Energy Efficiency and Photonic Sensors

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1 Energy Efficiency and Photonic Sensors Dr. Ulrike Willer Prof. Dr. Wolfgang Schade LaserAnwendungsCentrum (LAC) Technische Universität Clausthal Energie Campus, Goslar

2 Forschungsprofil des LAC Energie und Material Lasersensoren und IED Detektion a) c) Photonische Sensoren und Energieeffizienz b) Miniaturisierte Hochleistungs-Laserstrahlquellen Lasersensoren und zivile Sicherheit Neuartige Photonische Sensorkonzepte

3 Phot oni s che Mi kr os ens or en Neuartige Photonische Sensorkonzepte - Oz o n D e t e k t i o n i n o f f - s h o r e Wi n d k r a f t a n l a g e n - R e d u z i e r u n g d e s E n e r g i e b e d a r f e s u n d C O2 E mi s s i o n - p h o t o n i s c h e Se n s o r e n z u r Ec h t z e i t -Er f a s s u n g v o n Pr o z e s s g a s e n Ai F Pr o I n n o I I Pr o j e k t u n d EADS F o r s c h u n g s p r o j e k t 3

4 Phot oni s che Mi kr os ens or en: QEPAS -Photoakustische Spektroskopiemethode -Optische Anregung von Gasmolekülen zwischen den Forken einer QuarzStimmgabel durch Absorption - Modulation der Laserintensität mit der Resonanzfrequenz der Stimmgabel f = Hz Q(p ) = C o mme r c i a l l y a v a i l a b l e c l o c k q u a r t z Hz = Hz Pr i z e a b o u t 0, 1 F.K. Tittel, A. Kosterev, Rice University, Houston (USA) Ai F Pr o I n n o I I Pr o j e k t u n d EADS F o r s c h u n g s p r o j e k t 4

5 QEPAS Sens or Vereinfachtes System: Sensor ist gleichzeitig Detektor! Faserkopplung möglich Zelle - Detektionslimit: ppb (ppt) - hohe Selektivität - Spezies: TATP, Aceton, Peroxide, unterschiedliche Gasmoleküle - Größe: mobil oder sogar handheld

6 Phot oni s che Mi kr os ens or en Sauer s t of f - Det ekt i on 50 mw DFB laser diode oxygen detection limit: 7000 ppm E x a mp l e o f a mi n i a t u r i z e d l a s e r s p e c t r o me t r i c s e t u p d e v e l o p e d a t t h e L A C A. Pohlkötter et al., Appl. Phys. B, submitted Ai F Pr o I n n o I I Pr o j e k t u n d EADS F o r s c h u n g s p r o j e k t 6

7 Phot oni s che Mi kr os ens or en O2 Det ekt i on tapered amplifier E x a mp l e o f a mi n i a t u r i z e d l a s e r s p e c t r o me t r i c s e t u p d e v e l o p e d a t t h e L A C after optimization oxygen detection limit: 350 ppm Ai F Pr o I n n o I I Pr o j e k t u n d EADS F o r s c h u n g s p r o j e k t 7

8 Phot oni s che Sens or net zwer ke zur Über wachung von Ener g i enet zen - Op t i mi e r u n g d e r N e t z s i c h e r h e i t von Of f s h o r e Wi n d k r a f t a n a l a g e n - F a s e r o p t i s c h e Se n s o r n e t z we r k e zum i n s i t u Mo n i t o r i n g t h e r mi s c h e r und me c h a n i s c h e r B e l a s t u n g e n v o n En e r g i e k a b e l n - I n s t a l l a t i o n i n 6 MW Pi l o t a n l a g e i m He r b s t I ndust r i ef or schungspr oj ekt I n Ka I n n o Ne t mi t D r a k a C a b l e t e q u n d Pr o j e k t I N

9 LED and QEPOD Wi ns t on cone phot oni c s ens or modulation of amplitude 32,768 khz LED QEPOD winston cone current source pre- amplifier lock-inamplifier

10 Phot oni s che Mi kr os ens or en Ozon Det ekt i on UV abs or pt i on of ozone broadband absorption s i mul at i on f or an uv LED 0.05 LED Emission 100 ppm Ozone, 5 cm 0.04 Intensity 0.03 Integral change: 9.8% Wavelength [µm] 200 Ai F Pr o I n n o I I Pr o j e k t wavelength (nm) 10

11 Phot oni s che Mi kr os ens or en Ozon Det ekt i on Anwendung: insitu Monitoring von Ozon das bei Korona-Entladungen in offshore Windenergiegeneratoren auftritt Labormessung Ozon mit einer UV-Lampe generiert 7 air flush O3 generation 6 lock-in signal [V] time [s] Ai F Pr o I n n o I I Pr o j e k t 11

12 Phot oni s che Mi kr os ens or en CO2 Spei cher ung Länder mit größter CO2 Emission Weltweite CO2 Emissions durch Verbrennung fossiler Brennstoffe Land CO2-Emissionen durch Verbrennung fossiler Energieträger in Mt Pro-KopfEmissionen in t 1 USA ,68 2 China ,89 3 Russland ,64 4 Japan ,41 5 Indien ,99 6 Deutschland ,35 7 Kanada ,49 8 Großbritannien 540 9,10 9 Italien 453 7,80 10 Südkorea 448 9,36 B MB F V e r b u n d p r o j e k t 12

13 Phot oni s che Mi kr os ens or en CO2 Spei cher ung Dr i l l i ng of 800m- hol es i nt o Schi l f s ands t ei n I nj ect i on Hol e Obs er vat i on Hol e 1 Obs er vat i on Hol e 2 Mas s i ve i nj ect i on of CO2 Geophys i cal moni t or i ng downhol e and at s ur f ace Sur f ace and s ubs ur f ace CO2 moni t or i ng Ext ens i ve model i ng B MB F V e r b u n d p r o j e k t 13

14 Phot oni s che Mi kr os ens or en CO2 Spei cher ung a) Setup 1: spiralförmig gewickelte Quarzfaser b) Setup 2: ATR Element (SiO2, Si, ZnSe) R. Orghici et al., Appl. Phys. B90, 355 (2008) B MB F V e r b u n d p r o j e k t 14

15 Phot oni s che Mi kr os ens or en CO2 Spei cher ung CO2 inlet 10 5 CO2 inlet integral E( λ )dλ 0 H2O t (min) B MB F V e r b u n d p r o j e k t 15

16 Sens or i k zur St euer ung von Hocht emper at ur - und Bi og as anl ag en - St e i g e r u n g d e r En e r g i e e f f i z i e n z b e i Gl a s s c h me l z - o d e r Bi o g a s a n l a g e n ) H o c h t e mp e r a t u r p r o z e s s e n (z. B. - R e d u z i e r u n g d e s E n e r g i e b e d a r f e s u n d C O2 E mi s s i o n - r e s o n a n t e u n d p h o t o n i s c h e Se n s o r e n z u r Ec h t z e i t -Er f a s s u n g v o n Pr o z e s s g a s e n A i F Z U T E C H (F V Z N ) u n d A I F (B G / 0 7 ) 16

17 Phot oni s che Sens or en Hocht emper t ur Pr ozes s e Se n s o r f a s e r Sa p h i r p r i s ma AiF ZUTECH (FV181ZN) und AIF (BG01007/07) 17

18 Phot oni s che Sens or en Hocht emper at ur Pr ozes s e CO Detektion zur insitu Echtzeit Prozesssteuerung in Glasschmelzen 0,20 -ln(i / I0) 0,15 0,10 0,05 0,00-0,05 Wellenlänge (w.e.) AiF ZUTECH (FV181ZN) und AIF (BG01007/07) 18

19 Nanos t r ukt ur i er t e Wei ßl i cht quel l en und Sol ar zel l en a) c) b) - n e u e Ma t e r i a l k o mp o s i t e z u r H e r s t e l l u n g v o n f l e x i b l e n u n d p r e i s g ü n s t i g e n S o l a r mo d u l e n - n e u e Ma t e r i a l k o mp o s i t e a u c h a l s B a s i s n e u a r t i g e r We i ß l i c h t q u e l l e n Na n o So l - I nnonet Pr o j e k t I N

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