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Energy HarvestingMichael Franz
Silja-Fabienne Tischler
07.06.2011
Strukturierung
Allg. Definition „Energy Harvesting“
Arten der Energiegewinnung
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 Translation
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 Strahlung – Photovoltaik
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 IR-Strahlung 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
ThermogeneratorHier 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 RFDC-Modul enthältVorteil:
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
PiezogeneratorWiederum 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
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