Energy Harvesting. Grundlagen und Praxis energieautarker Systeme. Prof. Dr.-Ing. Jörg Wallaschek Essen, 20./

Transkript

1 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis energieautarker Systeme Prof. Dr.-Ing. Jörg Wallaschek Essen, 20./

2 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme Windmühle () (Foto:

3 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme Windmühle () (Foto:

4 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme Wasserrad (Foto:

5 Schmidts Original Nabendynamo Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme Wirkungsgrad ca. 65 % Leerlauf-Leistungsaufnahme 1 W (

6 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme Automatik Uhr (Grafik:

7 Energy Harvesting - Tag 1 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme 10:00 Begrüßung und Einleitung Übersicht zum Programm, Grundlegende Ideen zu Energy Harvesting und zu potentiellen Anwendungen, Gesamtsystem-Betrachtungen Prof. Dr.-Ing. Jörg Wallaschek 10:45 Micro Energy Harvesting Energieverteilung für verteilte, eingebettete Systeme Prof. Dr.-Ing. Peter Woias 11:45 Kaffeepause 12:00 Energieautarke Funksysteme in der Praxis: Konzepte, Produkte, Potenziale Aktuelle Konzepte und Realisierungen für Energiewandler, Energiespeicher, Sensorik, Funktechnik; Produkte und Einsatzerfahrungen in der Gebäudetechnik; Ausblick auf zukünftige Systemkonzepte, Miniaturisierung, Zuverlässigkeit, Kosten; Herausforderungen für die nächsten 5 Jahre Frank Schmidt 12:45 Gemeinsames Mittagessen

8 Energy Harvesting - Tag 1 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme 13:45 Design-Flow am Beispiel elektromagnetischer Vibrationswandler Stochastische Anregungen als Ausgangsgröße, Definition vielversprechender Frequenzbereiche, Ersatzmodell eines induktiven Wandlers, Implementierung der elektromagnetischen Kopplung in Das Generatormodul, Simulation, lineare/nichtlineare Fehler, Merkmale, Projektbeispiel Dirk Spreemann 14:30 Stand der Technik in der Photovoltaik Schwerpunkt Siliciumsolarzellen Wafer-basierte Si-Solarzellen in der industriellen Produktion, aktuelle Entwicklungen Solarmodulherstellung Si-Dünnschichtsolarzellen: Konzepte und industrielle Umsetzung Übersicht über andere Dünnschichtansätze: CIS, CdTe Dr. Barbara Terheiden 15:15 Kaffeepause 15:45 Hochintegrierte Thermogeneratoren für energieautarke Sensorsysteme Waferbasierte Micropelt-Technologie, hohe Ausgangsspannungen auf kleinster Fläche durch MEMS basierte Herstellungsverfahren, Energieerzeugung von Kleinstleistungsverbrauchern in Energieautarkten Mikrosystemen, Anwendungsbeispiel: kabellose Messdatenübertragung von Sensoren und Sensornetzwerken Dr. Joachim Nurnus

9 Energy Harvesting - Tag 1 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme 16:15 Energy Harvesting Systeme mit piezoelektrischen Wandlern Eigenschaften piezoelektrischer Wandlerelemente für Energy Harvesting Anwendungen (Biegewandler, Stapel- und Längsaktoren, Torsionswandler); vereinfachte Modellbildung für Wandlerelemente und Komponenten der Energiespeicherung; Arten der Schwingungsanregung, Resonanz, Lastanpasssung; Anwendungsbeispiele Dr.-Ing Walter Littmann TAG 2, 11:15 Uhr 17:00 Energieautarke Mikrosysteme in der Biomedizintechnik In der Biomedizin eingesetzte Mikrowandler. Anwendungsbeispiele für piezoelektrische, kapazitive, induktive und elektromagnetische Systeme. Besondere Anforderungen an biomedizinische Mikrosysteme. Prof. Dr.-Ing. Hans-Heinrich Gatzen 17:30 Pyroelectric conversion: harvesting energy from temperature fluctuations Pyroelectrics, energy harvesting, temperature fluctuations, PVDF, PZT, low power systems, capacitor. Angel Cuadras ca 18:15 Erfahrungsaustausch bei einem gemeinsamen Imbiss

10 Energy Harvesting - Tag 2 08:30 Vorstellung des Programms für den zweiten Tag Prof. Dr.-Ing. Olfa Kanoun Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme 08:35 Anforderungen an energie-autarke Systeme mögliche Anwendungsfehler, aktuelle Untersuchungen Dr. Niggemann 09:15 Energy Harvesting im Anwendungsbereich KFZ am Beispiel Intelligenter Reifen: energie-autarke Elektronik Thomas Haas 10:00 Mikrobatterien und Mikrobrennstoffzellen für autarke Mikrosysteme integrierbare Sekundärbatterien, Gel-Elektrolyt, Wafer-Level-Batterien, PEM-Brennstoffzellen, Wasserstofferzeugung in Mikrosystemen, Wirkungsgrad Dr.-Ing. Robert Hahn 10:45 Kaffeepause

11 Energy Harvesting - Tag 2 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme 11:15 Aspekte der Energieversorgung und des Energiemanagements im Wearable Computing Energiehaushalt von körpernahen Computern und Sensorsystemen, on-body Energiegewinnung, Optimierung des Energieverbrauchs, Kontext- und Aktivitätserkennung als Beispielanwendungen Prof. Paul Lukowicz TAG 1, 16:15 Uhr 12:00 Energiemanagement für energieautarke Sensorsysteme und Anwendungen aus dem Bereich Smart Home Energiemanagement, Intelligente Schnittstellen, Batteriealterungszustand (State of Health), Batterieladezustand (State of Charge), Solarzellen, Vibrationskonverter, thermoelektrische Wandler, Smart-Home-Anwendungen, mobile medizinische Anwendungen, Wartungsfreiheit, Ereignisgesteuerte Messungen Prof. Dr.-Ing. Olfa Kanoun 12:45 Gemeinsames Mittagessen

12 Energy Harvesting - Tag 2 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme 13:45 Energy harvesting for autonomous sensors autonomous sensors, primary energy sources, energy transducers, energy conditioning, energy storage, power conditioning, power supply, commercial energy harvesters, wireless sensor networks, Zigbee-Communication, environmental applications Prof. Manel Gasulla, Prof. Pallas 14:30 Powermanagement in Energy Harvesting Anwendungen Spannungsanpassung, -regelung, Verlustleistungsminimierung, Energiespeicherung, Anwendungsbeispiel: Thermoelektrische Sensordatenübertragung mittels Körperwärme; Ausblick: Kombination von Wandlern, Speichern und Elektronik als Mikrosystem Peter Spies 15:15 Energiesparende Funklösung für die automatische Fernauslesung von Verbrauchsdaten Automated Meter Reading, Verbrauchserfassung, energiesparende Funkprotokolle, Low Power Management, Standardisierte Funkkommunikation Dr. Faouzi Derbel 16:00 Zusammenfassung, Ende der Veranstaltung

13 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme System Energie Stoff Information SYSTEM Energie Stoff Information Eingang {X} Ausgang {Y} Funktion: Lösungsneutrale Formulierung der Aufgabe des Systems, bzw. des Zusammenhangs zwischen Eingang und Ausgang

14 Grundstruktur mechatronischer Systeme Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme Energie / Stoff Mechanische Grundstruktur Energie / Stoff Energie Aktor(en) Sensor(en) Information Informationsverarbeitung Information Systemgrenze

15 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme Energiesteller Energiequelle Versorgungsenergie Systemgrenze Eingangsgröße (Information) Energiesteller Ausgangsgröße (Energie) Verlustenergie Beispiele: Transistor, Servoventil, Schaltkupplung,

16 Energiewandler / -umformer Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme Systemgrenze Eingangsgröße (Energie) Energiewandler / -umformer Ausgangsgröße (Energie) Verlustenergie Energiewandler: Energieform wird verändert Beispiele: Elektromotor, Hubmagnet, Piezoelement, Lichtquelle, Energieumformer: Energieform wird nicht verändert Beispiele: Transformator, Getriebe, Hebel,

17 Typische Struktur eines Antriebssystems Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme (nach Stölting, 2001)

18 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme Typische Struktur eines drahtlosen Sensorsystems

19 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme Grundstruktur eines Energy Harvesting Systems Energiequelle Energiewandler Energiespeicher Aktor Steuerung, Regelung, Energiemanagement Prozess (nach Littmann, Grafik:

20 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme Klassifikation elektromechanischer Aktoren anhand der Zwischenenergie Elektrische Spannung Elektrischer Strom Magnetisches Feld Elektrisches Feld Wärmefeld Magn. Feldkräfte Elektr. Feldkräfte Magnetostriktion Piezoeffekt Wärmedehnung Phasenwandlung Kraft, Geschwindigkeit Drehmoment, Winkelgeschwindigkeit

21 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme Energieformen Bindungsenergie - chemisch: Bindung von Atomen oder Molekülen (Verbrennung, Brennstoffzelle, Batterie, ) - Kernenergie: Bindung der Protonen und Neutronen im Atomkern (Kernspaltung) Thermische Energie - in der (ungeordneten) Bewegung der Atome und Moleküle (Zustandsänderung, Phasenübergang, ) Mechanische Energie - kinetisch (Bewegungsenergie): Translation, Rotation - potentiell (Lageenergie): Lage/Orientierung in Kraftfeld, elastische Verformung - Schwingung: periodischer Wechsel zwischen kinetischer und potentieller Energie Elektrische und magnetische Energie - elektrisch: potenzielle Energie im elektrostatischen Feld - magnetisch: potentielle Energie im magnetischen Feld - elektromagnetische Schwingung: periodischer Wechsel zwischen elektrischer und magnetischer Energie (Schwingkreis, elektromagnetisches Feld, Strahlung, )

22 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme Energieumwandlung (Flipsen, TU Delft 2005)

23 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme Abschätzung der erreichbaren Leistungsdichte Energy Source Solar (outdoor) Solar (indoor) Vibrations (piezoelectric) Vibrations (electrostatic) Acoustic noise Temperature gradient (thermoelectric) Batteries (non-rechargeable) Batteries (rechargeable) Hydrocarbon fuel (micro heat engine) Fuel cells (methanol) Power Density for 10 Years 15,000 W/cm 3 6 W/cm W/cm 3 50 W/cm W/cm 3 (at 75 db) 15 W/cm 3 (at 10 C gradient) 45 W/cm 3 (for one year) 7 W/cm 3 (for one year) 333 W/cm 3 (for one year) 280 W/cm 3 (for one year) (Shad Roundy, Paul K. Wright, Jan Rabaey, Computer Communications 26 (2003) )

24 Paul-Jacques und Pierre Curie Paul-Jacques Curie * in Paris in Montpellier Pierre Curie * in Paris in Paris Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme (Foto: Wikipedia)

25 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme Energy harvesting using piezoelectric material Several topologies can be used, like e.g. bending actuators [Face International] [Argillon / enocean] [UC Berkeley]

26 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme Energy flow analysis I P I L Piezo V P V L Load and Energy storage

27 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme AC / DC converter I P I DC I L Piezo V P Interface 1 V DC V L Load and Energy storage

28 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme DC / DC converter for output voltage adaptation I P I DC I L Piezo I P Piezo V P I DC V P Interface 1 Interface 2 V DC V DC V L Load And Energy storage V L Load and Energy storage I L SW 2 Interface 1 Interface 2

29 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme Self switching circuit (SSHI) for optimisation of electrical input Piezo I P I P Piezo V Interface 3 Interface 1 Interface 2 P V DC (SSHI) V L V P I DC V DC I DC I L Load V L And Energy storage Load and Energy storage SW 1 I L SW2 Interface 3 Interface 1 Interface 2 Lefeuvre et al., 2007

30 Energy Harvesting im Schuh Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme (Paradiso, 1999)

31 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme Beispiele Freeplay Energy believes in developing environmentally responsible products to empower the global village. Forget disposable batteries! Freeplay s award winning self-sufficient products harness human, solar, and rechargeable energy to power durable portable devices, from radios to lanterns to mobile phone chargers. You can rely on Freeplay Energy products to work anytime and anywhere. (

32 Der Mensch als Energiequelle Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme (Slob, TU Delft, 2000)

33 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme

34 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme Energy Balance Ratio (De Pater, TU Delft, 2000)

35 Energiegewinnung aus Meereswellen Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme Conversion of wave kinetic energy into pressure Conversion of pressure into electrical energy by a turbine driving a generator (

36 Beispiel: Camel fridge Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme (Foto: Delivered as complete system the hardware includes: refrigerator / ice-pack freezer of 49 litres gross internal volume 4 solar modules each of 50 Watts (total area 1.2m2) 2 x 100Ah / 12V vented tubular plate lead-acid batteries Battery Box with batteries and integrated charge controller Support structure, all cables with plugs, table, tool kit

37 Windmill generator for LED marker light Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme (NEC-Tokin)

38 Miniaturisierte Verbrennungsmotoren Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme (aus: Filipsen, TU Delft, 2005)

39 Shirtbutton-sized gas turbines Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme (Epstein, Jacobson, Protz, Fréchette, ISROMAC 2000)

40 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme Technologietrend (K.I.S.T., 2006)

41 Flexible piezoelektrische Materialien PZT thin film on polymer PZT film by hydrothermal process PZT thick film on flexible metal substrate Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme Macro Fiber Composites (single crystal) Ceramic MFC

42 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme Technologietrend Analyse Kabellose Sensoren (Wickord / Richter, 2004)

43 Zusammenfassung und Ausblick Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme Energy Harvesting besitzt interessante Anwendungsfelder. Es gibt eine große Vielfalt von interessanten Wirkprinzipien, die für Energy Harvesting genutzt werden können. Es gibt zahlreiche Technologiedemonstratoren und erste Produkte, aber die breite Marktdurchdringung steht noch bevor.

44 Energy Harvesting Grundlagen und Praxis enerigieautarker Systeme Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Prof. Dr.-Ing. Jörg Wallaschek Institut für Dynamik und Schwingungen Leibniz Universität Hannover Appelstr HANNOVER Tel. +49 (0) Fax. +49 (0) Web: