Projekt 35c: Energy Harvesting

Autoren: Marvin Geßner, Kai Hattwig
Betreuer: Daniel Klein

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Thema

Die Energieumwandlung von natürlichen Ressourcen wie Licht-, Wasser- und Windenergie in elektrische Energie wurde bereits umfangreich erforscht. Deutlich unerforschter sind die Nutzung des

Thermoelektrischer Effekts
Piezoelektrischen Effekts oder das
"Ernten" elektromagnetischer Verluststrahlung.

Diese Arbeit soll einen Überblick über die State-of-the-Art Techniken der "Energie Ernte" geben. Hierzu kann beispielsweise das Energy Harvesting Solution To Go-Kit der Firma Linear Technologier zum Einsatz kommen.

Aufgabe

Bauen Sie eine Hörsaaluhr kostengünstig so um, dass Sie zukünftig Ihre Energie selbst "erntet" und ohne Batterie arbeitet.

Erwartungen an die Projektlösung

Literaturrecherche der Theorie
Überlegen, welches Harvesting-Verfahren (EM, Piezo,…) für eine Hörsaaluhr Energie liefern könnte.
Beschaffung der notwendigen Bauteile
Aufbau verschiedener Erntetechnologien
Messung, Bewertung und Vergleich der Wirkungsgrade
Minimierung als Embedded System
Simulation mit Multisim
Platinenlayout mit Ultiboard
Platinenfertigung mit dem Fräsbohrplotter
Bestückung und Inbetriebnahme
Test und wiss. Dokumentation
Live Vorführung der Funktion der HSHL Energy Harvesting Radio Controlled Clock (EHRCC)

Hinweis: Gehen Sie neue Wege und vermeiden Sie die bereits erschöpfend erforschten Möglichkeiten wie beispielsweise Solarzellen.

Einleitung

Energy Harvesting oder auch "Energie Ernten" gewinnt aus Quellen wie Umgebungstemperatur, Vibrationen oder Luftströmungen für mobile Geräte kleine Mengen von elektrischer Energie mit geringer Leistung. Die Strukturen werden auch als Nanogeneratoren bezeichnet und eingesetzt. Energy Harvesting vermeidet bei Drahtlostechnologien Einschränkungen durch kabelgebundene Stromversorgung oder Batterien.[1] In diesem konkreten Anwendungsfall soll eine Radio Controlled Clock (EHRCC) der HSHL mit Energy Harvesting betrieben werden. Kosten- und Zeitaufwändige Batteriewechsel sollen in Zukunft vermieden werden können.

Projekt

Durch die Projekte 17, 35a und 35b sind schon die Möglichkeiten der Energiegewinnung durch Solarzellen, Piezoelektrische Kristalle und elektromagnetrischer Verluststrahlung untersucht worden. Folge dessen widmet sich das vorliegende Projekt 35c der Energiegewinnung durch den thermoelektrischen Effekt. "1821 entdeckte Thomas Johann Seebeck, dass zwischen Enden einer Metallstange eine elektrische Spannung entsteht, wenn in der Stange ein Temperaturunterschied (Temperaturgradient) herrscht. Mit geeigneten Materialien gelingt es dadurch in Peltier-Elementen, aus Temperaturdifferenzen elektrischen Strom zu erzeugen."[2]

Vorteile sind:

keine beweglichen Teile
wartungsfrei aufgrund der verwendeten Materialien
mögliche Nutzung von natürlichen Wärmequellen oder Restwärme

Dieser Effekt wird genutzt um die HSHL eigene Uhr in Betrieb zu nehmen. Die Idee hierzu ist, die Uhr mit der Wärme einer Kaffee -oder Teetasse in Betrieb zu setzen. Man kann diesen Effekt im häuslichen Gebrauch auf Sanitärleitungen (Warmwasser) anbringen.

Umsetzung Elektrisch

Schaltplan Energy Harvesting mittels Peltierelementen

Zunächst besteht die Annahme, laut Datenblätter der Peltier-Elemente, dass die Elemente eine hohe Ausgangsspannung bei geringen Temperaturdifferenzen liefern. Durch die Messung der Ausgangsspannung bei geringem Temperaturunterschied, kann jedoch nur eine geringe Ausgangsspannung gemessen werden. So entsteht die Anforderung, dass eine Spannungsanhebung auf die geforderten 1,2 Volt (Betriebsspannung Uhr) stattfinden muss. Dies wird einerseits dadurch erreicht, dass zwei Peltier-Elemente in Reihe geschaltet werden und die Einzelspannungen der Elemente sich addieren. Des weiteren erfolgt die Spannungsanhebung mittels einer "Joule-Thief" Schaltung. Eine Erklärung zur Schaltung wird im folgenden Video erläutert Joule Thief. Die rechts abgebildete Schaltung ist auf die geforderten Parameter ausgelegt.

Kondensator C1 150uF im Eingang zur Glättung der Eingangsspannung
Trafo T1 mit 2x1mH nutzt Schwingverhalten zur Spannungsanhebung
Transistor Q1 erzeugt Schwingverhalten des Trafos
Diode D1 verhindert, dass der Strom zurück fließt, da die Ausgangsspannung höher als Eingangsspannung ist
Widerstände R1, R2 und R3 zur Strombegrenzung
Dioden D2 und D3 im Ausgang in Reihe geschaltet, zur Spannungsbegrenzung von 1,2 Volt
Kondensator C2 10uF im Ausgang zur Glättung der Ausgangspannung

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Umsetzung Mechanisch

Das Ziel der mechanischen Umsetzung ist es, ein kompaktes mechatronisches Gerät für das verwendete Energy Harvesting Verfahren herzustellen. Die unten aufgeführte BOM-Mechanisch gibt einen Überblick über die verwendeten mechanischen Komponenten. Um einen größtmöglichen Temperaturunterschied zu gewährleisten, wird die "Kalt-Seite" des Peltier-Elementes mit einem großen Kühlkörperprofil auf Umgebungstemperatur gehalten. Die "Heiß-Seite" des Peltier-Elementes sammelt die Wärmeenergie über eine Aluminiumscheibe mit geringen Wärmewiderstand, diese dient als Wärmekollektor. Der Wärmewiderstand zwischen diesen beiden Seiten, sollte so groß wie möglich sein. Dies ist nötig für einen besseren Wirkungsgrad des Energy Harvesting Gerätes. Verbunden sind die beiden Aluminiumteile mit einem 3D Druckteil (PLA), es ist wie gefordert temperaturbeständig mit einem hohen Wärmewiderstand. Das Kühlkörperprofil dient gleichzeitig als Aufnahme der PCB mit den elektrischen Komponenten. Mittels Schraubverbindungen werden die mechanischen Komponenten miteinander verbunden.

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Projektstrukturplan

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Ergebnis

Bei einer Oberflächentemperatur von etwa 40° an dem Wärmekollektor und einer Umgebungstemperatur von etwa 20°, entsteht eine Temperaturdifferenz von etwa 20° zwischen den beiden Seiten der Peltierelemente. Diese Temperaturdifferenz wird von den Peltier-Elementen benötigt um eine Ausgangsspannung von etwa 0,6 V zu liefern. Bei einer geringeren Temperaturdifferenz wird eine geringere Spannung geliefert. Die entworfene Schaltung benötigt eine Mindesteingangsspannung von 0,6 V um zu die Ausgangsspannung auf die geforderten 1,2 V anzuheben. Die vorliegende Schaltung begrenzt und stabilisiert die Ausgangsspannung. Die Stromaufnahme der Radio Controlled Clock (EHRCC) liegt bei 0,2 mA. Bei einer Spannung von 1,2 V sind dies 0,24 mW. Durch die mechanische Konstruktion sollte ein großer Wärmewiderstand zwischen der Heiß- und Kalt-Seite der Peltierelemente realisiert werden. Nach der Montage der mechanischen Konstruktion, stellt sich heraus, dass die Konstruktion noch nicht geeignet ist. Es ensteht ein Spalt zwischen der Oberseite der Peltier-Elemente und der AL-Disc. Dieser Spalt führt zu einem großem Wärmeübergangswiderstand. Die notwendige Temperatur, kommt nicht an der Heiß-Seite der Peltier-Elemente an. Dies führt dazu, dass die notwendige Ausgangsspannung der Peltier-Elemente von 0,6 V nicht erreicht werden kann.

Fazit

Das Ziel des vorliegenden Projekt, die Radio Controlled Clock (EHRCC) ohne jegliche externe Energiequelle zu betreiben, wird nur bedingt erreicht. Mit einer Wärmequelle die 20° höher ist als die Umgebungstemperatur wird genügend Strom erzeugt, so dass die Uhr betrieben werden kann. Die Herrausforderung ist es, eine solch große Wärmequelle in einem Gebäude der HSHL zu finden und zu nutzen. Beispielsweise würden sich hier Warmwasserleitungen eignen, diese liegen jedoch meist nicht frei verfügbar. In unserem Anwendungsfall dient als Wärmequelle eine heiße Tasse Kaffee. Wenn eine nutzbare dauerhaft verfügbare Wärmequelle vorhanden wäre, wäre dies eine geeignete Möglichtkeit des Energy Harvesting für eine Radio Controlled Clock (EHRCC)der HSHL. Des Weiteren könnte die elektrische Schaltung optimiert werden, so dass auch eine Spannung kleiner 0,6 Volt ausreichen würden, um diese zu betreiben. Es könnten auch weitere Peltier-Elemente in Reihe geschaltet werden um die Eingangsspannung hoch zu setzen, dies würde aber auch gleichzeitig zu höheren Kosten führen. Die mechanische Konstruktion, insbesondere das Upper-Chassis, hat noch Mängel bei der Montage. Eine Verbesserung der Konstruktion ist anzustreben. Die Punkte 3.; 4. und 5. der "Erwartungen an die Projektlösung" konnten aufgrund der sehr knappen Zeit zwischen Projektanfang und Bestellung nicht weiter verfolgt werden.

Lessons Learned

Anwenden von theoretischen Kenntnissen auf die Praxis
Vertiefender Umgang mit der Software NI Multisim, Entwurf und Simulation der verwendeten Schaltung
Vertiefender Umgang mit der Software NI Ultiboard, Layoutentwurf der Schaltung
Aufbau und Inbetriebnahme einer selbst erstellten Schaltung
Erstellung von CAD-3D Modellen, Herstellung von 3D-Druckteilen
Organisation, Zeitmanagement und Teamarbeit

Projektunterlagen

Zu diesem Projekt gibt es folgende Unterlagen zum Download Projektunterlagen

YouTube Video

Zu diesem Projekt gibt es folgendes YouTube Video Energy Harvesting

Weblinks

[1] Joule Thief (YouTube)
[2] Thomas Johann Seebeck (Wikipedia)
[3] Bildquelle (Peltier Element)
[4] Thermoelektrizität (Wikipedia)

Literatur

[1]Javier García-Martínez (Hrsg.): Nanotechnology for the Energy Challenge. 2. Auflage. John Wiley & Sons, 2013, ISBN 978-3-527-66513-6, Kapitel 4.
[2]siehe Weblinks Thomas Johann Seebeck
[3]siehe Weblinks Peltier Element
[4]siehe Weblinks Thermoelektrizität