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Energy Harvesting für elektronische Systeme mit geringem Leistungsbedarf

Christoph Beisteiner

Ergebnisse aus der Masterarbeit wurden auf folgender Konferenz präsentiert:
"SENSOR+TEST 2013, Die Messtechnik-Messe, Nürnberg, Germany, 14.-16.5.2013". Titel der wissenschaftlichen Arbeit: "Thermo-Electric Energy Harvester for Low-Power Sanitary Applications".

In Zeiten enormen Energiebedarfs stellt diese Masterarbeit eine Lösung zur energieautarken Versorgung für sanitäre Anwendungen (Waschtisch-, Duscharmaturen, u.v.m.) vor. Im Detail wird eine Lösung für eine Sanitärarmatur präsentiert. Aus der hierbei zugrunde liegenden Temperaturdifferenz von Warm- und Kaltwasser ist eine elektrische Energiegewinnung durch Einbringen eines thermoelektrischen Generators über zwei Wärmetauscher in die Zuleitungen möglich.
Auf Grund des Seebeck-Effekts können bereits aus niedrigsten Temperaturdifferenzen (z.B. bei Umgebungstemperatur und Kaltwasser) Spannungen gewonnen werden, die groß genug sind, um spezielle DC/DC-Wandler zu betreiben.
Es wurde somit eine Schaltung entwickelt, die diese kleinsten Spannungen auf ein für die Sanitärarmaturen direkt verwertbares Spannungsniveau transformiert. Für hoch- und niedrigfrequentierte kombinierte Spülzyklen wurde eine Energiespeicherung mit einer Lithium-Ionen Zelle vorgesehen.
Für eine optimale Energieauslegung wird im weiteren eine theoretische Modellbildung des gesamten Systems präsentiert, welche eine Aussage über Temperaturen, Wärmeströme und gewonnene elektrische Leistung ermöglicht. Die Modellierung des thermischen Modells erfolgte dazu in Spice, um einerseits Recheneffizienz und andererseits die Kopplung mit elektrischen Verbrauchern bzw. Step-Up-Wandlern zu ermöglichen.
Als weiteren Teilbereich wurde zusätzlich ein verbessertes optisches Sensorsystem entwickelt, das die Schwächen der bisherigen Sensorssysteme der Sanitärarmaturen reduziert und den Energiebedarf senkt.
Abschließend werden noch Messergebnisse eines alternativen thermoelektrischen Materials vorgestellt.

Abbildung 1: Der realisierte Energy Harvester für Sanitäranwendungen

Abbildung 1: Der realisierte Energy Harvester für Sanitäranwendungen

Keywords: Energy Harvester, Thermoelektrische Modellbildung, Thermoelektrischer Generator, Wärmetauscher

12. März 2013

Arbeit gesperrt ab 14.03.2013 auf 5 Jahre.