Projekt 17: Energy Harvesting

Projektbeschreibung Energy Harvesting

Dieses Projekt befasst sich mit dem Betrieb einer Uhr mittels eines Energy Havesters, welcher auf einer Solarzelle beruht und auf den im späteren Verlauf genauer eingegangen wird.

Autoren

• Torben Petersen
• Felix Kortmann

Einführung

Der zusammengesetzte Begriff Energy Harvesting leitet sich ab aus den beiden Begriffen Energy, was im deutschen Energie heißt, und Harvesting, was gleichbeteutend mit dem deutschem Wort ernten ist. Das Energy Harvesting setzt sich aus verschiedenen Bereichen von zu "erntender" Energie zusammen, welche sich in vier Unterkategorien einordenen lassen:

• Solarenergie
  
• Bewegungsenergie (Vibration, Wind, ..)
  
• Temperaturenergie (Wärme, Kälte)
  
• elektromagnetische Energie
  

Dieses Projekt befasst sich mit dem "ernten" von Solarenergie und dem abspeichern jener.

Energy Harvesting Vision

Das Energy Harvesting hat hohes Potenzial, welches sich vorallem an der immer wieder hochkochenden Diskussion über "erneuerbare Energien" in den Medien wiederspiegelt. Die Energie ist vorallem ökologisch sauber und viele der vier Unterkategoriern sind zwar nicht unbegrenz, aber unersättlich, wie beispielsweise Windenergie und Solarenergie. Zudem wirkt die Vorstellung bereits "verloren" gegangene beziehungsweise nicht genutzte Energie wieder aufzufangen sehr innovativ und ökologisch sauber. Beispiele gibt es dafür genüge, seien es Solarzellen in der Wüste oder elektromagnetisches Harvesting unter Hochspannungsleitungen. Die Möglichkeiten der Ernte sind schir unbgrenzt.[1]

Im weiteren Verlauf der Arbeit verweisen wir auf Alternativen des Energy Harvestings zu unsererm Projekt. Dies finden Sie unter der Überschrift Alternative Ansätze.

Projekt

Bauteile (BOM)

Zur Verwendung kam eine ausrangierte Solarzelle mit den Abmaßen 15cm x 7cm. Diese lieferte unter Tageslicht Einstrahlung etwa 0,5mA und 2,5V.

Zudem kamen zwei 1,2V Akkus mit einer Kapazität von 700mAh zum Einsatz.

Für die Schaltung "einfaches Aufladen" wurden folgende Bauteile benötigt:

• Solarzelle (siehe oben)
  
• Akkus (siehe oben)
  
• Uhr
  
• Diode 1N4001
  

Es ist darauf zu achten, dass mittels eines Widerstandes die Spannung der Akkus der benötigten Spannung der Uhr angepasst wird.

Für die Schaltung "pulsierendes Aufladen" wurden folgende Bauteile benötigt:

• Solarzelle (siehe oben)
  
• Akkus (siehe oben)
  
• Uhr
  
• PNP Transitor 2N3906
• NPN Transitor 2N3904
• Kondensator 1000 µF
• 2 Dioden 1N4001
• 2 2.2k Widerstände
• 1 Blink-Led
  
  

Aufgrund von Kostenminimierung wurden sämtliche Bauelemente aus der hauseigenen Werkstatt eines Familienangehörigen verwendet.

Akkumulator "einfaches Aufladen"

Um zu berechnen, wie lange ein einzelner NiMh Akku mit 1,2V und 700mAh zum aufladen benötigt, wird die erzeugte Spannung, sowie die Stromstärke der Solarzelle in Normalzustand (Tageslicht, bewölkt) gemessen. Die Solarzelle liefert circa 2,5V und eine Stromstärke von 0,5mA. Dazu wurden folgende Formeln verwendet:

• C = Q / U (C = Kapazität, Q = Ladung, U = Spannung)
  
• t = C * U / I (t = Aufladezeit, I = Stromstärke)
  
• 1 Coulomb entspricht 1As = 0,27mAh (As = Amperesekunde, mAh= Milliamperestunde)
  
  

Um die obige Formel zu verwenden, müssen die 700mAh in Coulomb umgerechnet werden, was einer Ladung von 2520 Coulomb entspricht.
Der Akku hat eine Kapazität von 1008 Farad. Wird nun in die zweite Formel eingesetzt erhält man eine Aufladezeit von 58,3 Tagen Tageslicht.
Dies gilt nur, solange die Uhr nicht angeschlossen ist.

Schaltung

Ladeschaltung

Bei der Konstanten Ladeschaltung, ist die Solarzelle mit V3 dargestellt und der Akku als V4 dargestellt.

Akkumulator "pulsierendes Aufladen"

Impulsladeschaltung

Schaltplan einer Blink Led

Bei der pulsierenden Aufladung von Akkus wird der Energiespeicher nicht durch einen Gleichstrom aufgefüllt, sondern wird in gewissen Intervallen durch einen Impuls vollgeladen. Das pulsierende Aufladen von Akkus hat einen positiven Einfluss auf die Lebensdauer des Bauteils, zudem unterdrückt diese Auflademethode im gewissen Maße den Memory Effekt(Kapazitätsverlust).[2]

Schaltung

Die Solarzelle wird durch V1 mit 2.5 V dargestellt. Desweiteren ist der Akku, der durch die Schaltung geladen wir mit V2 dargestellt. Q4 ist ein PNP-Transistor und Q2 ein NPN-Transitor. Um zu veranschaulichen, wie der Ausgang pulsiert, kann man dort am besten eine analoges Voltmeter anschließen.
Damit in der Impulsladeschaltung nun eine Blink-Led anstelle einer normalen Led verbaut wird, ersetzt man das Netzteil aus der Blink-Led Schaltung durch die Blink-Led in der Impulsladeschaltung.

Alternative Ansätze

Bewegungsenergie

Ein Ansatz um kinetische Energie(Vibration, Stöße) zur Stromgenerierung zu verwenden ist hier zu finden.[3]

Elektromagnetische Energie

Hier finden finden Sie Informationen bezüglich eines Getätes, welches mittels elektromagnetischer Strahlung Strom generiert.[4]

Wärmeenergie

Um Informationen über die Benutzung von Wärmeenergie, beispielsweise eines heißen Getränkes zu erfahren, klicken Sie hier.[5]

Fazit

In der Veranstaltung Elektrotechnik Fachpraktikum im 5.Semester konnten wir durch die lange Zeit der Recherche, innovative und spannende Möglichkeiten des Energy Harvestings kennenlernen. Bei der Arbeit an unserem Projekt hatten wir die Möglichkeit unter anderem zu Löten und Schaltpläne zu entwerfen. Es konnten Inhalte aus den Vorlesungen elektronische Bauelemente und Schaltungen, Elektrotechnik, sowie Aufbau und Verbindungstechnik angewendet werden. Für die Rahmenbedingungen der Veranstaltung wählten wir das Harvesting mittels Solarenergie aus, um einen erfolgreichen Projektabschluss möglich zu machen. Für künftige Arbeiten an dem Thema Energy Harvesting halten wir vorallem die Bereiche Vibrations-/ und Stoßenergie, sowie elektromagnetische Energie für interessant.

Lessons Learned

• Entwicklung von Schaltungen
  
• Verbesserung der Lötfähigkeit
  
• Einsicht: Simulationen ungleich Praxis (Komplikationen)
  
• Organisation im Team
  
• Trial and Error als wichtiges Instrument
  
  

Quellen

[1] http://www.heise.de/ct/artikel/Batterie-Nein-danke-1806105.html
[2] http://www2.ife.ee.ethz.ch/~rolfz/batak/Merkblatt_Batterien_und_Akkus.pdf
[3] http://www.hsg-imit.de/fileadmin/gfx/Unser_Angebot/F_E_Dienstleistungen/Sensoren___Systeme/Energieautonome_Systeme/0801_AB_42_Mikro-Energietechnik_Energy_Harvesting_Elektromagnetische_Vibrationsgeneratoren_d.pdf
[4] http://eprints.soton.ac.uk/263653/1/Optimization.pdf
[5] http://www.energy-harvesting-net.de/technologie.html

Weiterführende Projektideen

http://www.we-online.com/web/en/electronic_components/produkte_pb/demoboards/energy_harvesting/energy_harvesting.php

Verbesserungsvorschläge zum Artikel

Ulrich Schneider (Diskussion) 12:45, 25. Jan. 2014 (CET)

• Korrigieren Sie die zahlreichen orthographischen Fehler.
• ZIP Datei und ein Großteil der geforderten Dokumente fehlen (BOM, PAP, SW, Projektplan, Logbuch, uvm.). (BOM: enthalten in der Wiki Ausführung Unterpunkt:"Bauteile")
• Lessons Learned fehlt. (nachträglich bearbeitet)
• Schreiben Sie zukünftig wissenschaftlich neutral.
• Setzen Sie Formeln mit LaTeX.

Prof. Dr. Mirek Göbel am 31. Jan. 2014:

• Zeigen Sie im Text die jeweilige Stelle, an der die Quellen verwendet werden!