Energy Harvesting

Elektrische Leistung aus der Energie von Maschinen-Vibrationen

31.03.2008 | Autor / Redakteur: Bernd Folkmer* / Andreas Mühlbauer

Die PowerCubes können Systeme wie Sensoren autonom mit Energie versorgen

Die Einsatzdauer der meisten Mobilgeräte ist in erster Linie durch ihre Energiequelle beschränkt. Gelingt es jedoch, die Energie aus der Umwelt zu nutzen, lassen sich völlig autonome Systeme entwickeln. Entwickler des Instituts für Mikro- und Informationstechnik arbeiten an mikromechanischen Systemen, die Schwingungs- und Vibrationsenergie in elektrische Leistung umsetzen.

Seit einigen Jahren werden große Anstrengungen unternommen, drahtlose Sensornetzwerke in unterschiedlichsten Bereichen zu etablieren. Dabei stellen die technischen Lösungen zur Energieversorgung des Sensorknotens eine Schlüsselkomponente dar. Bei der Verwendung von erschöpflichen Energiespeichern oder der Nahfeldkopplung stellen die Anforderungen an Wartungsaufwand, Robustheit oder Reichweite oft ein K.O.–Kriterium dar.

Ein Lösungsansatz dafür liegt im so genannten „Energy Harvesting“, dem „Ernten“ von Energie aus der Umgebung, wie beispielsweise Vibrationen, Stöße, Wärme oder Strahlung, mit geeigneten Mikrogeneratoren. Diese sind in der Lage, Energie direkt am Einsatzort des jeweiligen Sensorknotens in elektrische Energie zu konvertieren. Damit lassen sich wartungsfreie Wireless-Sensorsysteme mit theoretisch unbegrenzter Lebensdauer realisieren.

Die Gruppe „Energieeffiziente Autonome Systeme“ am Institut für Mikro- und Informationstechnik der Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung (HSG-IMIT) arbeitet in Kooperation mit industriellen Partnern an der Entwicklung neuartiger Komponenten und Systemlösungen zur Nutzung der Umweltenergie als Alternative zu Batterien, Akkus und Ladegeräten.

Labormuster eines Energy Harvesters
Labormuster eines Energy Harvesters

Im Mittelpunkt der Arbeiten stehen Prototypen solcher Mikrogeneratoren oder „Energy Harvester“. Sie erzeugen elektrische Energie für mobile Geräte wie autonome Sensoren sowie Mess- und Regelsysteme aus Bewegungen und Vibrationen der Umgebung.

Erklärtes Ziel ist es, diese mobilen Geräte langfristig immer unabhängiger von einer externen Stromversorgung durch Batterien, Akkus oder Netzspeisung zu machen und damit neue Einsatzbereiche und Anwendungen zu erschließen. Heutige Energiespeicher erlauben lediglich eine begrenzte Betriebsdauer, sind nur befristet einsetzbar, erhöhen die Wartungskosten und sind aufwändig und teuer in der Entsorgung.

Energie von Schwingungen optimal nutzen

Labormuster eines Energy Harvesters
Labormuster eines Energy Harvesters

Schwerpunkte der Arbeiten am HSG-IMIT liegen derzeit auf kinetischen Wandlern auf Basis kapazitiver, induktiver und piezoelektrischen Prinzipien und reichen von mikrotechnischen Kleinstgeneratoren mit Ambesungen von wenigen Millimetern bis hin zu robusten Lösungen mit einigen hundert mW Ausgangsleistung für extreme Umgebungsbedingungen.

Neben dem ausgewählten Einsatz unterschiedlicher physikalischer Wirkprinzipien für die Energiewandlung spielt die Einkopplung der Schwingungs- und Stoßenergie in das Mikrosystem eine zentrale Rolle. Zusätzlich zu klassischen schwingfähigen Systemen sind auch rotatorische und/oder nicht-federnde Harvester realisierbar. Das Ziel dabei ist es, die üblicherweise niedrigen und veränderlichen Frequenzen alltäglicher Vibrationen bestmöglich zu nutzen.

Mit den Entwicklungsschwerpunkten in den Bereichen neuartige Ladekonzepte, Low-Power- und Low-Voltage-Schaltungstechnik sowie Wireless-Anbindungen arbeiten die Entwickler des Institutes derzeit an Lösungen für folgende Branchen:

  • Automatisierungstechnik, Produktionstechnik,
  • Automotive-Anwendungen,
  • Medizintechnik,
  • Consumer-Produkte sowie
  • mobile Kleingeräte aller Art.

Simulation der Energy Harvester als mechatronisches System

Für den „virtuellen Betrieb“ des Vibrationswandlers wird ein mechatronisches Ersatzmodell aufgestellt, welches in der Lage ist, realitätsnahe Effekte abzubilden. Das Modell stellt im Kern ein Feder–Masse–Dämpfer-System dar. Die innere Auslenkung ist darin durch einen mechanischen Anschlag (plastischer Stoß) modelliert. Weiter lassen sich nichtlineare Feder– und Dämpfungseffekte abbilden. Als Anregungsfunktion wird ein am Kfz gemessenes stochastisches Vibrationsprofil verwendet. Die durch den Generator erzeugte Spannung liegt an einem Vollbrückengleichrichter mit RC–Glied als Last an. Der virtuelle Betrieb ermöglicht es, zahlreich wichtige Eigenschaften und Abhängigkeiten der Systeme zu untersuchen.

Erste Prototypen haben gezeigt, dass sich unter Verwendung von Optimierungsverfahren und der Systemsimulation mit dem mechatronischen Ersatzmodell deutliche Vorteile in der Performance von miniaturisieren Vibrationswandlern erreichen lassen.

Energy-Harvester für Mess- und Regelsysteme

Energy-Harvester-Demonstaratoren
Energy-Harvester-Demonstaratoren

Die Beobachtung von Betriebszuständen und Prozessen – das so genannte „Condition Monitoring“ – gewinnt zusehends an Bedeutung, insbesondere bei der Überwachung moderner Maschinen und „intelligenter“ Werkzeuge in der Fertigungstechnik. Im Rahmen eines gemeinsamen Verbund-Vorhabens werden befinden sich derzeit anwendungsnahe, fertigungsgerechte Varianten eines innovativen kinetischen Energie-Generators auf Basis erster bereits bestehender Vorarbeiten und Demonstratoren in der Entwicklung.

Erst die Verfügbarkeit derartiger Energy-Harvester ermöglicht eine Realisierung wartungsarmer, energieautarker mikrosystemtechnischer Sensorsysteme, die sich beispielsweise in Werkzeuge und Fertigungshilfsmittel zur Betonsteinfertigung integrieren lassen.

Zur Fertigung von Betonsteinen sind Formen notwendig, durch die die gewünschte Geometrie der Produkte definiert wird. In diesen Formen wird der Betonwerkstoff im Rahmen des Fertigungsprozesses unter hohem Druck und sehr starken Vibrationen (einigen 100 g) verdichtet.

Ein wichtiges Ziel ist die Verfügbarkeit eines mikrosystemtechnischen Sensorsystems zur Erfassung von Prozessdaten bei der Beton-Verdichtung. Dies sind beispielsweise Beschleunigungen, die die Überwachung des Schwingungsverhaltens von Form und Produktionsanlage ermöglichen, später sollen zudem Temperatur und Feuchte kontrolliert werden. Diese Aufgabenstellung unter den Randbedingungen der rauen Produktionsumgebung im Betonwerk erfordert ein in die Form integriertes, kontinuierlich arbeitendes, autonomes vernetztes Sensorsystem.

Beschleunigungen bis 1000 g

Der PowerCube (links) macht das Funkmesssystem energieautonom
Der PowerCube (links) macht das Funkmesssystem energieautonom

Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung eines kinetischen Energiegenerators auf Basis bestehender Vorarbeiten zur Sicherung der energetischen Systemautonomie. Hierbei stehen die Überführung in eine anwendungs- und fertigungsgerechte Konstruktion im besondern Fokus.

Der Generator nutzt über ein induktives Wandlerprinzip die Vibrationskräfte, die im Fertigungsprozess auftreten zur Erzeugung elektrischer Energie. Ein Überleben des Systems bei Beschleunigungen bis 1000 g ist dabei sicherzustellen. Wichtige, bisher noch nicht erreichte, geforderte Merkmale sind die Integration des Energy Harvesters in die Formsysteme des Herstellers Rampf und die Bereitstellung einer im Messbetrieb kontinuierlichen Leistung zum Betrieb einer funkbasierten Echtzeitprozessüberwachung im rauhen Industrieumfeld.

Durch Vorarbeiten der beteiligten Partner Rampf Formen GmbH und CADWalk GmbH ließ sich anhand von Demonstratoren die grundsätzliche Machbarkeit eines autonomen Messsystems nachweisen. Zu beachten ist allerdings, dass die Anforderungen an ein integriertes System zur kontinuierlichen Prozessüberwachung noch nicht erreicht werden.

Der „PowerCube“, wie er derzeit vorliegt, ist für Versuche außerhalb des Produktionsbetriebes ausgelegt und wird über Haftmagnete extern an den Formen angebracht. Er liefert bei einem Bauvolumen von etwa 6 cm x 6 cm x 6 cm einige hundert mW Ausgangsleistung.

Ein Demo-Sensorsystem, das ebenfalls für die externe Befestigung ausgelegt ist, ist in der Lage, zuverlässig Signale einer Beschleunigungsmessung mit Auflösung im ms-Bereich an einen Messrechner zu senden. Hierfür werden mikrotechnische Beschleunigungsaufnehmer eingesetzt.

*Bernd Folkmer ist Gruppenleiter „Energieautonome Systeme“ am Institut für Mikro- & Informationstechnik der Hahn-Schickard-Gesellschaft e.V. (HSG-IMIT) in Villingen-Schwenningen.

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