Energy Harvesting in der Automatisierungs- und Energietechnik Wissenschaftsforum 2017 an der Wilhelm Büchner Hochschule 25.

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Pamela Fuchs
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Energy Harvesting in der Automatisierungs- und Energietechnik Wissenschaftsforum 2017 an der Wilhelm Büchner Hochschule 25. Oktober 2017 Prof. Dr.-Ing.

1 Energy Harvesting in der Automatisierungs- und Energietechnik Wissenschaftsforum 2017 an der Wilhelm Büchner Hochschule 25. Oktober 2017 Prof. Dr.-Ing. Dierk Schoen Wilhelm Büchner Hochschule, University of Applied Sciences, D Pfungstadt, Germany Prof. Dr.-Ing. D. Schoen Energy Harvesting in der Automatisierungs- und Energietechnik 1

2 1. Einführung & Klassifizierung von Energy Harvesting Generatoren 2. Energy Harvesting Generatoren 3. Energiespeicher 4. Anwendungen Prof. Dr.-Ing. D. Schoen Energy Harvesting in der Automatisierungs- und Energietechnik 2

3 1. Einführung Prof. Dr.-Ing. D. Schoen Energy Harvesting in der Automatisierungs- und Energietechnik 3

4 1. Einführung Grundstruktur eines Energy Harvesting Systems 1 Energiequelle 2 Energiewandler 3 Energiespeicher 4 Aktor 5 Prozess Bildquelle: nach Littmann Prof. Dr.-Ing. D. Schoen Energy Harvesting in der Automatisierungs- und Energietechnik 4

5 1. Klassifizierung Energieformen & Energieumwandlung Bildquelle: Filipsen, TU Delft 2005 Prof. Dr.-Ing. D. Schoen Energy Harvesting in der Automatisierungs- und Energietechnik 5

6 1. Klassifizierung Einteilung in Klassen Megageneratoren z.b. Windkraftanlagen PV, Makrogeneratoren elektromagnetisch thermisch, skalierbar! Für alle Energieformen Mikrogeneratoren (MEMS) schwingungsmechanisch kapazitiv, Nanogeneratoren Nanoeffekte z.b. Nanowires, Bildquelle: nach Wang, L. et. al., 2012 Prof. Dr.-Ing. D. Schoen Energy Harvesting in der Automatisierungs- und Energietechnik 6

7 1. Klassifizierung Maximale Leistungsdichten von Energy Harvesting Generatoren 15,000 µw/cm ,000 µw/cm µw/cm µw/cm µw/cm 3 + Quelle: n. Kaspar, Roundy, Festo, Imtek, Spring. Prof. Dr.-Ing. D. Schoen Energy Harvesting in der Automatisierungs- und Energietechnik 7

8 1. Einführung - Energy Harvesting Sensor Energy Harvesting Sensor - Struktur eines drahtlosen Sensorsystems Energy-Harvestingsensor-Versorgung E U Energie aus der Umgebung E el Energiespeicher Energie- Mgt. E el Energiewandler (integrierter) Sensor μ L C R Q Φ Primärsensor Messgröße Primärelektronik Microcontroller Sekundärelektronik Funkübertragung Prof. Dr.-Ing. D. Schoen Energy Harvesting in der Automatisierungs- und Energietechnik 8

9 2. Energiewandler Prof. Dr.-Ing. D. Schoen Energy Harvesting in der Automatisierungs- und Energietechnik 9

10 2. Energiewandler ZnO Nanogeneratoren Bildquelle: Wang et. al. 2012, 2015: Prof. Dr.-Ing. D. Schoen Energy Harvesting in der Automatisierungs- und Energietechnik 10

11 2. Energiewandler Makrogeneratoren - Piezogeneratoren Bildquelle: Ballas 2015 Prof. Dr.-Ing. D. Schoen Energy Harvesting in der Automatisierungs- und Energietechnik 11

12 2. Energiewandler Makrogeneratoren Piezogeneratoren: n-multilayer Bildquelle: Ballas 2015 Prof. Dr.-Ing. D. Schoen Energy Harvesting in der Automatisierungs- und Energietechnik 12

13 3. Energiespeicher & Powermanagement Prof. Dr.-Ing. D. Schoen Energy Harvesting in der Automatisierungs- und Energietechnik 14

lange speichern Bildquelle: Kurzweil, P., 2015 Prof. Dr

14 3. Energiespeicher Anforderungen Elektromobilität: schnelles Speichern großer Energiemengen Energy Harvesting: geringe Ströme lange speichern Bildquelle: Kurzweil, P., 2015 Prof. Dr.-Ing. D. Schoen Energy Harvesting in der Automatisierungs- und Energietechnik 15

15 3. Energiespeicher Solid State Batterien & Powermanagement Li-Ionen Akkus mit Festelektrolyt: Lithium-Phosphor-Oxinitrid (LiPON) Herstellung auf Siliziumtechnologie-Basis Vorteil: Powermanagement & Batterie als Chip! Quelle: Cymet Prof. Dr.-Ing. D. Schoen Energy Harvesting in der Automatisierungs- und Energietechnik 16

16 3. Energiespeicher - Sensor mit Solid State Batterie Schaltungstechnik Quelle: Cymet Prof. Dr.-Ing. D. Schoen Energy Harvesting in der Automatisierungs- und Energietechnik 17

17 4. Anwendungen Prof. Dr.-Ing. D. Schoen Energy Harvesting in der Automatisierungs- und Energietechnik 18

18 4. Anwendungen - Condition Monitoring Energy Harvesting in der Energietechnik Quelle: Keutel, T. ; Kanoun, O; IEEE Prof. Dr.-Ing. D. Schoen Energy Harvesting in der Automatisierungs- und Energietechnik 19

Harvesting Prinzip: Verwendung eines thermoelektrischen Elements (TEG) Quelle: ABB

19 4. Anwendungen Energy Harvesting in der Prozessautomatisierung Energy Harvesting in der Prozessautomatisierung ABB Wireless HART Temperatur-Messumformer TSP300-W Energy Harvesting Prinzip: Verwendung eines thermoelektrischen Elements (TEG) Quelle: ABB 2017 Prof. Dr.-Ing. D. Schoen Energy Harvesting in der Automatisierungs- und Energietechnik 20

20 4. Anwendungen Energy Harvesting in der Automatisierungstechnik Quelle: Pepperl+Fuchs 2016 Prof. Dr.-Ing. D. Schoen Energy Harvesting in der Automatisierungs- und Energietechnik 21

21 Fazit Für praktisch alle industriellen Energy Harvesting Applikationen ist die richtige Wahl des Primärenergiegenerators, eine stromsparende und platzoptimierte Schaltungstechnik sowie die Wahl der richtigen Energiespeichertechnik von entscheidender Bedeutung und: Es besteht derzeit in diesem interdisziplinär ausgerichteten Fachgebiet noch sehr großer angewandter Forschungsbedarf! Prof. Dr.-Ing. D. Schoen Energy Harvesting in der Automatisierungs- und Energietechnik 22

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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