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Sie werden jetzt zunehmend durch den Einsatz so genannter Energy-Harvester gelöst Diese entziehen die benötigte Energie ihrer jeweiligen Umgebung Mithilfe der Energy-Harvesting-Techik lassen sich sehr breit verfügbare ‚Primär-Energiequellen‘ nutzen, so etwa Abwärme aus warmen und heißen Prozessen, aus Roll- und Reibbewegungen Mithilfe der Energy-Harvesting-Techik lassen sich sehr breit verfügbare ‚Primär-Energiequellen‘ nutzen, so etwa Abwärme aus warmen und heißen Prozessen, aus Roll- und Reibbewegungen.

Kabellose Sensornetzwerke: Die günstigste Art der Energieversorgung ist die Gewinnung aus dem technologischen Prozess.

Das Unternehmen Micropelt hat für die Nutzung von Umgebungswärme die sogenannten Thermogeneratoren (TEG) entwickelt. Prinzipiell beruhen diese auf der bekannten Peltier-Technik, allerdings in stark miniaturisierter Form. Auch sie bestehen aus einer Reihenschaltung von gegensätzlich dotierten Halbleiter-Segmenten. Micropelts mikrostrukturierte Thermogeneratoren beseitigen jedoch viele Nachteile der herkömmlichen Peltier-Technik, indem sie hunderte von Thermopaaren auf wenigen Quadratmillimeter Chipfläche integrieren. Ein Thermogenerator des Typs MPG-D751 mit nur 14 mm² Fläche und 1 mm Höhe liefert mit seinen 540 Thermopaaren bei 10 °C anliegender ‚Netto‘- Temperaturdifferenz eine Leerlaufspannung von 1,4 V und eine Ausgangsleistung von etwa 2 mW. Dabei liegt der Innenwiderstand bei 340 Ohm. Der genau halb so große MPG-D651 hat mit 75 mV/K noch eine etwas höhere spezifische Thermospannung bei etwa 190 Ohm Innenwiderstand.

Damit am TEG eine Temperaturdifferenz entstehen kann, muss ein Wärmefluss durch den ‚Doppelchip‘ gewährleistet sein. Zur Leitung des Wärmestroms dient der thermische Pfad: Dazu zählen alle Bauteile und Wärmeübergänge, die benötigt werden, um die Wärme am heißen Ort aufzunehmen, möglichst vollständig durch den TEG zu leiten und dann an ein kälteres Medium – meist die Umgebungsluft – abzuführen.
Wenn auf direkt integrierte Elektronik keine Rücksicht genommen werden muss, kann der TEG bei Heißseitentemperaturen von bis zu 200 °C betrieben werden. Das Leistungsoptimum liegt materialbedingt jedoch bei etwa 140 °C.

Zur vollständigen Deckung des Energiebedarfs für möglichst viele, auch anspruchsvolle Sensoren, hat Micropelt zudem eine energieoptimierte Energiequelle entwickelt. Der als Nahfeld-Harvester bezeichnete TE-Power PROBE hat etwa die Form und Größe eines schlanken Heizkörperventils. Er wird mittels eines kurzen Kabels an ein Endgerät angeschlossen. Mit dieser Vorrichtung lässt sich die Energieversorgung über die Harvesting-Leistung hinaus optimieren. Dazu wird die im näheren Umfeld des Verbrauchers am besten geeignete Wärmequelle genutzt. Dieser ‚Hot-Spot‘ ist zuvor zu ermitteln, etwa mit dem TE-Power NODE, mit eine Infrarotkamera oder durch Punktmessungen. Ein optimierter thermischer Pfad und zwei Verbindungsoptionen zur Wärmequelle sorgen selbst im ungünstigsten Fall für eine Verdoppelung der verfügbaren Energie im Vergleich zum TE-Power NODE.
Die Standard-Variante des TE-Power PROBE, mit dem Anhängsel ‚/t‘ für Thread – Gewinde gekennzeichnet, lässt sich in einen an der Wärmequelle angebrachten Adapter oder direkt in die Wärmequelle einschrauben. So entstehen nur relativ geringe thermische Übergangsverluste.

Kongress und Konferenz

Energy Harvesting & Storage Europe
Am 15. und 16. Mai 2012 findet in Berlin Europas größter Kongress über Grundlagen und Anwendung von Energy Harvesting & Storage mit angeschlossener Fachausstellung und Masterclasses statt. Parallel dazu wird auch in diesem Jahr wieder die IDTechEx – Konferenz „Sensor Networks & RTLS“ abgehalten. Konferenzsprache ist Englisch.
Themen bei dieser Veranstaltung sind unter anderem:

  • Case Studies: Einschätzung der Effizienz von Energie-Harvestern
  • Techniken der Energiespeicherung: Batterien und Speicherkondensatoren
  • Analyse von Märkten und Technologien
  • Neueste technische Entwicklungen und Trends

www.idtechex.com/energy-harvesting-europe

Liefert ein heißes, strömendes Medium ständig neue Wärmeenergie für den Harvester, so entfallen die Abkühlung der Entnahmestelle und auch die Koppelverluste an der Schnittstelle. Dieses Harvesting-Szenario findet sich an Heizkreisläufen in der Hydraulik, an Rohren in der Prozesstechnik sowie an Schmierkreisläufen. Micropelt hat für solche Fälle den thermisch direkt ans Fluid koppelbaren TE-Power PROBE /f entwickelt. Zum Anschluss dient hier ein einfaches T-Stück. Die Temperatur des Fluids kann für die gleiche Energieausbeute einige Grad geringer ausfallen als eine Festkörper-Heißseite.

Während typische Harvester-Ausgangsleistungen im Bereich einiger Hundert Mikrowatt bis einiger mW liegen, gewinnt der TE-Power PROBE aus einem Brutto-Gradienten von 80 K etwa 20 mW. Dem gegenüber sind zur Datenübertragung durch ULP-Funksysteme aber Maximalleistungen von etwa 40 mW bis zu einigen 100 mW erforderlich. Kein Harvester ist in der Lage, solche Leistungsspitzen direkt zu erzeugen. Die Lösung dieses Problems besteht darin, einen Teil des vom Gleichstromwandler kommenden Energiestroms, der nach Versorgung des Ruhemodus des angeschlossenen Systems noch übrig bleibt, zunächst in einem geeigneten Energiespeicher zu sammeln.

Kontakt:
Micropelt
Tel.: 0761 1563370
Email: info@micropelt.com
www.micropelt.com