energy harvesting michael franz silja-fabienne tischler 07.06.2011

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Energy Harvesting Michael Franz Silja-Fabienne Tischler 07.06.2011

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Page 1: Energy Harvesting Michael Franz Silja-Fabienne Tischler 07.06.2011

Energy HarvestingMichael Franz

Silja-Fabienne Tischler

07.06.2011

Page 2: Energy Harvesting Michael 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

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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

Page 26: Energy Harvesting Michael Franz Silja-Fabienne Tischler 07.06.2011

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

Page 27: Energy Harvesting Michael Franz Silja-Fabienne Tischler 07.06.2011

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

Page 28: Energy Harvesting Michael Franz Silja-Fabienne Tischler 07.06.2011

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

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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