PG 595: SolarDoorplate

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1 PG 595: SolarDoorplate Energy-Harvesting: Technologien und Anwendungen im Überblick Merlin Stampa Seminarwochenende 17./ AG Eingebettete System Informatik 12, TU Dortmund

2 Agenda Energy-Harvesting Was ist das? Anwendungen Architekturen Energiequellen Energiespeicher Sonstige Bauteile Energieprädiktion Scheduling PG Seminarphase - Energy-Harvesting 2

3 Energy-Harvesting Was ist das? Mit Energy Harvesting (wörtlich: Energie-Ernten) wird die Gewinnung von elektrischer Energie in kleinen Mengen aus dem Umfeld elektronischer Geräte für deren Betrieb bezeichnet. Weitere englische Begriffe dafür sind Power Harvesting und Energy Scavenging (wörtlich: Plünderung). Der Begriff Ambient Energy Harvesting macht deutlich, dass es sich um Energie aus der Umgebung des Geräts handelt. Labor für Prozeßdatenverarbeitung, Hochschule Reutlingen Vorteile: Systeme sind energieautark, wartungsfrei, kabellos, haben theoretisch unbegrenzte Lebensdauer PG Seminarphase - Energy-Harvesting 3

4 Anwendungen Sensornetzwerke Forschung Industrie 4.0 Medizintechnik Wearable Computing Heimautomation SolarDoorplate :) PG Seminarphase - Energy-Harvesting 4

5 Architekturen Harvest-Use Harvest-Store-Use Energiequelle Energiequelle Energiemanagement Verbraucher Speicher Sekundärspeicher Verbraucher PG Seminarphase - Energy-Harvesting 5

6 Energiequellen (Auswahl) Licht Mechanik (Vibration, Stoß) Wind, Wasser Wärme (Temperaturänderung, -gefälle) Funk Biomasse PG Seminarphase - Energy-Harvesting 6

7 Energiequellen - Licht Umwandlung mittels Solarzellen Einfacher Einbau, günstig, Ausbeute teilweise vorhersagbar Spezielle Varianten für Indoor-Gebrauch SolarDoorplate: [2] SOLEMS S.A. 07/072/048 7 Zellen in Serie, 72x48x1,8mm, 17g 200 lux (künstliches Licht): 2,8V, 45µA am MPP 1000 lux (Fensterlicht): 3V, 220µA am MPP PG Seminarphase - Energy-Harvesting 7

8 Energiequellen - Mechanik piezoelektrisch z.b. Kristalle oder Keramiken, Verformung erzeugt Ladungsverschiebung Hohe Leistungsdichte elektrostatisch variable Kondensatoren, eine feste und eine bewegliche Elektrode Benötigt externe Spannungs-/Ladeversorgung induktiv Beweglicher Magnet + feste elektrische Spule Vglw. große Abmessungen PG Seminarphase - Energy-Harvesting 8

9 Energiequellen Wind, Wasser Umwandlung typischerweise mittels Turbinen Im Vergleich zu Solarzellen recht groß, zerbrechlich Ausbeute auch hier teilweise vorhersagbar Andere Möglichkeiten: Windbelt elektrokinetische Batterie PG Seminarphase - Energy-Harvesting 9

10 Energiequellen - Wärme Wärmeströmung: Maschinen, Menschen, Tiere, Geothermie: Thermogeneratoren (Seebeck-Effekt) Änderung der Umgebungstemperatur: Pyroelektrischer Effekt Dynamoantrieb durch Materialausdehnung PG Seminarphase - Energy-Harvesting 10

11 Energiequellen - Funk Bestimmte Frequenzbereiche oder Breitbandempfänger Modulation eines Datensignals auf Versorgungssignal möglich Aktivierung durch Empfänger Beispiel RFID Oder Nutzung von Elektrosmog : Radio, Fernsehen, Handys... PG Seminarphase - Energy-Harvesting 11

12 Energiespeicher - Aspekte Energiedichte Leistungsdichte Auflade-Entlade-Effizienz Selbstentladungsrate Lebensdauer Gedächtniseffekt Auflademethode PG Seminarphase - Energy-Harvesting 12

13 Energiespeicher - Technologien [1] Typ Nennspannung (V) Kapazität (mah) Energiedichte (Wh/kg) Leistungsdichte (W/kg) Effizienz (%) Selbstentladung (%/Monat ) Gedächtniseffekt? SLA Nein Trickle NiCd 1, Ja Trickle 1500 NiMH 1, Ja* Trickle 1000 Li-Ion 3, ,9 <10 Nein Pulse 1200 Auflademethode Aufladezyklen Lipolymer 3, ,8 <10 Nein Pulse Weitere Möglichkeit: Super-Kondensatoren Geringe Energiedichte, hohe Selbstentladung Hohe Effizienz, theoretisch unbegrenzte Lebensdauer, kein Memory-Effekt, Trickle-Aufladung Gut als Buffer, oder wenn viel Energie in regelmäßigen Intervallen verfügbar *reversibel PG Seminarphase - Energy-Harvesting 13

14 Sonstige Komponenten Sensoren generierte Spannung Ladestand Gleichspannungswandler Aufladeschaltung Überlade- / Tiefentladeschutz Maximum-Power-Point-Tracker (MPPT) bei Solarzellen Umschalter zwischen Primär- und Sekundärspeicher PG Seminarphase - Energy-Harvesting 14

15 Scheduling / Adaption Parameter: Sensorempfindlichkeit Abtastrate Sendeleistung Sendefrequenz Routing, Clustering... Anpassung: Kontinuierlich Diskrete Service-Level [3] PG Seminarphase - Energy-Harvesting 15

16 Energieprädiktion EEHF (Environmental Energy Harvesting Framework) [4] 1 Tag = 1 Epoche Autoregressiver Filter für gesammelte und verbrauchte Energie über eine Anzahl vergangener Epochen Effektive Energie: Gewichtete Funktion aus Prädiktion, Batteriestand und Verbrauch Enhanced-EEHF Ergänzt Runden innerhalb von Epochen für größere Präzision EWMA (Exponentially Weighted Moving Average) Filter 1 Tag = 48 Slots Gewichteter Durchschnitt der Energieverfügbarkeit im selben Slot an Vortagen, und Schätzung des Vorgängerslots PG Seminarphase - Energy-Harvesting 16

17 Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit! Noch Fragen? PG Seminarphase - Energy-Harvesting 17

18 Quellen [1] S. Sudevalayam, P. Kulkarni: Energy Harvesting Sensor Nodes: Survey and Implications, IEEE Commun. Surv. Tutorials. 13, (2011) [2] [3] C. Moser, J. Chen, L. Thiele: Power Management in Energy Harvesting Embedded Systems with Discrete Service Levels, Proc ACM/IEEE international symposium on Low power electronics and design, pp [4] A. Kansal, M. B. Srivastava: An Environmental Energy Harvesting Framework for Sensor Networks, in Proc International Symposium on Low Power Electronics and Design. ACM, 2003, pp [5] N. Shenck and J. Paradiso, Energy Scavenging with Shoe-mounted Piezoelectrics, IEEE Micro, vol. 21, no. 3, pp , May/Jun 2001 [6] V. Raghunathan, A. Kansal, J. Hsu, J. Friedman, M. Srivastava: Design Considerations for Solar Energy Harvesting Wireless Embedded Systems, 2005 PG Seminarphase - Energy-Harvesting 18