

4.4  Entwicklung: Spannungsüberwachter Speicher  77

4.5  Entwicklung: Datenverarbeitung und Übertragung  81

4.6  Anwendungsfall: Körperschall  83

4.7  Lebensdauerbetrachtung  88

5  Prototypen, Simulationen Tests  90

5.1  Generator.  90

5.2  AC/DC Wandlerschaltung  94

5.3  Tests  104

6  Ergebnis und Ausblick  106

Anhang A:  Technische Zeichnungen  107

Anhang B:  Elektronische Schaltungen  108

Anhang C:  Simulationen  110

Anhang :D  Source Code  112

Literaturverzeichnis   117

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4  Abbildungsverzeichnis  

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 FE-MSimulation "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  

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Abbildungsverzeichnis   

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 33 Widerstand  

Abbildung  62: Leistungsmessung 6mm Generator mit 38 Widerstand  

Abbildung  63: Eingangwiderstand R L DCDC Wandler (LTSpice Simulation)  

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.  

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6  Tabellenverzeichnis  

Tabellenverzeichnis   

Tabelle 1:  CeramTec Monomorph 3-3 Bieger Typ 5/25  21

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

  (G. Poulin 2004)  23

Tabelle 3:  ICs für induktive Hochsetzsteller  28

Tabelle 4:  Wirkungs- und Ausbeutegrad der Wandlertopologien  31

Tabelle 5:  Vergleich der Kondensatoren bezüglich I Leak und Volumen  33

Tabelle 6:  Lithium Batterien  36

Tabelle 7:  Single R2R Operationsverstärker mit niedrigem Energiebedarf  38

Tabelle 8:  AD-Wandler mit niedrigem Energiebedarf  39

Tabelle 9:  Datenübertragungsmodule  44

Tabelle 10:  LF Wakeup Chips  46

Tabelle 11:  Integrierte Mikrocontroller/Funk-Chips  47

Tabelle 12:  Beschleunigungen im Getriebe  50

Tabelle 13:  Geeignete Magnetwerkstofftypen (Quelle: Neotexx)  53

Tabelle 14:  Spezifischer Widerstand von Kupferlackdraht  59

Tabelle 15:  X100Amp Kenngrößen  85

Tabelle 16:  Generator Kenndaten  91

Tabelle 17:  Bauteilewerte AC/DC Wandler  95

Alle  Tabellen wurden vom Autor zusammengetragen und erstellt.  

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Zusammenfassung / Abstract 7

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 Definitionen 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.

Zusammenfassung / Abstract 8

Abstract

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.

Einleitung & Motivation 9

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 Mühlen etwa trotzt der Dauerbelastung länger als fünf Jahre Getriebe ausgetauscht werden müssen, klagt

iber müssen unter Umständen

anfällige Teile, wie beispielsweise Getriebe, alle fünf Jahre austauschen lassen. Da sind freilich schnell mal zehn Prozent der gesamten Baukosten fällig. (Der Spiegel 36/2007)

Einleitung & Motivation 10

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

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 ambienter ¹ 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,

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Einleitung & Motivation 11

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 Outdoor-Sensor-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.

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Energy-Harvesting im Überblick / Stand der Technik 12

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 Technik ² 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.

² In einer Diplomarbeit, deren Hauptziel die Entwicklung eines Prototyps ist, muss zur Lösungswahl zunächst eine Recherche durchgeführt werden. Diese kann aus Zeitgründen keine Beschreibung aller

verfügbaren Topologien, Technologien, Bauteile, Marktteilnehmer und Forschungsergebnisse enthalten.

Ziel war die Konzentration auf die wesentlichen Informationen und die Schaffung eines Überblicks. Alle

Auflistungen dieses Kapitels erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Weiterführend sei speziell die

(Kompis und Aliwell 2008) empfohlen.

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Energy-Harvesting im Überblick / Stand der Technik 13

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.

3.1.1 Klassifizierung drahtloser Sensorsysteme

Für die Klassifizierung drahtloser Sensorsysteme werden zwei Kategorien vorgeschlagen:

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.

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Energy-Harvesting im Überblick / Stand der Technik 14

Diskontinuierlicher Betrieb

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

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

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Energy-Harvesting im Überblick / Stand der Technik 15

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:

-

3.1.6Basistechnologien 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

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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 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 R L des Wandlers gleich dem Innenwiderstand R i des Generators sein muss. Dies gilt stets sowie unabhängig vom Zustand des nachgeschalteten Speichers. Die letzte Forderung kann ausschließlich mit aktiven Schaltungen erfüllt werden. . Die aufgenommene Leistung muss in eine Gleichspannung mit geeignetem Betrag gewandelt werden. Hierbei entstehen Verluste. Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis zwischen der vom Generator aufgenommen Energie und der Energie, die nach der Wandlung im Speicher zur Verfügung steht.

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Energy-Harvesting im Überblick / Stand der Technik 17

Formel 1 definiert Ausbeute ³ - 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 =

(MPPT) von Solarzellen eingesetzt.

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

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Energy-Harvesting im Überblick / Stand der Technik 18

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 b e 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 b ^e 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.

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b e: Elektrische Dämpfung, sie kann adaptiert werden

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

Eine hohe elektrische Dämpfung b e ist nicht nur auf Grund des Nutzungsgrades, sondern auch für eine breiteres Resonanzfrequenzspektrum sehr hilfreich. Die Mechanische Dämpfung b m 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 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 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

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

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.

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

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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.

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.

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.

Flächenwandler

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).

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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.

Formel 7 zeigt, dass bei gleichbleibender Ladung Q 0 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).

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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:

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:

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 von kalter zu warmer Seite. Der Seebeck-Koeffizient für einzelne Temperaturdifferenz Elemente ist niedrig (mV/K).

(8)

Das Halbleitermaterial muss optimiert werden. Einerseits sind hohe Seebeck-Koefizienten

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.

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.

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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).

für ein einzelnes Element im Bereich von mV liegt, werden Generatoren aus einer Da

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.

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

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