Marco Leuenberger. 9. Dezember 2011

Transkript

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2 Inhaltsverzeichnis Was ist Energy Harvesting?... 2 Geschichte... 3 Prinzip... 3 Möglichkeiten des Energy Harvesting... 4 Piezoelektrischer Effekt... 4 Seebeck-Effekt... 4 Photovoltaik... 5 Elektromagnetische Wellen... 5 Anwendungsbeispiele... 6 Taschenrechner... 6 Atmos... 6 Kaufhausdiebstahlsicherung... 7 Mini Kraftwerk im Körper... 7 Tanzfläche... 7 Vor- und Nachteile... 8 Zukunft... 8 Quellen... 8 Was ist Energy Harvesting? Als Energy Harvesting (wörtlich übersetzt Energie-Ernten) wird die Gewinnung von Strom durch Energiequellen aus der Umgebung bezeichnet. Mögliche Quellen sind Vibrationen, Temperaturunterschiede, Druck, Licht und elektromagnetische Wellen. Dank Energy Harvesting kann man auf Kabelabhängige Stromversorgung oder Batterien verzichten. Energy Harvesting ist ideal um schwer zugängliche Geräte mit Energie zu versorgen, da das Batterie wechseln entfällt. Da die Energie welche umgewandelt wird bereits in der Umgebung vorhanden und somit kostenlos ist, wäre es sinnlos diese Energie nicht zu nutzen. 2

3 Geschichte Energy Harvesting gibt es schon lange: Windmühlen und Segelschiffe haben schon vor Jahrtausenden Energie direkt aus ihrer Umgebung für ihren Antrieb genutzt und moderne Windparks erzeugen so schon länger Strom für den Netzbetrieb. Da die Idee bestechend ist, die Energie einfach kostenlos aus der Umgebung zu beziehen, hat man schon früh erste Versuche gestartet, auch kleine Geräte mit eigenen Energiewandlern auszustatten. Bei den möglichen Energiespendern für mobile Elektronik eignet sich Wind allerdings schlecht. Besser eignen sich Solarzellen, die Sonnenenergie in elektrische Energie umwandeln. Bereits in den 70er-Jahren gelang ihnen als Energiespender für einfache Taschenrechner oder Spielzeuge ein erster Schritt in den Markt für mobile Hardware stellte Nokia mit dem Modell 1611 das erste Mobiltelefon vor, das seine Energie zumindest teilweise aus Solarzellen gewann. Auch andere Energiequellen wurden bereits vor Jahrzehnten genutzt: Anfang der 90er-Jahre brachte Seiko eine Quarzuhr ohne Batterie auf den Markt, bei der die Handbewegungen, dank eines Schwungrades und einem Generator, die notwendige Spannung erzeugen konnte. Die überschüssige Energie wurde in einem Kondensator gespeichert. Auch wenn einzelne Anwendungen sich bewährten, wurden Energiewandler bei mobilen Geräten selten eingesetzt. Prinzip Da die meisten Schaltungen mit einer Betriebsspannung von 1.8V bis 5V betrieben werden, muss die gewonnene Spannung, welche meistens im mv Bereich ist, dementsprechend transformiert werden. Nach dem die Spannung transformiert wurde, steht sie dem Gerät zur Verfügung. Die überschüssige Energie wird in einem Akkumulator oder in einem Kondensator gespeichert. 3

4 Möglichkeiten des Energy Harvesting An Ideen, welche Energiequellen man für die Wandlung in elektrische Energie benutzen könnte, ist kein Mangel. Neben dem Sonnenlicht gehören dazu vor allem elektromagnetische Strahlungen, sowie Wärme und mechanische Energie aus Vibrationen oder Druck. Neben natürlichen Quellen und technischen Einrichtungen aller Art bietet sich auch der menschliche Körper mit seiner Wärme, den Vibrationen, der Atmung oder dem Herzschlag sowie den Bewegungen insgesamt prinzipiell als Quelle für fast alle diese Energien an. So könnte Energie für den Betrieb von Implantaten oder Sensoren zur Überwachung von Körperfunktionen genutzt werden könnten. Piezoelektrischer Effekt Der Piezoeffekt wurde im Jahre1880 von den Brüdern Jacques und Pierre Curie endeckt. Bei bestimmten Kristallen kommt es bei Druckänderung zu einer Ladungstrennung. Dadurch entsteht eine elektrische Spannung am Element. An zwei Kristallflächen kann während der Dauer der Druckänderung eine elektrische Spannung abgegriffen werden, welche proportional zur aufgewendeten Kraft ist. Der Piezoeffekt kann nur in nichtleitenden Materialien auftreten. Eines der wichtigsten piezoelektrischen Materialien ist der Quarzkristall. Mit dem Piezoelektrischen Effekt werden vor allem Vibrationen aus der Umgebung in elektrischen Strom umgewandelt. Seebeck-Effekt An den freien Enden der beiden miteinander verbundenen Leiter wird bei einer Temperaturdifferenz entlang der Leiter aufgrund des Seebeck-Effekts eine elektrische Spannung erzeugt. Die Verbindungsstelle und die freien Enden müssen dazu unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Dieser Effekt entsteht in einem Stromkreis zwischen zwei unterschiedlichen Leiter (A und B), bei einer Temperaturdifferenz zwischen Punkt und Punkt. Durch diesen Temperatur unterschied entsteht eine kleine elektrische Spannung zwischen den Kontaktstellen. Die Seebeck Koeffizienten ( und ) sind Materialkonstanten, welche von der Temperatur abhängen. Sie geben die Spannungszunahme pro Kelvin an. Die Typische Grössenordnung liegt für Metalle bei Raumtemperatur um 10uV/K. Die resultierende Spannung lässt sich mit folgender Formel berechnen: 4

5 Photovoltaik Diverse Geräte gewinnen ihre benötigte Energie auch aus Solarzellen, wie zum Beispiel einige Taschenrechner. Inzwischen gibt es auch diverse Handys, welche eine Solarzelle besitzen und durch Sonnenlicht aufgeladen werden können. Auch manche Ampelanlagen funktionieren dank Sonnenlicht. Eine kristalline Solarzelle besteht meist aus Silizium. Ein Siliziumatom besitzt 4 Elektronen auf der Abb. 1 äussersten Schale und ist somit 4 wertig (Abb. 1). Siliziumatome sind bestrebt 8 Elektronen auf der äussersten Abb. 2 Schale zu besitzen. Darum gehen sie mit den Nachbaratomen eine Paarbindung ein (Abb. 2). Wird im Silizium Fremdatome eingebunden nennt man dies Dotierung. Wird das Silizium mit einem 3 wertigem Atom wie zum Beispiel Aluminium, so hat es ein Elektron zu wenig um eine Paarbindung einzugehen und es entsteht somit ein Loch (Abb. 3). Diese Art der Dotierung Abb. 3 wird auch p-schicht genannt. Wird das Silizium mit 5 wertigen Atomen wie zum Beispiel Phosphor dotiert, hat es nach der Paarbindung ein Elektron zu viel (Abb. 4). Diese Art der Dotierung wird bildet eine n-schicht. Liegen die beiden Schichten aneinander, so bilden diese einen p-n Abb. 4 Übergang. Eine klassische Solarzelle besteht sehr grob gesagt aus einem p- n Übergang, zwei Elektroden und einer Glasplatte. Elektronen aus der n-schicht wandern in die p-schicht, um sich mit den Löchern zu rekombinieren. So bildet sich zwischen den beiden Schichten eine sogenannte Diffusionsspannung (bei Silizium beträgt diese ca. 0.7V). Trifft ein Photon auf den p-n Übergang, so werden Elektronen in der Diffusionszone von den Atomkernen gelöst und werden durch das elektrische Feld in die n-zone gelenkt. Nun befindet sich in der n-zone ein Elektron zu viel und in der p- Zone ein Elektron zu wenig. Jetzt kann durch die beiden Metallkontakte die Spannung von 0.7V abgegriffen werden. Um eine höhere Spannung zu erhalten, betreibt man mehrere Solarzellen in Serie. Elektromagnetische Wellen Elektromagnetische Strahlen lassen sich in eine elektrische Spannung umwandeln. Eine Spule, induziert durch elektromagnetische Strahlungen von Funkanwendungen wie Radio, Fernsehen, Mobilfunk oder WLAN eine elektrische Spannung. So lassen sich etwa Frequenzen von 30kHz bis etwa 30MHz in elektrischen Strom umwandeln. 5

6 Anwendungsbeispiele Energy Harvesting Taschenrechner Einige Taschenrechner, unter anderem der TI-30 ECO RS von Texas Instruments, werden durch Solarzellen betrieben. Atmos Jean Léon Reutter entwickelte 1928 die Atmos-Tischuhr. Diese Uhr bezieht die mechanische Energie zum Aufzug der Zugfeder aus den kleinsten Schankungen des Luftdruckes und der Temperatur. Heute wird die Uhr vom Schweizer Uhrenhersteller Jaeger LeCoultre hergestellt. Im inneren der Uhr befindet sich eine balgförmige Gaskammer, welche sich bei Temperatur Änderung ausdehnt oder zusammenzieht. So soll durch eine Temperatur Änderung von 1 C genug Energie gewonnen werden um die Uhr 48 Stunden zu betreiben. Die Atmos-Uhr ist das offizielle Staatsgeschenk der Schweiz. 6

7 Kaufhausdiebstahlsicherung Kaufhäuser verwenden unter anderem RF-Etiketten um ihre Wahren vor Diebstahl zu sichern. Das Bild zeigt ein solches Etikett. Auf der Rückseite ist eine silbrig glänzende Spirale zu erkennen, dies ist eine Spule, die zugleich als Antenne dient. Der blaue Steg im Bild verbindet Anfang und Ende der Spule mit einem Kondensator. Spule und Kondensator bilden einen Schwingkreis. In einem äußeren elektromagnetischen Hochfrequenz-Feld, das auf seine Resonanzfrequenz abgestimmt ist, entzieht der Schwingkreis dem System Sendeenergie und ist so nachweisbar. Mini Kraftwerk im Körper Medizinische Implantate wie Herzschrittmacher brauchen Strom. Die heutigen Implantate beziehen diesen aus einer Batterie. Wenn die Batterie jedoch leer ist, muss diese durch eine aufwendige Operation ersetzt werden. Darum haben Forscher der Uni Bern und der Berner Fachhochschule eine Miniturbine entwickelt, welche den nötigen Strom aus der Energie des Körpers gewinnen soll. Die Turbine soll direkt in eine Arterie eingepflanzt werden. Den gewonnenen Strom speichert ein Kondensator und gibt diesen dann an das Implantat ab. Vom ersten Einsatz ist die Turbine jedoch noch weit entfernt. Sie ist im Moment mit einem Durchmesser von 10mm noch zu gross. Eine Arterie hat etwa einen Durchmesser von 3mm. Tanzfläche In Rotterdam gibt es den Club Watt, in dem die Gäste selber Strom produzieren. Die Tanzfläche ist mit 65x65cm grossen Modulen ausgestattet, welche Beweglich gelagert sind, so dass sie einen Spielraum von etwa 1cm haben. Die Bewegung wird mithilfe eines Generators in Strom umgewandelt. Laut Angaben der Clubbetreiber können aus jedem Tänzer bis zu 20 Watt gewonnen werden. Ist die Tanzfläche gut besucht, soll die gewonnene Energie reichen um die LED-Lichtanlage zu betreiben. Mittels einer grossen LED-Anzeige wird den Gästen übermittelt, wie gross die momentan produzierte Leistung ist. 7

8 Vor- und Nachteile Die Vorteile von Energy Harvesting liegen auf der Hand: - Die Energie wird direkt aus der Umwelt bezogen und ist somit Umweltfreundlich - Die Energie ist ebenfalls Kostenlos. - Ein aufwendiger und lästiger Batteriewechsel ist nicht mehr nötig. - Die Wartung des Geräts ist klein oder entfällt ganz. Trotz der gravierenden Vorteile, gibt es auch einige Nachteile: - Die gewonnene Energie ist bei vielen Energy Harvester sehr gering und reicht deshalb oft nicht für die vollständige Versorgung eines Gerätes. - Je nach Verfahren ist die Energie in der Umgebung nicht kontinuierlich vorhanden. - Die Anschaffung ist teurer als der Batteriebetrieb. Zukunft Noch ist vieles im Bereich Energy Harvesting in Gange, was letzten Endes tatsächlich Standard sein wird, lässt sich noch nicht wirklich sagen. Immerhin hat man in einigen Bereichen inzwischen so viel Erfahrung, dass man erste Produkte fertigen kann. Die Grundlagenforschung zu Energy Harvesting ist aber noch lange nicht ausgereizt. Unter anderem gibt es auch Initiativen, die Systeme entwickeln wollen, die mit 0,1 V Spannung nur noch einen Bruchteil der heute üblichen Betriebsspannungen benötigen. Ob Energy Harvesting langfristig sogar das Zeug zur Energieversorgung der Zukunft hat oder weiterhin nur in bestimmten Bereichen Erfolg haben wird, ist daher noch nicht klar. Insbesondere die breite Entwicklung wirklich optimierter Systeme für mobile Geräte steht noch ziemlich am Anfang. Quellen html 8

9 Gfeller Daniel (Berner Fachhochschule) 9