Energieeffiziente Sensoren / Systeme im Internet der Dinge

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1 Energieeffiziente Sensoren / Systeme im Internet der Dinge Martin Jaegle, Kilian Bartholomé, Jan König, Markus Bartel, Ulrike Nussel, Jan Horzella, Roland Binninger, Patrick Broucke Fraunhofer Institute für Physikalische Messtechnik IPM Fraunhofer IPM / Slide 1

2 Fraunhofer-Gesellschaft Fakten und Zahlen Gründungsjahr 1949 Mission Forschung zum Nutzen der Wirtschaft und zum Vorteil der Gesellschaft Ziele Innovationen schaffen % externer Finanzierungsgrad Größe rund Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter 66 Fraunhofer-Institute Umsatz: rund 2 Mrd. p. a. Fraunhofer IPM / Slide 2

3 Fraunhofer-Gesellschaft in Deutschland und weltweit Die Fraunhofer-Gesellschaft ist global und an vielen Orten in Deutschland aktiv. Jedes der Fraunhofer- Institute hat große Handlungsspielräume. Fraunhofer IPM rund 230 Mitarbeiter Haushalt 2014: rund 15 Mio., davon 43 % Industrieaufträge Kaiserslautern Freiburg Fraunhofer IPM / Slide 3

4 Fraunhofer IPM im Überblick Geschäftsfelder und Abteilungen Produktionskontrolle hochgenaue und schnelle 2D- und 3D-Messtechnik Materialcharakterisierung und -prüfung Terahertz-Technologie, Hochfrequenz-Messtechnik Objekt- und Formerfassung mobiles Laserscanning Gas- und Prozesstechnologie Spektroskopie, Gassensoren, thermische Messtechnik Funktionelle Materialien und Systeme Magnetokalorik, Nichtlineare Optik, Thermoelektrik Fraunhofer IPM / Slide 4

5 Kabellose Energieversorgung im Internet der Dinge Mögliche Energieversorgung durch energy harvesting : - Licht (Solar): im Wesentlichen nur tagsüber/außerhalb sichtbar - mechanische Energie (Vibration): eingeschränkte Anwendung limitiert auf bestimmte Frequenzen - thermische Energie (Thermoelektrik): beinahe überall vorhanden Fraunhofer IPM / Slide 5

6 Prinzip Thermogenerator / Peltierelement Temperaturdifferenzen <=> elektrische Energie Peltier-Element Thermoelektrisches Element Thermogenerator Fraunhofer IPM / Slide 6

7 Thermoelektrische Systeme Energiewandlung von µw bis kw energieautarke Sensoren: kabellose Datenübertragung lokale Temperierung wenige Grad DT ausreichend für energieautarken Sensorknoten Fraunhofer IPM / Slide 7

8 Energieautarker Sensor Sensorknoten Elektronik Sensor Zentrale Einheit Harvester ~mv Step-up ~ V Powermanage ment Funküber tragung Speicher Wenige Grad DT für Betrieb eines Sensorknotens ausreichend Fraunhofer IPM / Slide 8

9 Funkende Kaffeekanne Kaffee leer! elektrische Daten: Maximale Spannung des Generators: 400 mv Durchschnittliche Spannung des Generators: 150 mv Maximale Leistung: 85 mw Durchschnittliche Leistung: 12 mw Fraunhofer IPM / Slide 9

10 Energieautarke Sensorik mittels Energie aus Tag/Nacht Temperaturzyklus Ausnutzung von zeitlichen statt räumlichen Temperaturunterschieden Träge Temperaturänerung am Wärmereservoir Schnelle Temperaturänderung am Kühlkörper T Umgebung Zeit [h] DT TEG (t) T Reservoir Erzeugung eines ausreichenden DT für Step-up Konverter, Powermanagement, Sensorik und Funkübertragung TEG Fraunhofer IPM / Slide 10

11 Energieautarke Sensorik mittels Energie aus Tag/Nacht Temperaturzyklus Mittwoch, 19. März 2014 Über eine Million Messwerte ohne externe Energieversorgung ermittelt und übertragen Fraunhofer IPM / Slide 11

12 Energieautarke Sensorik im Flugzeug BMBF-Project: Intelligentes Pflaster zur Überwachung besonders beanspruchter Strukturen um Flugzeug drahtlos energieautark mittels Thermoelektrik einfach zu installieren unbegrenzte Energiequelle wartungsarm Fraunhofer IPM / Slide 12

13 Examples Exploiting temporal changes Aircraft B3_1: A. Elefsiniotis, EADS: Harvester exploiting temporal temperature changes in aircrafts: generate DT with heat reservoir up to 17mW of electrical power ΔT average energy collected during one typical flight: ~23 J Sufficient for powering a sensor node >6h Samson, D., et al., Journal of Electronic Materials, (6) Fraunhofer IPM / Slide 13

14 Energie harvesting für SmartHome -Aktorik und - Sensorik Intelligente Thermostatsteuerung (itrv) 70% der gesamt Energie wird zum Heizen genutzt (Haushalt/Gebäude) 10-20% Energieersparnis Thermoelektrisch gesteuerte Aktoren und Sensoren Batterie betriebene Systeme müssen alle zwei Jahre gewartet werden Fraunhofer IPM / Slide 14

15 Energieeffiziente Sensoren / Systeme im Internet der Dinge Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Martin Jaegle, Kilian Bartholomé, Jan König, Markus Bartel, Ulrike Nussel, Jan Horzella, Roland Binninger, Patrick Broucke Fraunhofer Institute für Physikalische Messtechnik IPM Fraunhofer IPM / Slide 15

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