Energy Harvesting

Entwicklung eines energieautarken Sensorsystems

10. März 2014, 15:39 Uhr | Von Stephan Benecke und Rolf Thomasius

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Entwicklung thermoelektrischer Wandler

Die Nutzung von Temperaturgradienten stellt eine potenziell gut geeignete Quelle für das Energy Harvesting in industriellen Umgebungen dar. An einem exemplarischen Einsatzszenario konnten an elektrischen Antrieben Oberflächentemperaturen von über 60 °C bei moderaten Temperaturen der umgebenden Raumluft bei 30 °C gemessen werden [3].

In dem hier erläuterten Beispiel wurden thermoelektrische Halbleiter auf Basis von Bi2Te3-Verbindungen eingesetzt, die in Form thermisch parallel und elektrisch seriell verschalteter Schenkel in einem Thermoelement mit einer Grundfläche von 2,25 cm² verbaut sind. Durch den zugrundeliegenden Seebeck-Effekt entsteht bei einem gerichteten Wärmefluss durch das Element eine Ausgangsspannung von weniger als 10 mV. Die Aufbereitung der vergleichsweise geringen Ausgangsspannungen makrotechnischer, thermoelektrischer Wandler für die Versorgung von Mikrosystemen ist mit derzeit kommerziell verfügbaren Komponenten bei einem Wirkungsgrad unterhalb von etwa 20 % möglich. Bei der Auswahl des Zwischenspeichers wurden Spitzen- und Leckströme sowie die Kapazität vor dem Hintergrund des zu realisierenden Duty Cycle in Betracht gezogen. Für das vorliegende Zielszenario im Bereich der Zustandsüberwachung wurden Messung, Datenverarbeitung und Kommunikation per proprietärem Funkstandard mit einer Basisstation im 20-Minuten-Takt realisiert. Der gewählte Ultracap bietet darüber hinaus hinreichende Kapazitäten zur Überbrückung von Zeitfenstern bis zu einer Stunde, in denen das Minimum an wandelbarer Umgebungsenergie unterschritten wird.

Die Optimierung des thermischen Pfades ist bei derartigen Systemen der Schlüssel zum Erzielen eines hohen Maßes an Integrationsdichte und Effizienz. Für die Teilproblemstellung wurden daher unter Berücksichtigung aller limitierenden Randbedingungen bzgl. Einbauort und maximaler Systemgröße Kühlkörpergeometrien untersucht.

Anbieter zum Thema

zu Matchmaker+
Simulationsergebnisse der Temperaturverteilung am Gehäuse eines thermoelektrischen Energiewandlersystems bei forcierter Konvektion von v = 1 m/s
Bild 3. Simulationsergebnisse der Temperaturverteilung am Gehäuse eines thermoelektrischen Energiewandlersystems bei forcierter Konvektion von v = 1 m/s.
© Fraunhofer IZM

Voraussetzung war hierbei die Eignung zur Integration in das Sensorgehäuse unter optimaler thermischer Anbindung des Thermoelementes an Umgebungsluft und Heißseite des Motorblocks. Unter Anwendung thermofluidischer Simulation wurde der Einfluss der Anströmungsbedingungen an lokal variierenden Messstellen in der Nähe des Einbauortes untersucht. Dabei wurde der Parameter Luftgeschwindigkeit bei konstanter Anfangstemperatur im Bereich von 0 m/s (natürliche Konvektion) bis hin zu einer Geschwindigkeit von 1 m/s variiert (Bild 3).

Letztere Werte wurden in der Nähe von Gebläsen zur Kühlung der elektrischen Antriebe gemessen. Die technische Grenze für die Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems ist durch die erforderliche Schwellwertspannung des DC/DC-Wandlers bestimmt. Für den besonderen Fall natürlicher Konvektion ist eine Umstellung von Aluminium auf Kupfer notwendig: Nur so lässt sich der minimal erforderliche Temperaturgradient am Thermoelement erzielen, ohne geometrische Änderungen am Gehäuse vornehmen zu müssen. Alle Aufbauten wurden in Versuchsanordnungen und im Feld verifiziert, wobei Abweichungen bis zu 10 % gegenüber dem Simulationsmodell auftraten. Der definierte Arbeitsbereich des Energy-Harvesting-Systems ist auf Anströmbedingungen oberhalb von 0,2 m/s festgelegt; ab diesem Punkt kann bei einer durchschnittlichen Ausgangsleistung von 480 µW der minimal geforderte Duty Cycle der Anwendung erzielt werden.

Entwicklung piezoelektrischer Wandler

An Einbauorten mit starken lokal verfügbaren und reproduzierbaren Schwingungsmustern können elektromechanische Energy-Harvesting-Systeme hinsichtlich ihrer Eignung für das Applikationsszenario in Betracht gezogen werden. Vorteile liegen in der Möglichkeit zu kompletten Unterbringung aller funktionalen Komponenten der Energiewandlungskette in einem kompakten Gehäuse. Dies erfordert jedoch gleichzeitig einen optimierten mechanischen Pfad zur Übertragung der Schwingungen an der Oberfläche des übergeordneten technischen Systems auf den Funktionswerkstoff. Einsatzpotenziale derartiger Wandler liegen vor allem im Transportwesen oder der Prozessautomatisierung. Als Beispiel wird hier eine resonante piezoelektrische Biegebalkenstruktur herangezogen, die für Elektromotoren mit einer Frequenz von 60 Hz ausgelegt wurde.

Die Beschreibung des elektromechanischen Verhaltens beginnt mit einem klassischen mechanischen Feder-Masse-Modell, welches um weitere Komponenten zur Beschreibung sowohl des elektrischen Pfades als auch der Rückkopplung auf die Dämpfung des schwingenden Aufbaus erweitert wird. Hieraus lassen sich für die zugrunde gelegten quell- und lastseitigen Leistungsprofile bereits erste Anforderungen an Geometrie- und Materialparameter ableiten. Der Aufbau wurde auf Basis des Funktionswerkstoffes Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) konstruiert. Bei einseitiger mechanischer Fixierung und Krafteinleitung werden diese piezoelektrischen Keramiken im Transversalmodus betrieben. Durch Vibrationen hervorgerufene Auslenkungen an der Spitze des Biegebalkens führen zu mechanischen Spannungen im Kristall, welche eine Polarisierung und damit elektrische Spannung zwischen den Oberflächenelektroden des Balkens hervorrufen. Dabei besteht für die bevorzugte Anregungsrichtung ein verhältnismäßig hohes Verhältnis zwischen mechanischer Spannung und erzeugter Polarisierung.

Auf Basis von Finite-Elemente-Methoden wurden der erste Eigen-Mode und die Potenzialverteilung an den elektrischen Kontakten der Biegebalkenstruktur optimiert. Materialstärken des Schichtaufbaus sowie Einspannungsbedingungen wurden an die Anforderungen der Applikation angepasst. Ziel war hierbei, unter den vorgegebenen Gehäuseabmessungen im Bereich weniger Zentimeter Kantenlänge und -breite eine Leistung von mehr als 1 mW bereitstellen zu können.

Erster Eigen-Mode des piezoelektrischen Biegebalkens: Deformation im ersten Eigen-Mode bei 60 Hz, Ergebnis der Laser-Scanning-Vibrometrie
Bild 4. Erster Eigen-Mode des piezoelektrischen Biegebalkens: Deformation im ersten Eigen-Mode bei 60 Hz, Ergebnis der Laser-Scanning-Vibrometrie.
© Fraunhofer IZM

Dabei wurde für das Applikationsszenario eine Bandbreite von ±5 Hz um die Resonanz bei Beschleunigungsamplituden oberhalb von 1 g zugrunde gelegt. Untersuchungen zur Verifizierung der Ausgangsleistung des Energy Harvester wurden zunächst an einer variablen, rein ohmschen Last durchgeführt. Vibrationsprofile aus dem Feld wurden dabei an einem elektrodynamischen Shaker im Labor reproduziert.

In Kombination mit einem Laser-Scanning-Vibrometer lässt sich so die Deformation an der Oberfläche des Aufbaus bestimmen. Die messtechnische Untersuchung des Transmissionsverhaltens gibt dabei Auskunft über die präzise Lage der Resonanzfrequenzen und die Dämpfung und erlaubt so einen Abgleich mit dem abstrahierten Modell zur Beschreibung der Energiewandlungskette (Bild 4). Letzteres wurde analog zum thermoelektrischen Wandler im weiteren Designprozess eingesetzt, um Effekte von Parametern des Gleichrichters, des Energiespeichers und entsprechenden Spannungswandlern aus Gesamtsystemsicht zu optimieren.


  1. Entwicklung eines energieautarken Sensorsystems
  2. Entwicklung thermoelektrischer Wandler
  3. Anwendungsbeispiele

Verwandte Artikel

Fraunhofer IESE (Institut für Integrierte Schaltungen)