Energieautarke Lüftungssteuerung. Juan-Mario Gruber, Daniel Rieben InES Institute of Embedded Systems ZHAW
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- Stephan Fuhrmann
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1 Energieautarke Lüftungssteuerung Juan-Mario Gruber, Daniel Rieben InES Institute of Embedded Systems ZHAW
2 Forschungsschwerpunkt Autarke Systeme am InES Energieautarke Embedded Systeme Anwendungsorientierte Lösungen Energy Harvesting Power Management Low-power Technologien Sensorlösungen Aktuatoren und Antriebe Wireless communication 2 ECC 2018
3 Forschungsschwerpunkt Autarke Systeme am InES Energieautarke Embedded Systeme und Energy Harvesting 3 ECC 2018
4 Agenda Motivation: Lüftungstechnik EH basierte Lüftungssteuerung Energy Harvesting Systemkonzept Realisierung Energiebudget Vorstellung Prototyp Fazit 4 ECC 2018
5 Motivation Lüftungskanäle Verkabelung sparen Wartungsfreie Aktorik / Sensorik (kein Akkuwechsel notwendig) Einfach zum nachrüsten Herausforderungen Verschmutzungsresistenz Einfache Handhabung Verfügbarkeit Preis [Bild: Hart Klimatechnik] 5 ECC 2018
6 Energy Harvesting im Lüftungskanal Bisherige Lösungen meist kabelbasiert Lange Kabel die viel kosten Nachrüstung von neuen Kabeln ist aufwändig Batterien oder Akkus müssen gewechselt werden Vorteile von Energy Harvesting Keine Kabel, Wartungsfrei (Akku Aufladen, Batteriewechsel) Wasserdicht, Verschmutzungsresistent Funktioniert immer kein leerer Akku Hohe Innovation (Marketing) [Bilder: Colourbox] 6 ECC 2018
7 Energieautarke Lüftungssteuerung Anwendungen Überwachung von Differenzdruck Messen der Luftfeuchtigkeit, Luftqualität Steuern von Klappen oder Ventilen Intelligentes Sensornetzwerk um Strömung zu Überwachen Einsatzgebiete System Überwachung Klimaregelung Qualitätsprüfung Sicherheit (Überdruck, etc.) [Bild: Hekatron] 7 ECC 2018
8 Systemkonzept 8 ECC 2018
9 Energy Harvesting in Fluidströmungen Mögliche Lösungen Energy Harvester 9 ECC 2018
10 Vor- und Nachteile Energy Harvester Lösungsansätze Windrad Vorteile: Etabliertes Konzept für grosse Anlagen, günstig, liefert mehr Energie mit steigender Windgeschwindigkeit Nachteile: Propeller muss gelagert werden Reibung in den Lager, verschmutzungsanfällig 10 ECC 2018
11 Vor- und Nachteile Energy Harvester Lösungsansätze Differenzdruck Harvester Vorteile: Druckunterschiede steigen mit Windgeschwindigkeit, simpler Aufbau, Piezo liefert hohe Spannung bei kleiner Auslenkung Nachteile: Ansammlung von Schmutz, Kräfte bei tiefen Windgeschwindigkeit gering, zusätzliche Verjüngung des Kanals durch Kammer 11 ECC 2018
12 Vor- und Nachteile Energy Harvester Lösungsansätze Galloping Harvester Vorteile: simpler Aufbau, Energieertrag steigt mit Windgeschwindigkeit, keine Lager, Platzbedarf, hohe Amplituden durch Resonanzanregung, verschmutzungsresistent Nachteile: Sehr hohe Amplituden Bruchgefahr 12 ECC 2018
13 Vor- und Nachteile Energy Harvester Lösungsansätze Karman sche Wirbel Vorteile: Einfacher Aufbau, Platzbedarf, verschmutzungsresistent Nachteile: Wirbelfrequenz von Windgeschwindigkeit abhängig wenig Energie ausserhalb der Resonanz, Änderung der Strömungsverhältnisse haben grossen Einfluss auf Energieertrag 13 ECC 2018
14 Auswahl Lösungsansätze Windrad: Lager altern/verschmutzen Reibung steigt Betriebsdauer sinkt Hermetische Abdichtung schwierig zu realisieren Differenzdruck Harvester: Geringer Energieertrag trotz hoher Windgeschwindigkeit Karman sche Wirbel: Angeregte Frequenz von Windgeschwindigkeit abhängig kleine Änderung der Windgeschwindigkeit führt zu massiven Energieeinbussen Beste Lösung Galloping Harvester: Wenig mechanische Teile Einfach zu dimensionieren Guter Energieertrag 14 ECC 2018
15 Prototyp Galloping Harvester Prototyp Galloping Harvester: 15 ECC 2018
16 Leistungsabgabe Galloping Harvester Erste Messreihe: 16 ECC 2018
17 Verbesserter Galloping Harvester Verbesserte Flügelform: Nutzbare Leistungsabgabe ab 1,25m/s P > 3mW bei 3m/s Windgeschwindigkeit 17 ECC 2018
18 Systemkonzept 18 ECC 2018
19 Blockschaltbild 19 ECC 2018
20 Lösungsvorschlag 20 ECC 2018
21 Windgeschwindigkeitsmessung Differenzdruckmessung über ein Pitotrohr (Schnittdarstellung) 21 ECC 2018
22 Windgeschwindigkeitsmessung Vergleich Messgerät testo405i und Differenzdruckmessung 22 ECC 2018
23 Leistungsbilanz der Schaltung Versorgungsspannung 3.3V Differenzdrucksensor Stromverbrauch ~ 6mA, Intervallzeit = 2s, Messdauer ~ 60ms Leistungsverbrauch ~ 600uW MEMS (Temperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit) Stromverbrauch ~ 1.25 ma, Intervallzeit = 2s, Messdauer ~ 17.2ms Leistungsverbrauch ~ 35uW BMD-300 mit Stepdown Konverter (LTC3588) Entladekurve eines Kondensators wurde gemessen und daraus die verbrauchte Leistung ermittelt BMD-300 Connected mit Intervallzeit 200ms und Slavelatency von 78 Daten Update alle 200ms, Benutzer Inputs alle 15.6s Leistungsverbrauch maximal 160uW 23 ECC 2018
24 Leistungsbilanz der Schaltung Gesamter Leistungsverbrauch der Sensoren, des LTC3588 und BMD-300 Modul ~ 800uW Mit Sicherheitsmarge und restliche Schaltung ~ 1.3mW Harvester Leistung ~ 3mW Strommessung 0 90 Klappenmotor: Mit 1.7mW Leistung kann die Klappe somit alle 4 Minuten um 90 verstellt werden. 24 ECC 2018
25 App Interface Android App für einfachen Zugriff auf das System: Graph für Messdaten (Temperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit) Energie im Speicherkondensator mit Ein/Ausschaltknopf Messung Mittelwert Messgrösse mit Ein/Ausschaltknopf Messung Klappenposition und Ein/Ausschaltknopf Messung Benutzerdefinierter Anfahrtswinkel mit Startknopf Disconnect Button 25 ECC 2018
26 Vorstellung Prototyp 26 ECC 2018
27 Fazit Energy Harvesting in Strömungen Energie aus Strömung mittels Galloping Harvesters Leistungsabgabe ab 1.25m/s; etwa 3mW bei 3m/s Kostengünstiger Energy Harvester (wenig mechanische Teile) Konzept ist übertragbar auf andere Fluide Anwendung des Prototyps im Lüftungskanal System arbeitet Energieautark Messdaten können alle 2 Sekunden zu einem Endgerät übermittelt werden zur Weiterverarbeitung Lüftungsklappe kann alle 4 Minuten um 90 verstellt werden 27 ECC 2018
28 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Forschungsschwerpunkt Autarke Systeme Institute of Embedded Systems Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften (ZHAW) Technikumstrasse 20/ Winterthur +41 (0) Web: 28 ECC 2018
29 29 ECC 2018
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