Transcript - HIT Karlsruhe

Energy Harvesting
Michael Franz
Silja-Fabienne Tischler
07.06.2011
Strukturierung
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Allg. Definition „Energy Harvesting“

Arten der Energiegewinnung
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Einzelne Beispiele für Energy Harvesting Module

Realisierungsmöglichkeiten und deren Vor- und Nachteile
Allgemeine Definition
Allgemeine Definition



Energy Harvesting – „Energie Enten“
Gewinnen von Energie aus der Umgebung
Häufig in Verbindung mir Sensorsystemen mit
Funkübertragung, z.B. für die Gebäudeüberwachung
Energiegewinnung
Energiegewinnung
Energiegewinnung
Energiegewinnung

Piezo-Generator

Krafteinwirkung  positive und negative Ionen werden gegeneinander
verschoben
Elektrisches Dipolmoment entsteht

Umkehrbarer Effekt: anlegen elektrischer Spannung ruft eine
Längenänderung hervor

Materialien:


Quarz, Bariumtitanat

Spezielle Piezokeramiken
Rechnungsformel

Q = kp * F
kp = 2,3pC/N (Quarz)
kp = 250pC/N (Bariumtitanat)
Energiegewinnung

Rotation – Drehgenerator

Energie durch Induktion
 Bewegung eines magnetischen Feldes ruft den Fluß eines elektrischen Stroms
hervor
 Rotation des Rotors erzeugt in den Induktionsspulen eine elektrische Energie
Energiegewinnung

Rotation durch Windkraft


Hier wird der Wind als Antriebskraft eines Rotors verwendet, welche die
Drehbewegung des Drehgenerators liefert
Beispiel Windräder: hier wird die Energie in das öffentliche Stromnetz gespeist
Energiegewinnung
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Translation
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Prinzip der Induktion
Umsetzung z.B. mit einer Tauchspule
Durch translatorische Bewegung wird ein
magnetischer Kern in einer Spule bewegt 
Änderung des Magnetfelds = Stromfluss
Energiegewinnung
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Strahlung – Photovoltaik

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
Verwendung des sichtbaren Lichts zur
Energieerzeugung
Geringer Wirkungsgrad (ca. 20 % je nach
Einstrahlung)
Abhängig von Sonneneinstrahlung
Stark verbreitet – großer Markt




FUNKTIONSWEISE:
n-dotiertes Silizium:
 Vermischung mit Bor
 Elektronenüberschuss
p-dotiertes Silizium:
 Vermischung mit Arsen
 Elektronenmangel
Strahlung regt Elektronen an
 Elektronen diffundieren in
den p-dotierten Bereich
 Gleichspannung zwischen
negativer und positiver
Elektrode
Energiegewinnung

Strahlung – Sonnenstrahlung




Speziell entwickelte Folie bestehend aus
Nanoantennen
SOLAR NANTENNA
ELECTROMAGNETIC COLLECTORS
Größeres Spektrum der
Sonnenstrahlung:
 Die Nanoantennen können auch IRStrahlung aufnehmen
Nachteil: Die Nanoantennen erzeugen
einen so hochfrequenten Strom
 Nanogleichrichter müssen erst noch
entwickelt werden
Energiegewinnung

Thermik




Erzeugung der Energie durch Temperaturdifferenzen
Unterschiedliche Erwärmung  unterschiedliche Temperaturniveaus der Elektronen
Konzentrationsausgleich der Elektronen
Meist mit zweierlei verschiedenen Metallen  nur zwischen den Kontaktstellen
müssen Temperaturdifferenzen vorhanden sein
Energiegewinnung

Funkwellen




Energieaufnahme durch Antennen
Energieausbeute je nach Frequenz und Signalstärke
Funksignale stark beeinträchtigt durch Metall
Höherer Wirkungsgrad als Solarzellen
Energiegewinnung

Schall




Schallwellen sind kinetische Bewegungen
 Bewegung der Teilchen
Aufnahme der Energie durch eine
Membran oder auch ein Bändchen
Übertragung der Energie an verschiedene
Energiegewinnungssysteme z.B.:
 Tauchspulenmikrophon
 Bändchenmikrophon
 Kristall (Piezo) mikrophon
Geringe Energiegewinnung
Energy Harvesting Module
Energy Harvesting Module

Straßenelemente

Auf der Fahrbahn installierte Kinetische
Platten

Bei langsamen Fahrbahnabschnitte, wo
der Fahrer zum langsamen Fahren
gezwungen ist.
Energy Harvesting Module

Bodenelemente

Tanzfläche in einer Diskothek besteht aus einzelnen energieerzeugenden
Bodenplatten

in Londoner U-Bahn-Station

auf Gehwegen in Toulouse (Südfrankreich)
Energy Harvesting Module

EnOcean-Module sind für die Funkübertragung von
Messsignalen augelegt



Arbeiten mit kleinen einzelnen Bewegungen
Reichen für ein Funksignal aus
Verschiene Module erhältlich
 Solarmodule
 Module für lineare Bewegungen (Tastendruck)
 Wandler für Thermoenergie
Realisierung an einer
Hakenflasche
Realisierung an einer Hakenflasche

Realisierung eines translatorischen Energy Harvester

Vorteil:
 Modul von EnOcean
 direkt auf eine
Signalübertragung per Funk
ausgelegt

Nachteil:
 Entwicklungsaufwand ist
erforderlich
 Geometrieänderung
mindestens einer
Teilkomponente ist zu
ändern oder eine zusätzliche
Konstruktion notwendig
Realisierung einer Hakenflasche

Realisierung eines Energy Harvester mit Thermogenerator
Hier wird ein Thermoelement, welches die
Temperaturdifferent seiner 2 Seiten vergleicht,
äußerlich angebracht.
 Vorteil:
 Modul kann ohne Neukonzeption
angebracht werden

Nachteil:
 Für viel Energie wird eine große Differenz
benötigt
 Widerstandfähigkeit gegen Herabfallen
der Hakenflasche unklar Befestigung
außen
Realisierung einer Hakenflasche

Realisierung eines Energy Harvester mit RFDC
Wie im vorherigen Beispiel kann an der Hakenflasche
ein Modul angebracht werden, welches ein RFDCModul enthält
 Vorteil:
 Modul kann auch hier ohne Neukonzeption
angebracht werden
 Funkwellen sind so gut wie immer vorhanden

Nachteil:
 Funkwellen werden von Metall stark geschwächt
 Rechtliche Grundlage nicht geklärt
 Energieausbeute stark abhängig von Signalstärke
 Widerstandfähigkeit gegen Herabfallen der
Hakenflasche unklar Befestigung außen
Realisierung einer Hakenflasche

Realisierung eines Energy Harvester durch Piezogenerator
Wiederum wird ein Modul einfach an einer Stelle
der Hakenflasche angebracht und die Vibration in
Energie umgesetzt.
 Vorteil:
 Modul kann ohne Neukonzeption angebracht
werden
 Schwingungen sind (wenn auch teilweise sehr
gering) meistens gegeben
 Mit einer Unwucht bei Bewegung zu
verstärken

Nachteil:
 Widerstandfähigkeit gegen Herabfallen der
Hakenflasche unklar Befestigung außen
Realisierung einer Hakenflasche

Realisierung eine Drehgenerators mit Windkraft
Für die Rotorbewegung wird ein Windkanal
integriert.
 Vorteil:
 Es wird Windkraft genutzt  keine
Abhängigkeit von der Bewegung der
Hakenflasche

Nachteil:
 Es wird eine ausreichende
Windgeschwindigkeit benötigt
 Eine aufwendige Konstruktion ist
notwendig  Entwicklungsaufwand ist
hoch
Realisierung einer Hakenflasche

Realisierung mit einem Drehgenerator an der Seilwinde
Ein Generator wir mit einem Riemen mir der
Seilwinde verbunden.

Vorteil:
 Es kann viel Energie während der
Bewegung erzeugt werden

Nachteil
 Keine Bewegung der Seilwinde  keine
Energieerzeugung
 Ausreichendes Speichermedium
notwendig
Realisierung einer Hakenflasche

Realisierung von mehreren Prinzipien
Kombination mehrerer Prinzipien. Hier ist eine
mögliche Kombination aus der Bewegung der
Seilwinde und eines Windkraftsystems dargestellt.

Vorteil:
 Ein Akku kann sowohl durch Bewegung der
Seilwinde, wie auch durch Windkraft geladen
werden

Nachteil:
 Wenn beide Prinzipien ausfallen ist der
Energiebedarf nur durch einen Akku
gegeben
 Erhöhter Aufwand und erhöhte Kosten
Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit
Anhang - Quellen

Hütte - Ingenieurwissen

http://www.buch-der-synergie.de

http://www.energy-harvesting.de

http://www.springerlink.com

http://info.hit-karlsruhe.de/info-ss11/Energy_Harvesting_Recherche

http://de.wikipedia.org/wiki/Piezoelektrizit%C3%A4t

http://www.piezo.com/index.html

http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Generator.png&filetimestamp=20091106135019

http://www.enocean.com/en/motion-energy-harvesting/

http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Tauchspule.png

http://www.greenbiz.com/blog/2009/08/25/energy-harvesting-system-gather-drive-thru-power

http://www.greenbiz.com/news/2009/06/15/sainsburys-rolls-out-kinetic-energy-generator

http://www.greenbiz.com/news/2009/06/15/sainsburys-rolls-out-kinetic-energy-generator

http://www.zeit.de/wissen/umwelt/2011-03/energy-harvesting?page=1

http://www.sustainabledanceclub.com/?t=products&p=1

http://de.wikipedia.org/wiki/Mikrofon

http://www.circuitdesign.de/products/tech_info/guide2.asp

http://www.pro-physik.de/Phy/leadArticle.do?laid=14029

http://www.weltderphysik.de/de/4245.php?ni=2726

http://www.oecosys.com/1/Members/jocham/nano-antennen