Energy Harvesting Michael Franz Silja-Fabienne Tischler 07.06.2011.
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Energy HarvestingMichael Franz
Silja-Fabienne Tischler
07.06.2011
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Strukturierung
Allg. Definition „Energy Harvesting“
Arten der Energiegewinnung
Einzelne Beispiele für Energy Harvesting Module
Realisierungsmöglichkeiten und deren Vor- und Nachteile
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Allgemeine Definition
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Allgemeine Definition Energy Harvesting – „Energie Enten“ Gewinnen von Energie aus der Umgebung Häufig in Verbindung mir Sensorsystemen mit
Funkübertragung, z.B. für die Gebäudeüberwachung
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Energiegewinnung
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Energiegewinnung
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Energiegewinnung
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Energiegewinnung Funkwellen
Energieaufnahme durch Antennen Energieausbeute je nach Frequenz und Signalstärke Funksignale stark beeinträchtigt durch Metall Höherer Wirkungsgrad als Solarzellen
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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
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Energy Harvesting Module
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Energy Harvesting Module
Straßenelemente Auf der Fahrbahn installierte
Kinetische Platten Bei langsamen
Fahrbahnabschnitte, wo der Fahrer zum langsamen Fahren gezwungen ist.
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Energy Harvesting Module Bodenelemente Tanzfläche in einer Diskothek besteht aus einzelnen
energieerzeugenden Bodenplatten in Londoner U-Bahn-Station auf Gehwegen in Toulouse (Südfrankreich)
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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
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Realisierung an einer Hakenflasche
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
![Page 30: Energy Harvesting Michael Franz Silja-Fabienne Tischler 07.06.2011.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062318/55204d7049795902118c27b1/html5/thumbnails/30.jpg)
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