Versuch 793 Energy Harvesting

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1 Interdisziplinäres Laborpraktikum Master ET Versuch 793 Energy Harvesting Institut für Mikrosystemtechnik E-7 Technische Universität Hamburg-Harburg, 2014 Versionen , Klaus Dembowski 1

2 Inhalt 1 Vorbereitung und Versuchsdurchführung Einführung Solarzellen Messungen mit Solarzellen Ermittlung der Kennlinie und des Maximum Power Point Stromfluss in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Spannung Messung der Intensitätsabhängigkeit Temperaturabhängigkeit Leistung in Abhängigkeit von bedeckten Teilflächen Piezoelemente Piezo-Wandlerschaltung Messungen mit Piezoelement Grundlegender Funktionstest Funktionstest der Piezo-Eingänge Funktionstest des Wandlers Maximaler Strom bei Eingangsgleichspannung Energiegewinnung mit Piezo-Element Bestimmung der maximalen Leistung Thermogeneratoren Vergleichsmessung Thermogenerator und Peltier-Element Thermogenerator-gespeister Sensorknoten Funktionstest Ermittlung der Leistungsabhängigkeit Literatur Anhang Datenblatt Peltier-Elemente Pt100-Tabelle Versuchsprotokollvorlage: Energy Harvesting

3 1 Vorbereitung und Versuchsdurchführung Vor diesem Praktikum sollte dieses Skript durchgelesen worden sein, denn zu Beginn wird ein Multiple-Choice-Test durchgeführt, dessen Erfolg als Vorrausetzung für die Teilnahme gilt. Im Laufe des Versuchs sind verschiedene Fragen zu beantworten und Diagramme aus den gewonnenen Messwerten zu erstellen, was zusammengefasst als Versuchsprotokoll abzugeben ist. Eine entsprechende Vorlage ist auf dem zum Praktikum gehörenden Notebook gespeichert. Als abgeliefert gilt das Protokoll, wenn es als Word-Datei auf dem Notebook des Instituts komplett gespeichert ist. Die Kennlinien werden mit Excel verarbeitet und sind mit im Word-Dokument zu integrieren. Im Anhang ist ein Arbeitsplan zu finden, der noch einmal zusammengefasst die Angaben für die anzufertigenden Diagramme sowie die einzelnen Fragen enthält, was als Vorlage oder Checkliste für das Versuchsprotokoll verwendet werden kann. 2 Einführung Der Begriff Energy Harvesting steht für das Ernten von Energie aus der Umgebung. Seit Jahrtausenden setzen wir Energie aus Wind, Wasser und Sonne ein, die quasi überall zu finden ist. Was aktuell als regenerative oder auch als erneuerbare Energie bezeichnet wird, steht im Gegensatz zu den fossilen Energieträgern wie Erdöl, Erdgas und Kohle dauerhaft zur Verfügung. Energie aus Wind, Wasser oder der Sonne zu gewinnen, ist demnach nichts Neues. Durch Methoden des Micro Energy Harvesting ergeben sich in Verbindung mit energieeffizienter Elektronik eine Vielzahl von neuen energieautarken Anwendungen, die ohne eine Primärzelle wartungsfrei betrieben werden können. Drahtlose Sensorknoten sind hierfür ein aktuelles Beispiel. Im üblichen Sprachgebrauch ist mit Energy Harvesting meist das Micro Energy Harvesting (MEH) gemeint was mitunter auch als Energy Scavenging (Energie plündern, abzwacken) bezeichnet wird und bei dem nur verhältnismäßig geringe Energiemengen gewonnen werden, im Gegensatz etwa zu Photovoltaik- sowie Wind- und Wasserkraftanlagen, die für die Deckung des Strombedarfes von Haushalten ausgelegt sind. Neben der Energiegewinnung aus der Umgebung werden unter MEH außerdem verschiedene Methoden subsumiert, die mehr oder weniger direkt durch den Menschen oder allgemein durch Lebewesen Energie gewinnen, wie etwa aktiv bei der Bewegung eines Dynamos (Fahrrad, Taschenlampe mit Kurbel) oder passiv durch die Physiologie (Körpertemperatur, aus Blutzucker mit Glukosebrennstoffzelle). Sowohl Energie aus der Umwelt als auch solche durch den Menschen erzeugte lässt sich nach einer geeigneten Umsetzung für unterschiedliche Anwendungen in der Mikroelektronik nutzen. Hierfür stehen diverse Energiewandler wie beispielsweise Solarzellen, Thermogeneratoren und Piezoelemente zur Verfügung, die für sich allein genommen aber noch kein Energy Harvesting-System ausmachen, auch wenn diese Energiewandler in diesem Zusammenhang oftmals als Energy Harvester bezeichnet werden. Ausschlaggebend für die Wahl eines geeigneten Harvesting-Prinzips ist in erster Linie die Umgebung, in der das System arbeiten soll. Die verschiedenen Energiequellen wie Licht, Temperatur oder Vibration müssen im entsprechenden Umfeld in ausreichendem Maße zur Verfügung stehen. Die Tabelle 1 zeigt als Überblick, was ungefähr von den verschiedenen Quellen an Leistung oder auch an Leistungsdichte zu erwarten ist. Die Leistung wird hier wie üblich in Watt (1 W = 1 J/s) beziehungsweise in den kleineren Untereinheiten angegeben. Genau genommen ist der Begriff Leistungsdichte zwar nicht eindeutig und physikalisch korrekt, hier wird er jedoch einfach auf eine Fläche oder auf ein Volumen bezogen. 3

4 Quelle Technologie Leistung Anmerkung/Anwendung Licht Solarzelle 100 mw/cm µw/cm 2 direktes Sonnenlicht Kunstlicht Temperatur Thermogenerator 60 µw/cm µw/cm 2 Standard Micropelt-Typ Schaltvorgang Elektrodynamisch 50 µj/n 50 µw, EnOcean PTM 200 Vibration Piezo 4 µw/cm µw/cm 2 menschlich im Hz-Bereich maschinell im khz-bereich Luftstrom Strömungswandler 1 mw/cm 2 Mikropumpe mit 30 l/min HF-Strahlung Antenne < 1 µw/cm 2 Im Nahfeld Akustik (100 db) Piezo 950 nw/cm 3 Kaum erforscht Dynamo Elektrodynamisch 3 W - 7 W Fahrraddynamo, Kurbeltaschenlampe Tabelle 1: Leistung von Energy Harvesting-Quellen Die aus der Umgebung gewonnene Energie ist in nutzbare elektrische Energie umzusetzen und zu speichern, damit sie in den Zeiten hoher Ausbeute für die Zeit geringer Ausbeute vorgehalten werden kann, um die Elektronik entsprechend der Anwendung möglichst ausfallsicher versorgen zu können. Deshalb ist ein Energiespeicher notwendig, der typischerweise aus einem Akkumulator oder auch aus einem Kondensator besteht. Wie mit der Energie zu verfahren ist bestimmt ein Energiemanagement. Als Bestandteil des Energiemanagements ist üblicherweise noch eine Spannungsumsetzung für die nachgeschaltete Elektronik notwendig, was mithilfe von handelsüblichen Spannungswandlern und Ladeschaltungen realisiert wird. In der Abbildung 1 ist die einfachste Form eines Energy Harvesting-Systems mit Energiemanagement gezeigt. Abbildung 1: Zwischen dem Energiewandler und dem Energiespeicher sorgt das Energiemanagement für die entsprechende Umsetzung und Verteilung der gewonnenen Energie. Das Kernstück einer per Energy Harvesting versorgten Elektronik, wie die eines drahtlosen Sensorknotens, bildet meist ein Mikrocontroller, der die Signalaufnahme und Datenübertragung möglichst intelligent steuert. Was das genau bedeutet, hängt sehr stark von der jeweiligen Anwendung ab, also wie viele, wie genau und wie oft Messdaten erfasst werden müssen. Die gebräuchliche Betriebsart eines drahtlosen Sensorknotens ist nicht der Dauerbetrieb, sondern ein Schlafmodus. Ein geeigneter Mikrocontroller sollte deshalb über effiziente Sleep-Modi verfügen. Neben einer Elektronik, die möglichst wenig Strom für die Datenaufnahme per Sensor und die Signalaufbereitung verbraucht, ist eine energieeffiziente Funktechnologie zwingend 4

5 erforderlich. Der Mikrocontroller ist ebenfalls für die Steuerung des hierfür benötigten Transceivers notwendig und entscheidet per Programm, in welchen Situationen Daten gesendet werden müssen. 3 Solarzellen Solarzellen nutzen die Strahlungsenergie der Sonne, die sich als mächtige Energieressource darstellt. Die photovoltaische Stromerzeugung basiert auf der direkten Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie mithilfe von Solarzellen, die typischerweise aus Halbleitermaterialien gefertigt werden und einen pn-übergang bilden. In der Durchlassrichtung ergibt sich das Verhalten einer Diode, deren Kennlinie sich im beleuchteten Fall in den negativen Bereich verschiebt, was durch die Dunkel- und die Hellkennlinie beschrieben wird (Abbildung 2). Der durch das Licht generierte Strom fließt entgegen der Durchlassrichtung der Solarzelle. Beide Polungsarten werden durch die Diodengleichung beschrieben: U I I * n* UT 0 e ) ISC ( 1 I ist der Gesamtstrom, der durch den pn-übergang fließt und der vom Sperrstrom I0, der angelegten Spannung U sowie der Temperatur T abhängig ist. Der Einfluss der Temperatur (T) wird mit der Spannung UT ausgewiesen, die bei Raumtemperatur ungefähr 25 mv beträgt. k * T U T q k = Boltzmann-Konstante q = Elementarladung Der Idealitätsfaktor (n) ist ein Maß für die physikalische Umsetzung im Halbleiter (Rekombination). Er liegt idealerweise bei 1, in der Praxis rechnet man jedoch eher mit dem Faktor 2. Isc stellt den Photostrom einer beleuchteten Zelle dar, der bei der Dunkelkennlinie null ist. Die Leerlaufspannung UL auch als VOC (Open-Circuit Voltage) bezeichnet stellt die maximale Spannung ohne Belastung (I=0, offene Klemmen) dar. Der Kurzschlussstrom Ik auch als Isc (Short Circuit Current) bezeichnet ergibt sich bei kurzgeschlossenen Leitungen (U=0, geschlossene Klemmen) der Solarzelle, also bei einem Lastwiderstand von null Ohm. 5

6 Abbildung 2: Kennlinien einer Solarzelle mit den charakteristischen Parametern Die maximale Leistung einer Solarzelle wird auf der Hellkennlinie mit dem Maximum Power Point (MPP) beschrieben, der charakteristisch ist und für den Wirkungsgrad einer Solarzelle eine große Bedeutung hat. Der MPP kann durch die maximale Spannung (Umax) und den maximalen Strom (Imax) in Form der Fläche (gelbes Rechteck in Abbildung 2) mit dem Schnittpunkt der Kennlinie ermittelt werden. Ein weiterer wichtiger Parameter von Solarzellen ist der Füllfaktor (FF), der etwas über die Qualität der Zelle aussagt. Hierfür wird eine Fläche zwischen UL und Ik aufgespannt, die als Divisor für die MPP-Fläche dient: Zur Errechnung des Wirkungsgrades (η) ist die Kenntnis der eingestrahlten Leistung (PL) notwendig. Der Wirkungsgrad für kommerzielle Silizium-Solarzellen liegt derzeit bei maximal 22%. Entsprechend ihres Materials, der Kristallstruktur und ihrer Bauart ergeben sich entsprechend der Einsatzgebiete (wenig Licht, Kunstlicht, Streulicht, hohe Betriebstemperatur) mit den verschiedenen Zellen auch unterschiedlich hohe Wirkungsgrade. Als Vergleichsstrahlung sind bestimmte Spektren des Sonnenlichtes für die Messungen definiert, die mit AM (Air Mass) bezeichnet werden. Hinter der Bezeichnung AM steht eine Ziffer, die die Länge der durchdringenden Atmosphäre spezifiziert. In den für Solarzellen verbindlichen Standard Test Conditions, werden neben dem Strahlungsspektrum (AM 1,5), die Bestrahlungsstärke (1000 W/m 2 ) und die Temperatur (25 C) festgelegt. Unter diesen Bedingungen werden die Angaben für Strom, Spannung und Leistung (Peak) der Module ermittelt. 6

7 3.1 Messungen mit Solarzellen Für die Durchführung der Messungen werden die folgenden Geräte nebst Zubehör benötigt: Multimeter (2 Stück) Laborkabel (6 Stück) Hirschmann-Klemmen oder Kroko-Klemmen (2 Stück) Spannungsquelle (regelbare Spannung von 0 7 V, NG1620) Regelbare Heizplatte (Omnilab MR2002) Temperaturmessgerät (evtl. im Multimeter integriert) Luxmeter (evtl. im Multimeter integriert) Verschiedene Solarzellen Solarzellenmessschaltung (Abbildung 3) 3.2 Ermittlung der Kennlinie und des Maximum Power Point Im ersten Versuch sind die Kennlinien verschiedener Solarzellen zu messen und jeweils der MPP zu bestimmen. Um vergleichbare Werte der Solarzellen zu erhalten, ist es wichtig, dass während des Versuchs eine konstante Bestrahlungsstärke beibehalten wird. Diese ist mit dem Luxmeter zu ermitteln und zu notieren. Dabei ist Folgendes zu beachten: Halogenlampen stellen sofort den vollen Lichtstrom zur Verfügung. Energiesparlampen (Kompaktleuchtstofflampen) haben eine temperaturabhängige Helligkeit. Es kann bis zu vier Minuten nach dem Einschalten dauern bis 90% der endgültigen Helligkeit erreicht und Messungen mit konstantem Lichtstrom möglich sind. Abbildung 3: Messschaltung für Solarzellen Die Kennlinien sind durch Spannungs- und Strommessungen mit den beiden Multimetern nach der Schaltung in Abbildung 3 zu messen, und in einer Tabelle sowie grafisch in einem 7

8 Diagramm aufzutragen. Die Darstellung hat in der Form zu erfolgen, wie sie in den Datenblättern der Hersteller üblich ist. In der Abbildung 5 ist ein Beispiel hierfür gezeigt, wie dies aussehen sollte. Schalter Nr. Widerstand Schalter Nr. Widerstand Schalter Nr. Widerstand Ω 1 und 2 82 Ω 1 und 2 und 3 76 Ω Ω 2 und Ω 2 und 3 und Ω 3 1,0 kω 3 und Ω 3 und 4 und Ω 4 4,7 kω 4 und 5 3,2 kω 4 und 5 und 6 3 kω 5 10 kω 5 und 6 8,25 kω 5 und 6 und 7 7,6 kω 6 47 kω 6 und 7 32 kω 6 und 7 und 8 30 kω kω 7 und 8 82,5 kω kω Tabelle 2: Zuordnung der DIP-Schalter zu den Widerständen Als Last fungieren Widerstände, die per DIP-Schalter (Tabelle 2) eingeschaltet werden. Durch die Parallelschaltung von zwei oder mehr Widerständen ist es möglich, mehr als acht Widerstandsgrößen festlegen zu können. Abbildung 4: Schaltplan der Messschaltung 8

9 Abbildung 5: Die gemessenen Kennlinien einer Solarzelle Die Solarzelle und das Multimeter 1 (A) entsprechend der Abbildung 3 anschließen, die beiden Anschlüsse auf der Platine für das Multimeter 2 (V) mit einem Laborkabel kurzschließen und überprüfen, ob alle Schalter des DIP-Schalters auf OFF gesetzt sind. Bei der Solarzelle ist außerdem auf eine korrekte Polung zu achten. Jetzt den Kurzschlussstrom der Solarzelle messen, danach das Multimeter 2 (V) anschließen und die Leerlaufspannung messen. Zur Ermittlung der Stromkennlinie sind die verschiedenen Widerstände mit dem DIP-Schalter zu aktivieren und die Messwerte aufzunehmen. Daraus ist die Leistungskurve zu mit dem MPP der jeweiligen Zelle zu ermitteln. Zur Erinnerung: Bestrahlungsstärke konstant halten und notieren. Die Messungen sind mit zwei verschiedenen Solarzellen durchzuführen. 3.3 Stromfluss in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Spannung Bei diesem Versuch wird anstelle eines Lastwiderstandes eine Spannungsquelle an die Solarzelle angeschlossen, um den Stromfluss in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Spannung ermitteln zu können. Weil bei den verwendeten Solarzellen ein ähnliches Verhalten zu erwarten ist, wird dieser Versuch exemplarisch nur mit einer Solarzelle durchgeführt. Hierzu wird die Solarzelle entsprechend der Abbildung 6 angeschlossen. Dies kann direkt mithilfe der Hirschmannklemmen oder auch mit der Platine (Abbildung 3) erfolgen, bei der die Spannungsquelle mit an die Klemmen Spannungsmessgerät angeschlossen wird und alle Widerstände auszuschalten sind. Die ausgegebene Spannung der Quelle wird von 0V bis ca. der (zuvor ermittelten) Leerlaufspannung der verwendeten Solarzelle erhöht und jeweils der Stromfluss gemessen. Auch hier ist wieder auf eine konstante Bestrahlungsstärke zu achten. 9

10 Abbildung 6: Die Messschaltung. Beim Aufbau (2) in Abbildung 6 ist die Polung der Spannungsquelle umzudrehen, um die Messung im negativen Bereich fortführen zu können. Die gemessenen Werte sind in einer Tabelle und in einem Diagramm grafisch aufzutragen. In der Abbildung 7 ist ein Beispiel hierfür gezeigt. Abbildung 7: Kennlinie des Stromflusses in Abhängigkeit von einer vorgegeben Spannung. 3.4 Messung der Intensitätsabhängigkeit Bei den vorherigen Versuchen war die Bestrahlungsstärke für die Solarzelle konstant. Hier soll untersucht werden, wie Spannung und Strom von der Intensität des Lichtes abhängen. In der Tabelle 3 sind typische Werte für verschiedene Umgebungen angeführt. Es hängt sehr stark vom jeweiligen Solarzellentyp ab, wie die Ergebnisse in unterschiedlichen Beleuchtungsszenarien ausfallen. Beispielsweise werden spezielle Indoor-Solarzellen hergestellt, die explizit für die Verwendung bei Kunstlicht optimiert sind. 10

11 Umgebung Lux Kerzenlicht (20 cm Abstand) 15 Normales Raumlicht Büro Tageslicht bewölkt 5000 Tageslicht wolkenlos Helles Sonnenlicht > Tabelle 3: Beispiele für Beleuchtungen. Für diesen Versuch wird die Solarzelle an einen Lastwiderstand (wie in Versuch unter 3.2) mit den beiden Multimetern für Strom und Spannung angeschlossen. Der Widerstand ist so zu wählen, dass die Solarzelle im Maximum Power Point (MPP) betrieben wird. Mithilfe eines Luxmeters und einer Lichtquelle können verschiedene Bestrahlungsstärken simuliert und Strom und Spannung ermittelt werden. Die Ergebnisse sind in einer Grafik (Beispiel Abbildung 8) darzustellen. Abbildung 8: Kennlinien der Spannung und des Stroms in Abhängigkeit von der Beleuchtung. 3.5 Temperaturabhängigkeit Die Temperatur hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Kennlinie und damit auf den Wirkungsgrad einer Solarzelle, was deshalb von großer Bedeutung ist. Bei diesem Versuch wird eine Solarzelle einer konstanten Lichtintensität ausgesetzt. Die Leerlaufspannung ist bei verschiedenen Temperaturen zu messen (Thermoelement am Digitalmultimeter) und die Messwerte sind in einem Diagramm aufzutragen. Spannungsmessung erfolgt direkt mit einem Multimeter, welches über die Hirschmannklemmen mit der Solarzelle verbunden wird, die auf einer einstellbaren Heizplatte zu positionieren ist. Dabei sind folgende Punkte zu beachten: 11

12 Viele Solarzellen haben ihre Kontakte auf der Unterseite und die Heizplatte besteht aus einem elektrisch leitenden Material. Deshalb ist auf eine Isolierung der Solarzellenkontakte zu achten, wofür Isolierband verwendet werden kann. Die Temperatur der Heizplatte lässt sich nicht exakt (genug) einstellen. Eine Möglichkeit ist es, die Heizplatte auf ca. 60 C aufzuheizen (mit Temperaturfühler kontrollieren) und dann abzuschalten. Die Temperatur verringert sich mit annehmbarer Geschwindigkeit und die Werte für die Leerlaufspannung können im Abstand von jeweils 5 C ermittelt werden. Der Wärmeübergang zwischen der Heizplatte und der Solarzelle wird vernachlässigt. Die Position des Temperaturfühlers ist möglichst konstant zu halten. Abbildung 9: Leerlaufspannung in Abhängigkeit von der Temperatur. 3.6 Leistung in Abhängigkeit von bedeckten Teilflächen Für diesen Versuch wird die Solarzelle wieder (wie in Versuch unter 3.2) an einen Lastwiderstand angeschlossen und mit den Multimetern für Strom und Spannung verwendet. Der Widerstand ist so zu wählen, dass die Solarzelle in ihrem Maximum Power Point arbeitet. Die Beleuchtung und der Abstand zur Zelle sind dabei auch wieder konstant zu halten. Es sind der Strom, die Spannung, die Leistung sowie der Leistungsverlust zu ermitteln und in eine Tabelle (vgl. Tabelle 4) einzutragen, wobei verschiedene Teilflächen (entsprechend der Abbildung 10) abgedeckt werden. 12

13 Nr. Spannung (V) Strom (ma) Leistung (mw) Leistungsverlust 1 0,670 0,067 0,0449 0% 2 0,500 0,050 0, % 3 0,350 0,035 0, % 4 0,250 0,025 0, % 5 0,055 0,006 0, % 6 0, % 7 0, % 8 0,015 0,010 0, % Tabelle 4: Beispielhafte Ergebnisse bei der Teilabdeckung von Solarzellen. Abbildung 10: Die Abdeckung von Teilflächen bei Solarzellen. 13

14 4 Piezoelemente Um aus kinetischer Energie elektrische Energie zu gewinnen, werden häufig Piezo-Elemente eingesetzt. Der Piezo-Effekt wurde von den Brüdern Jacques Curie und Pierre Curie im Jahre 1880 entdeckt. Sie stellten fest, dass bei mechanischer (gerichteter) Verformung von Kristallen (z.b. Bernstein, Quarz, Turmalin) auf deren Oberfläche elektrische Ladung entsteht, deren Menge sich proportional zur Beanspruchung verhält. Das allgemein bekannteste Gerät, bei dem der Piezo-Effekt ausgenutzt wird, ist ein Piezo- Feuerzeug, bei dem durch einen großen Druck eine kurzzeitige, sehr hohe elektrische Spannung (15 kv) erzeugt wird, die die Gasflamme durch eine Funkenentladung zündet. Umgekehrt verformen sich bestimmte Materialien bei Anlegen einer elektrischen Spannung, was daher als inverser Piezo-Effekt bezeichnet wird. Mikrophone, Beschleunigungs- und Drucksensoren einerseits und Lautsprecher (Buzzer), Druckköpfe in Tintenstrahldruckern (Fa. Epson) sowie Druckregler und Einspritzdüsen (Pkw) andererseits sind Anwendungen für den Piezo- und den inversen Piezo-Effekt. Druck, Stöße, Vibrationen und Schwingungen lassen sich sowohl bei Maschinen, Anlagen und bei Fahrzeugen ausnutzen als auch bei der menschlichen Bewegung, etwa in Laufschuhen, die mit geeigneten Piezo-Elementen ausgestattet sind. Da der Piezo-Effekt nur in nichtleitenden Materialien auftreten kann, sind industriell hergestellte Elemente meistens Keramiken. Abbildung 11: Verschiedene Piezoelemente. Die Piezo-Elemente lassen sich an Maschinen, an Pumpen und Turbinen, an Fahrzeugen oder auch durch Human Power betreiben. Neben den mechanischen Aspekten ist die jeweilige Frequenz, für die das Piezo-Element spezifiziert ist, der wichtige Parameter. Deshalb sollte ein als Harvester zu verwendendes Piezo-Element möglichst einer gleichmäßigen Vibration unterliegen, wie es etwa beim Einsatz mit Pumpen gegeben ist. In einer Umgebung, wo stattdessen nur kurzzeitige (heftige), unregelmäßige Stöße auftreten, sind eher elektrodynamische Wandler geeignet. Die maximal erzeugbare Spannung eines Piezoelements wird üblicherweise dann erreicht, wenn es mit seiner Resonanzfrequenz angeregt wird. 4.1 Piezo-Wandlerschaltung Ein Piezo-Element generiert eine Wechselspannung, die demnach nicht unmittelbar für eine Energy Harvesting-Schaltung nutzbar ist. Der Baustein LTC3588 (Abbildung 12) der Firma Linear Technology enthält neben dem Gleichrichter einen Abwärtsregler (Buck Converter), um eine Piezo-Spannung (2,7 bis 20 V) auf eine von vier wählbaren Ausgangsspannungen (1,8 V bis 3,6 V) umzusetzen. Die Festlegung erfolgt über die Eingänge Output Voltage Select. 14

15 An diesen Umsetzer lässt sich unmittelbar ein Piezo-Element anschließen, dessen Bewegungsenergie in einem separaten Kondensator (CSTORAGE) gespeichert wird, der für die nachgeschaltete Elektronik einen maximalen Strom von bis zu 100 ma zur Verfügung stellen kann. Abbildung 12: Energy Harvesting mit einem Piezo-Element (PFC-W14) an einem Umsetzer, der eine konstante Ausgangsspannung von 3,6 V generiert. Der Power-Good-Pin (PGOOD) signalisiert mit einem High-Pegel, dass sich Vout entsprechend der Vorgabe an Output Voltage Select ( 92%) eingestellt hat und mit einem Low-Pegel, dass Vout keine verwertbare Ausgangsspannung liefert. 4.2 Messungen mit Piezoelement Für die Durchführung der Messungen werden die folgenden Geräte nebst Zubehör benötigt: Multimeter (mindestens 2 Stück, am besten 4 Stück) Laborkabel (12 Stück) Hirschmann-Klemmen (4 Stück) Spannungsquelle (regelbare Spannung von 0 20 V, NG1620) Piezo-Messschaltung (Abbildung 13) oder LTC3588 Demo Circuit (1459B) Widerstände (390 Ω) als Last Messschaltung für Solarzellen als Last (Abbildung 3) Montiertes Piezoelement Anregungsquelle (modifizierter Lüfter) Die ersten Messungen sind für die Überprüfung der einwandfreien Funktion des Konverters notwendig, bevor das Piezoelement (Kapitel 4.3) für die Energieerzeugung an die Platine angeschlossen und eingesetzt wird. Achtung: Die Schaltung nicht mit den Fingern berühren! Die Platine stets nur am Rand anfassen. 15

16 Abbildung 13: Die Platine mit dem Konverter für Piezoelemente Grundlegender Funktionstest Das Stromlimit des Netzteils ist auf 50 ma einzustellen. Danach das Netzteil wieder ausschalten und anschließen. Die Jumper D0 und D1 sind auf Low-Pegel zu setzen (0: den mittleren und den unteren Stift mit dem Jumper verbinden; 1: den mittleren und den oberen Stift mit dem Jumper verbinden). Es wird keine Last am Ausgang angeschlossen. Achtung: Die Strombegrenzung des Netzteils ist auf 50 ma einzustellen. Das Multimeter 1 zwischen Vin und dem Pluspol des Netzteils anschließen, um den Eingangsstrom zu überprüfen. Den Minuspol des Netzteils mit GND verbinden und die Spannung des Netzteils langsam von 0 V auf bis zu 2,0 V erhöhen. Dabei überprüfen, ob der Eingangsstrom nicht größer als 5 ma wird (typisch Iin < 3 µa). Das Multimeter 2 zwischen Vout und GND anschließen, die Eingangsspannung des Netzteils auf maximal 17,0 V erhöhen, die Ausgangsspannung Vout messen und protokollieren. Bei einer Jumperstellung von D0 = 0 und D1 = 0 muss die Ausgangsspannung zwischen 1,71 V und 1,89 V liegen (vgl. Tabelle 1). Die Spannung des Netzteils auf 0 V herunterregeln. Der Ausgangsstrom der Schaltung soll jetzt auf ca. 5 ma begrenzt werden. Bei einer Ausgangsspannung von Vout = 1,8 V ergibt sich dann ein Widerstand von 360 Ω als Last. Der nächstmögliche größere Standardwert für einen Widerstand beträgt 390 Ω. Der Widerstand wird mithilfe der Hirschmannklemmen an die Platine angeschlossen. Zwischen Vout und der Last das Multimeter 3 anschließen und den Widerstand mit GND verbinden. Die Spannung des Netzteils auf bis zu 15 V erhöhen und den Ausgangsstrom sowie die Ausgangsspannung messen und notieren. Anschließend die Spannung des Netzteils wieder auf 0 V herunterregeln. Damit ist der grundlegende Funktionstest abgeschlossen. 16

17 Abbildung 14: Die Schaltung des Konverters Funktionstest der Piezo-Eingänge In diesem Schritt soll die korrekte Funktion des Piezo-Eingangs anhand von Eingangsstrommessungen überprüft werden. Die Vorgehensweise ist dabei die gleiche wie bei der ersten Messung (4.2.1). Hierzu ist das Multimeter 1 vom Eingang Vin zu trennen und (wieder als Amperemeter) jetzt mit dem Anschluss PZ1 zu verbinden. Am Ausgang bleibt die Last von R = 390 Ω angeschlossen. Jetzt ist die Spannung des Netzteils langsam von 0 V auf 2,0 V zu erhöhen, wobei der Eingangsstrom nicht größer als 5 ma werden darf. Die Spannung des Netzteils ist dann auf bis zu 15 V zu erhöhen und die Ausgangsspannung Vout zu messen, die wieder zwischen 1,71 V und 1,89 V liegen muss. Der gleiche Test ist mit dem Anschluss PZ2 zu wiederholen und die Messwerte sind zu notieren. Zum Abschluss ist die Spannung des Netzteils wieder auf 0 V zu stellen Funktionstest des Wandlers Beim Funktionstest des Wandlers (ohne Last) sollen die vier Modi der Ausgangsspannung überprüft werden. Hierzu ist das Netzteil wieder an Vin anzuschließen. Der erste Modus mit D0=0 und D1=0 resultierte in einer Ausgansspannung von ungefähr 1,8 V, wie es beim grundlegenden Funktionstest bereits überprüft worden ist. Nun den Jumper von D0 versetzen, sodass D0 = 1 entspricht. Anschließend die Spannung des Netzteils auf bis zu 15 V erhöhen, die Ausgangsspannung Vout messen. Die beiden weiteren Tests der Ausgangsspannung sind durch das entsprechende Umsetzen der Jumper und erneute Messungen durchzuführen. Die Messungen sind in eine Tabelle (vgl. Tabelle 5) einzutragen. Jumper-Stellung Ausgangsspannung in V D0 D1 Minimum Maximum 0 0 1,71 1, ,425 2, ,201 3, ,491 3,708 Tabelle 5: Mögliche Ausgangsspannungen des Konverters 17

18 Abschließend die Eingangsspannung auf 0 V herunterregeln, das Netzgerät ausschalten und alle Verbindungen von der Platine trennen Maximaler Strom bei Eingangsgleichspannung Bei dieser Messung soll ermittelt werden, wie viel Strom der Konverter bereitstellen kann. Hierfür ist eine Gleichspannung von zunächst von 5 V und nachfolgend von 10 V an den Eingang Vin anzulegen und Vout (Jumper D0 = D1 = 0, Vout=1,8 V) sowie der Strom Iout zu messen. Als Last werden die Widerstände der Messschaltung für Solarzellen (Abbildung 3) eingesetzt. Der Eingang Solarzelle dieser Platine ist deshalb mit Vout und GND der Piezo- Konverterschaltung (vgl. auch Abbildung 13, 17) zu verbinden. Die DIP-Schalter für die Widerstände sind zunächst alle in die OFF-Stellung zu setzen. Dann werden die Widerstände vom höchsten Wert beginnend einzeln eingeschaltet (nachdem für Widerstand 8 gemessen wurde, diesen auf OFF setzen und dann Widerstand 7 auf ON setzen usw.). Für eine Eingangsspannung von 5 V sind mindestens 6 Messungen über den möglichen gesamten Bereich durchzuführen und die Widerstandswerte, Vout, Iout sowie die Leistung in eine Tabelle einzutragen. Die Messung ist für eine Eingangsspannung von 10 V zu wiederholen. 4.3 Energiegewinnung mit Piezo-Element Bei diesem Versuch wird ein Piezoelement zur Energiegewinnung mit der Konverterschaltung verbunden, um damit beispielsweise eine nachgeschaltete Elektronik versorgen zu können. Das Piezo-Element besteht aus zwei parallelgeschalteten Elementen und ist als Biegebalken (Balkenschwinger) auf einer Metallplatte montiert. Dieses System wird zunächst auf das Blech eines vibrierenden Lüfters gesetzt (Vorsicht: magnetische Haftung), der als Anregungsquelle dient. Das Piezoelement ist mit dem Eingang PZ der Platine zu verbinden und der Lüfter an das Netzteil anzuschließen. Das Multimeter 3 wird an die roten Buchsen PZ1 und PZ2 der Platine (Abbildung 13) angeschlossen, um die erzeugte Wechselspannung des Piezoelementes zu messen. Am Ausgang wird zunächst keine Last angeschlossen. Durch die Spannungseinstellung am Netzteil soll diejenige Spannung (Frequenz) ermittelt werden, bei der die Piezospannung maximal wird. Die drei Muttern, die als Gegengewicht des Schwingers dienen, können so abgestimmt werden, dass bei konstanter Lüftereingangsspannung ein Maximum in der Amplitude erreicht wird. Abbildung 15: Prinzip des Balkenschwingers mit den Muttern zur Abstimmung Die Abhängigkeit der Piezospannung von der Versorgungsspannung des Lüfters d.h. von seiner Umdrehungszahl und damit der Anregungsfrequenz ist in einem Diagramm aufzutragen. Der Zusammenhang zwischen der Versorgungsspannung des Lüfters und der Frequenz ist in der Abbildung 16 angegeben. 18

19 Abbildung 16: Zusammenhang zwischen der Versorgungsspannung des Lüfters und der Anregungsfrequenz Bestimmung der maximalen Leistung Als nächstes ist der maximale Ausgangsstrom bei einer Ausgangsspannung von 1,8 V zu ermitteln. Dabei ist der Pegel des Power-Good-Ausgangs stets zu kontrollieren. Die Messung ist analog zu (Maximaler Strom bei Eingangsgleichspannung), jetzt jedoch mit dem angeschlossenen Piezoelement (Abbildung 17), auszuführen. Hierfür ist das Netzteil des Lüfters einzuschalten und damit diejenige Spannung einzustellen, bei dem das Piezoelement die höchste Spannung abgibt. In einer Tabelle sind die verwendeten Widerstandswerte (typisch 6 verschiedene), die Piezospannung, Vout und Iout sowie die Leistung einzutragen. Abbildung 17: Verschaltung für die Strommessung beim Einsatz des Piezoelementes 19

20 5 Thermogeneratoren Eine vergleichsweise hohe Leistungsabgabe liefern Thermogeneratoren, was unter Ausnutzung des Seebeck- oder Peltier-Effektes erfolgt. Zur technischen Anwendung sind zwei elektrische Leiter notwendig, die sich in ihrem Seebeck-Koeffizienten (Thermokraft: α) unterscheiden. Werden diese beiden Leiter verbunden, liegt die Funktion eines Thermoelementes oder Thermopaares vor. Typische Materialpaarungen sind Nickel- Chrom/Nickel oder Platin-Rhodium/Platin. Thermoelektische Generatoren bestehen aber meist aus p- und n- dotierten Halbleitermaterialien, die zwischen zwei metallisierten Keramikplatten geschichtet werden. Die Keramik dient der Festigkeit und der elektrischen Isolierung des Systems. Die Halbleiter sind elektrisch in Serie und thermisch parallel geschaltet. Um eine signifikante Ausgangspannung zu erhalten, muss der Seebeck-Koeffizient des Materials (z.b. Bismut- Tellurid, Bi 2Te 3) sehr hoch sein. Abbildung 18: Die Effizienz eines Thermogegerators hängt stark vom Seebeck-Koeffizienten des verwendeten Materials ab. Der Wirkungsgrad von Thermogeneratoren liegt bisher nur bei 5-10%. Ein Grund dafür ist die ungewollte Wärmeleitung zwischen den Metallen bzw. den Halbleitern. Bei einer Leiter- oder Halbleiterstruktur, die eine Temperaturdifferenz ΔT zwischen den Enden aufweist, wird das Auftreten einer elektrischen Spannung nach Seebeck beschrieben als: Während Seebeck den gleichnamigen Effekt mit dem ersten Thermoelement präsentierte, gelang Peltier der umgekehrte Vorgang, in dem Temperaturdifferenzen durch das Anlegen einer Spannung an das Element erzeugt wurden. Peltier-Elemente werden traditionell zur Kühlung, etwa bei Prozessoren verwendet und verfügen über eine heiße und eine kalte Seite. Gleichwohl können aber auch Peltier-Elemente umgekehrt aus Temperaturdifferenzen elektrischen Strom erzeugen, sofern sie aus geeigneten Materialien aufgebaut sind. 20

21 5.1 Vergleichsmessung Thermogenerator und Peltier-Element Für die Durchführung der Messungen werden die folgenden Geräte nebst Zubehör benötigt: Peltier-Element (TEC1-Serie) Thermogenerator (eingebaut im Block mit Kühlkörper) Multimeter Laborkabel Hirschmann-Klemmen Regelbare Heizplatte (Omnilab MR2002) Temperaturmessgerät (evtl. im Multimeter integriert) Thermogenerator (TE Power Node von Micropelt, PN ) Computer mit installierter TE-Power-Scope Software (Notebook) USB-Transceiver (Micropelt 2.5) Bei diesem Versuch sind die Leerlaufspannungen von einem Thermogenerator und einem klassischen Peltier-Element in Abhängigkeit von der Temperatur zu ermitteln. Achtung: Die Top-Temperatur des Thermogenerators von 65 C darf nicht überschritten werden! Das Peltier-Element wird über die Anschlussleitungen mit einem Multimeter verbunden. Im Block des Thermogenerators befinden sich zwei Temperatursensoren (Pt100), die die Temperatur auf der Oberseite (Top) und der Unterseite (Base) detektieren. Sowohl die Ausgangsspannung des Thermogenerators als auch die der beiden Sensoren werden über einzelne 4 mm-stecker herausgeführt, die an ein Multimeter anzuschließen sind. Anhand einer Widerstandstabelle (siehe Anhang Pt100-Tabelle) ist die dazugehörige Temperatur zu bestimmen. 21

22 Abbildung 19: Der Thermogenerator und das Peltier-Element. Beide Elemente sind auf die Heizplatte zu legen und es ist ein Messzyklus (6 Messungen) bis zu einer maximalen Top-Temperatur von 65 C auszuführen. In einer Tabelle sind die beiden Leerlaufspannungen in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur der Heizplatte einzutragen. 5.2 Thermogenerator-gespeister Sensorknoten Der TE Power Node der Firma Micropelt wird im letzten Teil des Versuches als drahtloser Sensorknoten eingesetzt, der allein durch Thermoenergie versorgt wird. Auf dem Modul werden damit ein Mikrocontroller für die Signalverarbeitung und Steuerung sowie ein Transceiver (2,4 GHz) für die Datenübertragung betrieben. Achtung: Der TE Power Node darf grundsätzlich nicht in Umgebungen über 100 C eingesetzt werden. Zudem muss elektrostatische Entladung unbedingt vermieden werden. Die Entfernung zwischen Sender- und Empfängereinheit sollte 5 m nicht überschreiten Funktionstest Zunächst ist der USB-Empfänger an den Computer anzuschließen. Eine grüne LED am USB- Stick beginnt zu leuchten, sobald der Empfänger bereit ist. Eine rote LED blinkt bei jeder Datenübertragung zwischen dem Sensorknoten und dem USB-Empfänger. Für die grundsätzliche Funktion des Thermogenerators (TEG) reicht es aus, wenn er auf einer Fläche platziert wird, dessen Temperatur mindestens 12 C höher ist als die der Umgebung. Aufgrund der Magnete an der Grundplatte kann das Modul beispielsweise an einen warmen Heizkörper geklebt werden. Andernfalls wird das Modul auf die Heizplatte gesetzt, die auf eine entsprechende Temperatur einzustellen ist, bis die grüne LED am Modul anfängt zu blinken. Diese Mindesttemperatur ist mit dem Temperaturmessgerät (Multimeter mit Fühler) zu kontrollieren und zu notieren. 22

23 Abbildung 20: Die Software funktioniert und empfängt Messdaten. Daraufhin kann die Software TE-Power-Scope (Abbildung 20) gestartet werden. Im Menü Settings ist ein COM-Port auszuwählen und mit Run startet die Datenerfassung mit der Übertragung der Temperaturmesswerte. Bei erfolgreicher Übertragung werden entsprechende Datenpunkte in das Diagramm geschrieben. Sollte dies nicht funktionieren, muss unter Settings ein anderer COM-Port ausgewählt werden (siehe auch die Datei TE Power Scope Readme auf dem Notebook) Ermittlung der Leistungsabhängigkeit Im letzten Teil soll die Temperatur des Thermogenerators verändert und die daraus resultierende Abhängigkeit zur Leistung ermittelt werden, was (wieder) mithilfe der Heizplatte erfolgt. Nach Erreichen einer Temperatur von ca. 60 C kann die Heizplatte abgeschaltet (sie heizt nach), die Datenaufzeichnung gestartet und bis zum Abbruch der Funkübertragung aufgezeichnet werden. In der Abbildung 21 ist beispielhaft gezeigt, wie dies am Bildschirm aussehen kann. Die einzelnen Farben der Kurven haben dabei die folgenden Bedeutungen: Blau: T1, heat sink temperature (oben, Top) Rot: T2, heat source temperature (unten, Base) Grün: DT, effektive Temperaturdifferenz über dem TEG Orange: TEG Voltage, Ausgangsspannung des Thermogenerators (rechte y-achse) 23

24 Abbildung 21: Aufzeichnung der wichtigen Parameter, die für Excel exportiert werden können. Achtung: Der USB-Transceiver darf nicht im laufenden Betrieb vom Notebook abgezogen werden! Die Ausgangsleitung des Thermogenerators wird im Modul über einen transformatorischen DC/DC-Wandler in eine höhere Spannung (bei kleinerem Strom) umgesetzt, die in einem 100 µf-kondensator gespeichert wird, was unter Storage (Abbildung 20) zu sehen ist. Unter den Temperaturwerten (Thermal) findet sich außerdem eine Angabe für heatflux, den Wärmefluss (Q) oder Wärmestrom. In Analogie zur Elektrotechnik entspricht Q dem Strom I, die Spannung wird durch den Temperaturgradienten (ΔT) repräsentiert und der thermische Widerstand (RTH) steht für den elektrischen Widerstand. Die Werte für Q und ΔT sind bei eingeschwungenem Zustand des Systems zu notieren. Die aufgenommenen Kurven können über Save Diagramm als CSV-Datei exportiert und in Excel importiert werden. Damit ist ein Diagramm (im XLSX-Format) anzufertigen, welches die Temperaturdifferenz, den Wärmestrom und die Leistung des TEG über der Zeit darstellt. Literatur J. Müller: Vorlesungsskript Photovoltaik, Physik der Solarzelle und Herstellung, K. Dembowski: Energy Harvesting für die Mikroelektronik, VDE-Verlag,

25 Anhang Datenblatt Peltier-Elemente 25

26 Pt100-Tabelle 26

27 Versuchsprotokollvorlage: Energy Harvesting 793 Master ET, Interdisziplinäres Laborpraktikum Gruppe: Datum der Durchführung: Namen der Teilnehmer, Matrikelnummer: Solarzellen A) Ermittlung der Kennlinie und des MPP Solarzelle 1, Typ: Bestrahlungsstärke in Lux: Tabelle (V, I, P) Diagramm (V, I, P) MPP: Solarzelle 2, Typ: Bestrahlungsstärke in Lux: Tabelle (V, I, P) Diagramm (V, I, P) MPP: B) Stromfluss in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Spannung Solarzellentyp: Bestrahlungsstärke in Lux: Tabelle (V, I) Diagramm (V, I) Fragen: 1. Inwieweit unterscheidet sich die aufgenommene Stromkennlinie (A) von der in Abschnitt 3.2 (B) aufgenommenen? 2. Welches Verhalten des Stromes ist im negativen Spanungsbereich (Rückwärtsstrom) zu erwarten? 3. Was ist beim Zusammenschalten von Solarzellen zu beachten? 27

28 C) Messung der Intensitätsabhängigkeit Solarzellentyp: Lastwiderstand: Diagramm (lx, V) D) Temperaturabhängigkeit Solarzellentyp: Bestrahlungsstärke in Lux: Tabelle ( C, V) E) Leistung in Abhängigkeit von bedeckten Teilflächen Solarzellentyp: Lastwiderstand: Tabelle (V, ma, mw, %) Fragen: 1. Wie verhält sich der Leistungsverlust zur abgedeckten Fläche? 2. Was sind die optimalen Betriebsbedingungen für Solarzellen? Piezoelemente A) Grundlegender Funktionstest Maximaler Eingangsstrom: B) Funktionstest der Piezo-Eingänge PZ1 maximaler Eingangsstrom: Ausgangsspannung Vout: PZ2 maximaler Eingangsstrom: Ausgangsspannung Vout: C) Funktionstest des Wandlers Tabelle mit den gemessenen Ausgangsspannungen D) Maximaler Strom bei Eingangsgleichspannung Tabelle (Eingangsspannungen 5 V und 10 V, R, Vout, Iout, P) 28

29 E) Energiegewinnung mit Piezo-Element Diagramm: Piezospannung in Abhängigkeit von der Lüfter-Versorgungsspannung und der Anregungsfrequenz F) Bestimmung der maximalen Leistung Tabelle (R, Vout, Iout, P) Fragen: 1. Warum ist die Überprüfung der Eingangsströme IIN, IPZ1 und IPZ1 von Bedeutung? 2. Bei welcher Ausgangsspannung Vout liegt am Power-Good-Pin erstmalig eine logische Null an? 3. Wie hoch ist die maximale Spannung am Piezo-Eingang beim Betrieb mit dem Balkenschwinger? 4. Gibt es einen Zusammenhang zwischen VIN und der maximalen Abgabeleistung? 5. Warum unterscheidet sich die Abgabeleistung bei Einspeisung an Vin von der bei der Verwendung des Piezoelementes? 6. Was passiert mit der Ausgangsspannung, wenn das Piezoelement nicht oben, sondern seitlich am Blech positioniert wird? 7. Welchen Einfluss hat das Gegengewicht beim Balkenschwinger? Thermogeneratoren A) Vergleichende Messung Peltier-Element und Thermogenerator Tabelle ( C, VPeltier, VThermo) Fragen: 1. Wie lassen sich die unterschiedlichen Messergebnisse der beiden Elemente erklären? 2. Was ist für eine möglichst hohe Energieausbeute bei einem Thermogenerator und einem Peltier-Element wichtig? B) Sensorknoten Funktionstest Ermittlung der Leistungsabhängigkeit, Diagramm: Temperaturdifferenz, Wärmestrom und TEG-Leistung über der Zeit dargestellt. Fragen: 1. Wie groß ist der Wärmewiderstand des Thermogenerators? 2. Zu welcher Größe ist der Wärmefluss proportional? 3. Wann wird das Maximum der TEG-Leistung erreicht? 29