Projekt 35b: Energy Harvesting

Autoren: Robert Keck, Alexander Spenst

Betreuer: Prof. Schneider

der Electronic Harvester von Dennis Siegel

Aufgabe

Aufgabe des Projektes ist es, elektromagnetische Strahlung (z.B. aus Radiowellen oder WLAN) aufzufangen und einem technisch sinnvollen Zweck (z.B. Betrieb eines Gerätes oder Laden eines Akkus) zuzuführen.

Einführung

Als Energy Harvesting (zu Deutsch: Energie-Ernten) bezeichnet man die Verwertung von elektrischer Energie in kleinen Mengen aus der direkten Umgebung elektronischer Geräte. Je nach Verwendungszweck gibt es verschiedene Umsetzungsmöglichkeiten für eine Energy-Harvesting-Anwendung. Bei der Gewinnung elektromagnetischer Strahlen mithilfe von Antennen können Geräte drahtlos und ohne Batterien mit geringen Strommengen versorgt werden. Die Idee hinter dem Energy Harvesting ist die sinnvolle Nutzung verlorener Energie für den Betrieb von Geräten mit geringem Energiebedarf. Im Zuge der Energiewende ist dies einer der Ansätze für die nachhaltige und umweltschonende Erzeugung von Strom. Aufgrund der geringen Energiemengen, die mithilfe von Energy Harvesting gewonnen werden, wird das Prinzip nach heutigem Stand der Technik noch nicht serienmäßig für den Betrieb von Geräten genutzt. Ein wesentlicher Forschungsschwerpunkt ist die Weiterentwicklung von Energy-Harvesting-Methoden für eine noch effektivere Energieaufnahme und eine effizientere Umwandlung der Energie in elektrischen Strom. Mögliche Anwendungsgebiete sind beispielsweise die Aufladung von Batterien und Akkumulatoren für tragbare Geräte wie Mobiltelefone, MP3-Player und Funkuhren.

Hinter dem Sammelbegriff „Energy Harvesting“ stehen diverse verschiedene Umsetzungsmethoden, bei denen man verschiedene Energieformen in elektrischen Strom umwandeln kann. Beim Piezoelektronischen Energy Harvesting nutzt man mechanische Kraft, die auf einen sogenannten Piezokristall einwirkt und diesen elastisch verformt (z.B. zusammendrücken). Durch die elastische Verformung entstehen elektrische Spannungen in den Piezokristallen, welche als Energie genutzt werden können. Eine weitere Möglichkeit ist Aufnahme elektromagnetischer Strahlung mithilfe von Antennen. Die bekannteste Anwendung sind passive RFIDs (radio-frequency identification). Dieses Prinzip wird im nachfolgenden Kapitel etwas ausführlicher erläutert. Mithilfe von Thermoelektrischen Generatoren nutzen Energie, die durch Temperaturunterschiede entsteht zur Erzeugung von elektrischem Strom. Dabei steigt die Menge an nutzbarem Strom mit der Differenz der genutzten Temperaturen. Solche Generatoren werden u.a. in Petroleumlampen bzw. Petroleum-Gasbrennern sowie Holzkohlegrills verbaut. Beim Photovoltaik wird Lichtenergie, in der Regel aus Sonnenlicht, gewonnen und mittels Solarzellen direkt in elektrisch nutzbare Energie umgewandelt. Ein neuer und bislang nur in Prototypen umgesetzter Ansatz ist das Osmosekraftwerk. Dabei wird der Unterschied im Salzgehalt verschiedener Wasserlösungen genutzt, um durch Osmose (eine Diffusion durch eine semipermeable Membran) Energie zu gewinnen. Wird diese Energie umgewandelt (z.B. durch Brennstoffzellen), können damit elektrische Ströme erzeugt werden.

Elektromagnetisches Energy-Harvesting

Die Nutzung von elektromagnetischer Strahlung gehört zu den am häufigsten angewendeten Methoden des Energy Harvesting. Als Energiequelle können dabei alle im alltäglichen Leben gebräuchlichen Elektrogeräte dienen, die elektromagnetische Strahlen erzeugen (Kaffemaschinen, Smartphones, W-LAN-Router etc.). Dabei können sowohl Wellen im niedrigen Frequenzbereich (50/60 Hz) ebenso genutzt werden wie Radiowellen im Megahertzbereich oder Hochfrequenzwellen von WLAN- und Blootooth-Strahlung (> 2 MHz) verwertet werden. Physikalische Grundlage des elektromagnetischen Energy Harvesters ist das Faradaysche Gesetz. Danach erzeugt ein zeitlich verändertes Magnetfeld in einer Spule eine Induktionsspannung. Aus dieser Induktionsspannung kann mittels einer Spule wiederum ein Strom erzeugt werden. Da bei diesem Prinzip ausschließlich verloren gegangene Energie genutzt wird, entsteht für die Stromquelle keine zusätzliche Belastung. Ob der gewonnene Strom ausreicht, um ihn sinnvoll nutzen zu können, hängt von der Bauweise des Energy Harvesters und der genutzten Energiequelle ab. Mit bereits realisierten Prototypen konnten immerhin Akkumulatoren von Smartphones innerhalb eines Tages mit einem solchen Energy Harvester vollständig aufgeladen werden. Aufgrund des großen Potentials wird daran geforscht, elektromagnetische Energy Harvester so zu konstruieren, dass die aufgenommene Energie noch effizienter genutzt werden können. Ziel ist es dabei, Elektrogeräte zukünftig ohne Stromversorgung durch Netzkabel oder Batterien zu betreiben.

Vorhaben

Da elektromagnetische Wellen im Frequenzbereich der Radiowellen nur eine äußerst geringe Energiedichte besitzen, kann die daraus geerntete Energie nicht ausreichen um eine Wanduhr ohne weitere Energiezufuhr zu betreiben. Radiowellen sind Wellen in einem Frequenzbereich zwischen 30 kHz und 300 MHz. Die Sendeleistung einiger Sender liegt zwar bei vielen Kilowatt, diese Leistung verteilt sich aber über hunderte Quadratkilometer. So sind als Energieernte lediglich ein paar Mikrowatt zu erwarten, also eine Energiemenge die noch nicht mal zum Betrieb einer Armbanduhr reicht. Als Ziel unseres Projektes setzen wir uns die Betriebsdauer einer Wanduhr mittels eines Energy-Harvesting-Devices wesentlich zu verlängern. Das soll dadurch ermöglicht werden, dass mittels der geernteten Energie aus elektromagnetischen Wellen der Akku einer Wanduhr entlastet bzw. geladen wird.

Durchführung

Funktionsprinzip des Energy-Harvesters

Prinzip:

Elektromagnetische Wellen werden über die Antenne aufgefangen. Diese wandelt die empfangenen Funkwellen in eine der einfallenden Feldstärke proportionale Wechselspannung um [1]. Das Ausgangsignal der Antenne ist also eine Wechselspannung, welche als Eingangssignal in das Energy-Harvesting-Device einfließt. Innerhalb des Harvesting-Device wird die Wechselspannung gleichgerichtet und kann dem Energiespeicher bzw. dem Verbraucher zugeführt werden. Der prinzipielle Energiefluss wird anhand der Abbildung verdeutlicht.

Bauteile und Schaltung:

Gleichgerichtete pulsierende Spannung

Zunächst wird eine Antenne benötigt. Diese sollte ein möglichst breites Frequenzspektrum empfangen können. Die in einem frühen Stadium des Projektes ausgewählte Antenne (UKW-Dipol-Ringantenne) ist nicht optimal, da sie nur Radiowellen im UKW-Bereich von 87,5 – 108 MHz empfangen kann. Gegebenenfalls kann parallel eine weitere Antenne genutzt werden, um auch höherenergetische Frequenzen im Mikrowellenbereich zu empfangen. Dazu eignet sich z.B. eine WLAN-Antenne. Als Uhr kommt eine gewöhnliche Wanduhr zum Einsatz, die mit einem AA-Mignon-Akku betrieben wird. Da die von der Antenne empfangenen Wellen eine Wechselspannung darstellen, muss diese zunächst gleichgerichtet werden. Für unseren Zweck eignet sich der Brückengleichrichter, der durch vier Dioden funktioniert. Diese Verschaltung der Dioden klappt den negativen Anteil der Wechselspannung in den positiven Bereich. Dadurch entsteht eine gleichgerichtete aber immer noch pulsierende Spannung (siehe Bild rechts) [4].

Angenäherte Gleichspannung

Zusätzlich kommen mehrere Glättungskondensatoren zum Einsatz. Diese werden gebraucht, um die immer noch pulsierende Spannung einer Gleichspannung anzunähern. Für diesen Zweck werden zunächst bipolare Kondensatoren eingesetzt, die dadurch auch Wechselspannung vertragen können. Im bereits gleichgerichteten Spannungsbereich der Schaltung kommen polarisierte Kondensatoren zum Einsatz (Elkos).

Die Dimensionierung der Kondensatoren erfolgt durch einen Brückengleichrichter. Bei einem Brückengleichrichter (auch B2U-Gleichrichter) wird der Glättungskondensator immer nach einer halben Netz-Periodendauer, also bei 50 Hz alle 10 ms, aufgeladen. Soll die Spannung während dieser Zeit Δt nur um ΔU absinken, dann berechnet sich die Kapazität nach der Formel:

$C=I \cdot {\Delta{}t \over \Delta{}U}$

Bauteile (BOM)

Energy Harvesting Schaltung

Die verwendeten Bauteile sind in der folgenden Tabelle aufgelistet:

Anzahl	Bezeichnung	Details
4	BAT 46 Schottky Diode	DO35, 100V, 0.15A
4x	KERKO Keramik-Kondensator	100N
2	Elektrolyt-Kondensator	radial bedrahtet 5mm, 100 µF, 50V
1	UKW-Dipol-Radioantenne

Ergebnisse

Die gemessene Spannung in der Schaltung zeigte starke Variationen auf. Je nach Umgebung (abgeschlossener Raum oder im Freien) und je nach Ausrichtung der Antenne (horizontal, schräg oder vertikal) wurden Werte zwischen 10mV und 500mV gemessen, wobei geringe Schwankungen durch das Messgerät zu beachten sind. Die Stromstärke in der Schaltung konnte mit den gegebenen Messgeräten nicht erfasst werden und. Angenommen wird eine Stärke von ca. 10µA. Um eine Wanduhr ohne zusätzliche Stromquelle zu betreiben, bedarf es mindestens einer Stromstärke von 200µA und einer Spannung von ca. 1,5mV. Damit ergibt sich folgende Differenz:

Leistung Energy Harvester: 0,5µW

Benötigte Leistung Uhr: 0,3mW

Differenz: 0,2995mW

Die Berechnung zeigt, dass mit dem Energy Harvester nur ein sehr geringer Anteil der benötigten Energie erzeugt wird und er als alleinige Stromquelle nicht für den Betrieb der Uhr ausreicht. Man kann den Energy Harvester jedoch dafür Nutzen, um die Lebensdauer einer Batterie zu erhöhen. Bei einer Batterie-Lebensdauer von 520 Tagen kann man mithilfe des Energy Harvesters beispielsweise Energie für zusätzliche 28 Tage gewinnen.

Fazit

Das Projekt machte deutlich, dass Radiowellen nur eine sehr geringe Energiedichte besitzen und eine Energieernte von wenigen Mikrowatt nicht ausreicht, um damit ein Gerät wie eine Wanduhr zu betreiben. Zwar wurde deutlich, dass das Prinzip des elektromagnetischen Energy Harvestings funktioniert, die gewonnene Energie aber nur sehr gering ist und dadurch das Energy Harvesting unwirtschaftlich wird. Zu beachten ist jedoch, dass es aufgrund der geringen Projektzeit und insbesondere des geringen Budgets von 20€ nur geringe Möglichkeiten bei der Realisierung der Schaltung gab.

Weiteres Vorgehen

Bei einer Fortsetzung des Projektes ist zunächst an der Optimierung der Schaltung anzusetzen. Dabei sollte man einerseits verschiedene Bauelemente kombinieren (z.B. der Einsatz von Silicium-Kondensatoren) und andererseits verschiedene Antennen (WLAN, Bluetooth etc.) testen, um eine möglichst hohe Energieausbeute zu erreichen. Dies ist jedoch nur mit einem höheren Projektbudget möglich, weil eine Vielzahl an Schaltungen getestet werden muss. Sobald die Schaltung mit der besten Energieausbeute gefunden wird, kann man ein entsprechendes Platinenlayout erstellen und mithilfe der Platine einen kompakten Energy Harvester bauen. Aufgrund der Erfahrungen aus diesem Projekt sowie weiteren Recherchen im Internet ist jedoch zu bezweifeln, dass mit einem Energy Harvester Ströme geernetet werden können, die zum Laden eines Handyakkus ausreichen.

Youtube Video

Zu diesem Projekt wurde ein Youtube-Video erstellt. Link

Lessons Learnd

• Selbstständige Planung, Durchführung, Präsentation und Dokumentation eines technischen Projektes
• Praktische Erfahrungen im Umgang mit elektrischen Schaltungen und Messungen
• Anwendung theoretischer Kenntnisse aus Lehrveranstaltungen für einen praktischen Nutzen
• Organisation und Teamarbeit
• Simulation von Schaltungen und Umgang mit entsprechender Software

Quellen

[1] http://www.spektrum.de/lexikon/physik/antenne/591

[2] http://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetisches_Spektrum

[3] http://fishtnk.com/responsivearchitecture/proposal-further-development-of-the-lightscape-2/

[4] http://www.hobby-bastelecke.de/grundlagen/stromrichter_gleichrichter.htm

[5] http://www.microcontroller.net

[6] http://theorie1.physik.uni-erlangen.de/teaching/2011s/fa2011_sarntal/wp-content/uploads/2011/09/energy_harvesting.pdf

[7] http://de.wikipedia.org/wiki/Energy_Harvesting

[8] http://www.elektroniknet.de/power/energiespeicher/artikel/80438/1/

Weiterführende Links

• Elektrotechnik Fachpraktikum WS 13/14 - Projekt 17: Energy Harvesting
• Electronic Harvester von Dennis Siegel
• c't-Artikel
• Youtube Clip

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