Energy Harvesting – Thermoelektrisch

Energiegewinnung durch Temperaturunterschiede

Thermoelektrische Energieversorgung

Was ist thermoelektrisches Energy Harvesting?

Es ist die Nutzung von Wärme- oder Kältequellen zur Versorgung von elektrischen Geräten mit Energie.

Der sogenannte Seebeck-Effekt wird bei der Energiegewinnung aus Temperaturdifferenzen genutzt. Hierbei fließt ein elektrischer Strom zwischen zwei Kontaktstellen zweier elektrischer Leiter, die eine unterschiedliche Temperatur haben. Da die Spannungen, die durch den Seebeck-Effekt erzeugt werden, extrem klein sind (wenige Mikrovolt pro Grad Temperaturunterschied), forscht das Fraunhofer IIS seit einigen Jahren daran, kleinste Spannungen und Energiemengen durch elektrische Schaltungstechnik nutzbar zu machen und den Energiebedarf von elektrischen Systemen zu verringern. Unsere aktuellen Entwicklungen können bereits mit 2 Grad Kelvin dauerhaft betrieben werden.

Fraunhofer IIS im IDTechEX TV

Wie das thermoelektrische Armband vom Fraunhofer IIS funktioniert, erklärt Dr. Peter Spies im IDTechEX TV während des Kongresses.

Datenschutz und Datenverarbeitung

Wir setzen zum Einbinden von Videos den Anbieter YouTube ein. Wie die meisten Websites verwendet YouTube Cookies, um Informationen über die Besucher ihrer Internetseite zu sammeln. Wenn Sie das Video starten, könnte dies Datenverarbeitungsvorgänge auslösen. Darauf haben wir keinen Einfluss. Weitere Informationen über Datenschutz bei YouTube finden Sie in deren Datenschutzerklärung unter: http://www.youtube.com/t/privacy_at_youtube

© IDTechEX TV

Herausforderungen

Die Realisierung eines effizienten thermischen Harvesting-Systems steht vor unterschiedlichen Herausforderungen. Zunächst muss eine gute Wärmeleitfähigkeit von der Wärmequelle zum thermoelektrischen Generator (TEG) und vom TEG zum Kühlkörper und zur Umgebung realisiert werden. Thermische Simulationen berücksichtigen die Eigenschaften und Abmessungen der beteiligten Materialien und Bauelemente und berechnen die optimale Konfiguration für den besten Wärmefluss. Darüber hinaus muss eine gute elektrische Anpassung zwischen dem TEG und dem elektronischen Power Management gewährleistet sein. Für diesen Zweck werden optimierte Spannungsregler verwendet, die wenn nötig auch Techniken zur Anpassung des Punkts maximaler Leistungsabgabe (MPPT) verwenden, wenn der Temperaturgradient eine gewisse Variabilität aufweist. Um auch kleinste Mengen von Energie aus der Umgebung zu nutzen, wie am menschlichen Körper oder an Gebäuden, können Spannungs-Aufwärtswandler mit extrem niedriger Startspannung verwendet werden, um mit den kleinsten Spannungspegeln von TEGs zu arbeiten. Schließlich muss ein hocheffizienter Laderegler zur Speicherung der Energie in einem anwendungsspezifischen Energiespeicher entwickelt werden.

Unter Berücksichtigung der oben genannten Herausforderungen ist ein multidisziplinärer Ansatz, einschließlich Materialwissenschaften, Physik und Elektrotechnik, erforderlich, um zu einer energie- und kosteneffizienten Energieversorgung zu gelangen.

Unsere Entwicklungen mit thermoelektrischer Energieversorgung

Wir entwickeln Generatoren, Powermanagement-Schaltungen und komplette Energieversorgungssysteme bestehend aus Wandler, Speicher und Powermanagement.

 

Sensormodul BlueTEG

Das Sensormodul BlueTEG vom Fraunhofer IIS hat eine integrierte Energieversorgung und kommuniziert über eine Bluetooth Low Energy Funkverbindung. Es gewinnt seine Energie vollständig über Thermogeneratoren und einem speziellen Spannungswandler des Fraunhofer IIS. Die Sensordaten für Temperatur und Beschleunigung werden per Bluethooth übertragen.

 

BlueTEG Pipe

Das Fraunhofer IIS hat für industrielle Anwendungen den Sensor BlueTEG Pipe mit thermoelektrischer Energieversorgung entwickelt. BlueTEG Pipe nutzt Temperaturdifferenzen an Rohren, Versorgungsleitungen oder Maschinen zur Energieversorgung. Der Sensor misst Werte wie die Temperatur, Feuchtigkeit oder die Erdbeschleunigung und sendet diese via Bluetooth Low Energy an ein Tablet. Mit dieser Form der Energiegewinnung versorgen sich Sensoren und Funkelektronik autark aus der Umgebung. Aufwendige Stromkabel oder regelmäßige Batteriewechsel gehören der Vergangenheit an.

 

DC-DC Wandler ASIC

Durch unseren hocheffizienten Spannungswandler kann schon die kleinste Menge an Energie aus der Umgebung effizient genutzt werden. Er arbeitet mit einer minimalen Eingangsspannung und wandelt diese in eine höhere Ausgangsspannung um. Dadurch können z. B. thermoelektrisch versorgte Funksensoren mit Energie aus einer kleinen Temperaturdifferenz betrieben werden und kommen so ohne lästigen Batteriewechsel oder aufwendige Verkabelung aus.

Maximum Power Point Tracker

Der Maximum Power Point Tracker sorgt für eine optimale Anpassung zwischen Energiewandler wie Thermogenerator oder Solarzellen und Energiespeicher. Dieses System garantiert damit eine maximale Energieausbeute bei minimalem Eigenenergieverbrauch.

 

Energieautarkes Trackingsystem

Durchgängige und energieeffiziente Lokalisierung von Waren, Personen und Tieren wird durch das modulare, energieautarke Trackingsystem möglich. Hierbei wurde die satellitengestützte Navigation mit Lokalisierung in drahtlosen Sensornetzen und eine Energieversorgung durch Energy Harvesting kombiniert.

Unser Angebot

  • Hochintegrierte Spannungswandler: Anlaufspannungen unter 20 mV und hoher Wirkungsgrad bis zu 90%
  • Laderegler und Batteriemanagement-Schaltungen: Effizientes Laden von verschiedenen Arten von Energiespeichern mit optionaler Ladezustandsschätzung
  • Maximum Power Point Tracker für Spannungswandler zur automatischen Impedanzanpassung
  • Charakterisierung von thermoelektrischen Harvestern: Laborgeräte zur Erzeugung definierter thermischer Differenzen und zur Messung der Ausgangsleistung in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern
  • Thermische Modellierung und Simulation: Software-Tools zur Modellierung thermoelektrischer Generatoren, Kühlkörpern und Schnittstellenstrukturen zur Optimierung von Wärmefluss und Leistungsabgabe