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Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Dokumentation
Seminar EMV-Messtechnik
„Würth Elektronik Energy Harvesting Solution To Go Kit“
eingereicht am: 09. April 2021
von: Christina Bertram
Vincent Szameitat
Pierre Bolz
Betreuer: Dr.-Ing. Mathias Magdowski
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Definition von Energy Harvesting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Aufbau und Beschreibung des Experimentierkits . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 Giant Gecko und Harvesting-Platine . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.2 Zusätzliche Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Inbetriebnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.1 Giant Gecko und Harvester-Platine . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.2 Handgelenksbasierter Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 Verwendung verschiedener Harvester 11
2.1 Photovoltaikmodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.2 Benutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Peltierelement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.2 Benutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Piezosensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.2 Benutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 Betrieb mit induktivem Harvester . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.1 Lautsprecher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.2 Wirbelstromgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3 Beispielprogramme der Software Simplicity Studio 28
3.1 Basisprogramm inttemp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 Programm blink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3 Programm touch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4 Programme clock und Programm burtc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.5 Programme biometric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4 Fazit 32
i
Literaturverzeichnis 34
A Beispielskript und Ablaufroutine 37
ii
Abbildungsverzeichnis
1.1 Übersicht der Energiequellen und deren Wandlungskette . . . . . . . . . . 2
1.2 Layout des Energy Harvesting Boards [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Layout des EFM32 Giant Gecko Starter Kits [8] . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 8 × 20-Segment-LCD-Display des Giant Gecko EFM 32 [8] . . . . . . . . . 5
1.5 Touch-Slider des Giant Gecko EFM 32 [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.6 Layout des EXP-Sensor-Adapters Si7013 und Si1146 (blau markiert) [7] . . 6
1.7 Messung von Herzfrequenz und Sauerstoffgehalt des Blutes über einen
Finger [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.8 Layout des EXP-Sensor-Adapters (rot markiert) [7] . . . . . . . . . . . . . 7
1.9 Verschaltung des Giant Gecko mit dem Layout des handgelenkbasierten
Sensors (rot) und der Harvester-Platine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.10 Sensor Si118x am Handgelenk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1 Funktionsprinzip einer Solarzelle [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Strom-Spannungs-Kennlinie Solarzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 Schaltplan Solarzelle und DC/DC-Wandler [3] . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 Schematische Darstellung des Peltier-Elements. [12] . . . . . . . . . . . . . 16
2.5 Schaltung des DC/DC-Wandlers LTC3108 [4] . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.6 Aufbau eines Piezosensors (grün: Quarzscheiben) [13] . . . . . . . . . . . . 18
2.7 Longitudinaler (links) und transversaler Piezoeffekt (rechts) [14] . . . . . . 19
2.8 MIDE V2 BL Piezo Generator [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.9 Piezo Trommelscheibe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.10 Schaltung des piezoelektrisches Energieversorgungsnetzteils LTC3588 [5] . . 21
2.11 Lautsprecher zur Verwendung als Harvester . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.12 Aufbau eines Tauchspulenlautsprechers [17] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.13 Oszillogramm der mithilfe des Lautsprechers erzeugten Spannung . . . . . 24
2.14 Magnetrad des Wirbelstromgenerators [19] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.15 Auszug aus der Montageanleitung des magniclight-Fahrradlampensystems [20] 26
iii
2.16 Wirbelstromgenerator in den Ausführungsvarianten als Fahrradbeleuchtung
(rechts) und zum Abgreifen einer elektrischen Spannung für Testzwecke
(links) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1 Interface des Simplicity Studios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2 Interface des Simplicity Studios: Hier ist der Reiter example projects and
demos dargestellt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
A.1 Musterbeispiel blink lässt eine LED blinken und ist Basisskript zum weiteren
Programmieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
A.2 Ablaufroutine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
iv
1 Einleitung
1.1 Definition von Energy Harvesting
In Zeiten der immer weiter ansteigenden Digitalisierung und Elektrifizierung von Geräten
des täglichen Gebrauchs stellt sich oft die Frage, inwiefern diese mit elektrischer Energie
versorgt werden können. Eine mögliche Antwort darauf könnte durch das Stichwort „Energy
Harvesting“ beantwortet werden.
Energy Harvesting beschreibt die Gewinnung von elektrischer Energie aus erneuerbaren
Quellen. Energy Harvesting basiert auf ähnlichen Konzepten wie die Energiegewinnung aus
erneuerbaren Quellen, jedoch handelt es sich um Energien mit geringer Leistung. Dazu zäh-
len drahtlose Sensornetzwerke, die zur Überwachung von Prozess- und Systemparametern
eingesetzt werden. Die Umwandlung von Verlustenergie der zu überwachenden Systeme
in nutzbare Energie ermöglicht einen langandauernden elektrischen Betrieb der Sensoren
und erhöht die Effizienz des zu überwachenden Systems, indem dessen Verlustenergie
sinnvoll genutzt wird. Abhängig von ihrer Höhe, kann die gewandelte Energie den autar-
ken Sensorbetrieb eigenständig ermöglichen oder wird zum Nachladen von aufladbaren
Energiespeichern genutzt, um die Betriebsdauer deutlich zu verlängern. Im Vergleich zu
Kraftwerken bzw. stationären Gebieten mit erneuerbaren Energien, sind Energy Harvester
nicht zwangsläufig an eine Position oder einen Standort gebunden. Es können in Abhän-
gigkeit der Applikation verschiedene Energiequellen genutzt werden. Ein Überblick der
diversen Quellen und deren Wandlungskette ist in Abbildung 1.1 dargestellt.
Weitere Einschränkungen sind die Größe des Geräts, sowie dessen Energieverbrauch. Beides
kann als als relativ klein angenommen werden. Die Technologie des Energy Harvestings
wird im Vergleich zum Betrieb mittels aufladbaren Batterien noch nicht so stark kommer-
ziell genutzt. Aus diesem Grund ist eine Verwendung nur dort wiederzufinden, wo Systeme
autark arbeiten müssen oder schwer zugänglich sind. Als Beispiel ist hier ein System zu
nennen, dass für die Überwachung von Trinkwasser zuständig ist und sich im Inneren
eines Versorgungsrohres befindet. Des Weiteren existieren auf Flughäfen Fahrzeuge, die
ständig geortet werden müssen. Für die Ortung ist es denkbar, dass eine Sendevorrichtung
über einen Harvester betrieben wird und ständig ein Signal an eine Kontrolleinheit auf
1
Energiequellen
Licht
Wasserströmung
Wind
Mensch
Maschine
Gebäude
Energieformen Solar Thermisch Mechanisch EM-Wellen
Wandlungskette
Photovoltaisch
Thermoelektrisch
Pyroelektrisch
Piezoelektrisch
Elektromagnetisch
Elektrostatisch
Antenne
Abbildung 1.1: Übersicht der Energiequellen und deren Wandlungskette
dem Flughafengelände überträgt. Somit könnte der Betrieb automatisiert und effizienter
ausgeführt werden. Als weitere Beispiele sind hier auch Parkautomaten, Armbanduhren
oder Taschenrechner zu nennen. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die Anwendungs-
möglichkeiten vielfältig sind und der Bedarf weiter steigen könnte, weshalb es sich lohnt
dieses Thema näher zu betrachten.
Die Technologie und der Einsatz des Energy Harvestings ist im Vergleich zum Konkurrenten,
der Batterie, noch nicht vollständig ausgereift und dadurch noch mit größeren technischen
und finanziellen Aufwand verbunden. Aus diesem Grund ist eine sinnvolle Anwendung nur
dort zu finden, wo ein Batteriebetrieb nicht möglich ist oder nicht ausreicht. Dies ist der
Fall, wenn eine Batterie vorzeitig entladen wird und ein Austausch unökonomisch ist, z.B.
bei steigenden Stückzahlen oder wenn die Applikation unzugänglich oder in Bewegung
ist. Die möglichen Anwendungen der Harvester zur Energieerzeugung sind vielfältig und
belaufen sich auf größere Systeme wie die Überwachung des Trinkwassers im Inneren
der Versorgungsleitung oder Ortungssysteme für Flughafenbodengeräte (GRE Stracking),
über Bodenplatten bis hin zu kleinen Systemen wie Parkautomaten oder Armbanduhren
mit integrierter Pulsmessung, Taschenrechner oder mobil zum Wandeln von menschlicher
Schrittenergie (noch in der Forschung). [1] [2]
Diese Arbeit behandelt die Wandlung von photovoltaischer, thermoelektrischer, piezo-
elektrischer und induktiver Energie in elektrische Energie. Dabei liegt der Fokus auf
2
dem „Solution to Go“-Demokit der Firma Würth Elektronik, das genau diese Prinzipien
vereinigt und veranschaulicht. Das Kit ist eine Komplettlösung für Energiegewinnung,
Energiemanagement und Energiespeicherung. Im Rahmen der Lehrveranstaltung „Seminar
EMV-Messtechnik“ ist das Kit u.a auf Lehrtauglichkeit getestet worden. Zusätzlich zu
dieser Arbeit sind ausgewählte Ergebnisse und Beschreibungen auf dem ergänzenden
Twitter-Account (siehe: https://twitter.com/EmvOvgu) veröffentlicht worden.
1.2 Aufbau und Beschreibung des Experimentierkits
1.2.1 Giant Gecko und Harvesting-Platine
Bei dem Kit des Herstellers Würth Elktronik handelt es sich um die Entwicklungsplattform
Energy Harvesting Solution To Go, welche aus zwei wesentlichen Komponenten, dem Ener-
gy Harvesting Board (Abbildung 1.2) und dem Giant Gecko Starter Kit (Abbildung 1.3),
besteht. Beide Komponenten sind über den Power Connector verbunden. Das Experi-
mentierkit kann mit vier verschiedenen Harvestern betrieben werden, einer Solarzelle,
einem Peltier-Element, einem piezoelektrischem Sensor und einem induktiven Harvester.
Diese werden in Abschnitt 2 näher beschrieben. Da alle Technologien unterschiedlich
funktionieren, sind demnach auch zum Teil unterschiedliche Anpassschaltungen von Nöten,
welche fest auf dem Board verbaut sind. Die Bezeichnungen der Schaltungen ist auf dem
Board zu finden und lauten:
• LTC3459 für die Solarzelle (siehe: [3])
• LTC3108 für das Peltier-Element (siehe: [4])
• LTC3588 für für den piezoelektrischen und den induktiven Sensor (siehe: [5])
• LTC3105 für den Dioden Voltage Drop Harvester (siehe: [6])
Jede dieser Schaltungen wird über die Jumper 1 bis 4 (Source Selector in Abbildung 1.2)
angesteuert. Es darf dabei immer nur einer dieser Jumper entsprechend der genutzten
Schaltung gebrückt sein. Wird z. B. die Solarzelle in Betrieb genommen, so muss Jumper
4 auf der LTC3459 Schaltung gebrückt sein. Enstprechend analog ist das Verfahren für
die anderen Schaltungen bzw. Harvestern. Die Schaltung LTC3105 ist im Rahmen dieses
Projektes nicht genutzt wurden. Bei Bedarf gibt es weitere Informationen im Datenblatt
(siehe [6]). Neben den ersten vier wichtigsten Jumpern gibt es einige weitere. Bei den
Jumpern 9 und 10 handelt es sich um die Ansteuerung der Backupkondensatoren, welche
im Ruhemodus, wenn keine Spannungversorgung durch Batterie, USB oder Harvester
gewährleistet ist, einen weiteren Betrieb ermöglichen. In der Abbildung 1.2 sind diese
unter dem Begriff Buffer Cap Selector gekennzeichnet. Wenn Jumper 9 gebrückt ist, ist
3
eine Back-up-Ausgangsspannung und wenn Jumper 10 gebrückt ist, ist eine Back-up-
Eingangsspannung gewährleistet. Die Jumper 11 und 12 konfigurieren den AC-Eingang
für den Gebrauch von Hochimpedanzquellen wie elektromechanischen Wandlern bzw.
Vibrations-Harvestern z.B der im Datenblatt [5] vorgestellten Firma PM DM ( Precision
Motors Deutsche Minebea GmbH). Wichtig ist hier, das entweder Jumper 11 oder 12
gebrückt sind, niemals beide zusammen. Ersterer muss bei der Nutzung eines induktiven
Harvesters gebrückt sein, letzterer bei der Nutzung eines piezoelektrischem Harvesters.
Abbildung 1.2: Layout des Energy Harvesting Boards [7]
Das Giant Gecko Starter Board beinhaltet viele Funktionen und Elemente, wie es in
Abbildung 1.3 markiert ist. Im Rahmen diese Projektes sind die Push-Buttons, der Touch
Slider, das Display sowie das USB Interface, der Power Selector und der Expansion Header
verwendet wurden. Letzter ist die Kontaktstelle zum Harvester Board. Das Kernelement des
Giant Gecko Boards ist der Cortex-M3-Mikrokontroller. Das Board kann aus drei Quellen,
dem USB-Port, den Harvestern und der 3 V-Batterie gespeist werden. Entsprechend der
jeweiligen Energiequelle muss der entsprechende Schalter (Power Source Select) zwischen
den Stellungen „BAT“, „USB“, „DBG“ umgeschaltet werden.
4
Abbildung 1.3: Layout des EFM32 Giant Gecko Starter Kits [8]
Abbildung 1.4: 8 × 20-Segment-LCD-Display des Giant Gecko EFM 32 [8]
Das Display des Giant Gecko EFM 32 besitzt eine 8 × 20-Segment-LCD-Anzeige, wie in
Abbildung 1.4 dargestellt. Durch diese lässt sich der Betriebszustand, diverse Parameter,
die Zeit und Weiteres anzeigen. Neben dem Display befinden sich Tasten (in Abbildung 1.3
mit Push-Buttons gekennzeichnet) auf dem Board, mit denen sich bestimmte Einstellungen,
die auf dem Display ausgegeben werden, steuern lassen. Neben den Push-Tasten gibt es
eine weitere Taste (Reset), mit der sich die installierte Firmeware neu starten lässt. Des
Weiteren besitzt der Giant Gecko Nutzer-LEDs und einen Schieberegler (Touch Slider).
Beides lässt sich mit entsprechender Firmeware (Abschnitt 3.5) ansprechen.
Abbildung 1.5: Touch-Slider des Giant Gecko EFM 32 [8]
5
Der kapazitive Schieberegler (Abbildung 1.5) erfasst Kapazitätsänderungen bei Berührung
eines Fingers und gibt auf dem Display eine Buchstabenschleife aus. Alle weiteren in
Abbildung 1.3 gekennzeichneten Elemente sind im Rahmen dieses Projektes nicht analysiert
wurden. Bei Interesse sei hier auf das Datenblatt des EFM 32 Giant Gecko in [8] verwiesen.
Zwischen Harvester- und Giant-Gecko-Platine lässt sich eine weitere, dem Kit nicht
zugehörige Komponente, zwischen schalten. Dies wird im folgenden Abschnitt näher
betrachtet.
1.2.2 Zusätzliche Komponenten
Eine zusätzliche Komponente stellt z. B. der Adapter BRD8002A Rev. A00 in Abbil-
dung 1.6 (blau markiert) dar. Dieser ermöglich eventuell externe Hardware an das Energy
Harvesting Kit anzuschließen und wird, wie in Abbildung 1.9 zu sehen, zwischen das
Giant Gecko Starter Kit und dem Energy-Harvesting-Board mittels Expansion Header
zugeschaltet. Diese Hardware besteht unter anderem aus einem Temperatursensor (Si7013),
einem Näherungssensor (Si1146) und weiteren Sensoren, die Luftfeuchtigkeit, Umgebungs-
lichtstärke, Herzfrequenz und den Sauerstoffgehalt (SpO2) messen können. Zur Messung
der Herzfrequenz und des Sauerstoffgehaltes muss wie in den Abbildungen 1.6 bzw. 1.7 ge-
kennzeichnet, der Zeigefinger auf den Sensor gehalten werden. Im Rahmen dieses Projektes
ist der Adapter BRD8002A nicht bestellt und nicht verwendet worden. Er spielt jedoch in
Bezug auf die Software eine wesentliche Rolle. Im Abschnitt 1.3.2 wird auf diesen Adapter
kurz eingegangen.
Abbildung 1.6: Layout des EXP-Sensor-Adapters Si7013 und Si1146 (blau markiert) [7]
6
Abbildung 1.7: Messung von Herzfrequenz und Sauerstoffgehalt des Blutes über einen
Finger [8]
Für dieses Projekt ist ein Herzfrequenzsensor für das Handgelenk verwendet worden.
Dieser wird über den Expansion Adapter REV 1.0 zugeschaltet und ist in Abbildung 1.9
rot markiert. Der eigentliche Sensor ist über ein circa 100 cm langes Bandkabel mit
dem Expansion Adapter verbunden und wird über ein Armband (Abbildung 1.10) am
Handgelenk befestigt. Die beiden Elemente sind in Abbildung 1.9 noch einmal deutlich
durch rote Kästen hervorgehoben, wobei der Expansion Adapter mit 1 und der eigentliche
Sensor mit 2 gekennzeichnet ist. Zum Sensor werden an dieser Stelle keine weiteren
Informationen beschrieben, da auch nach Rückfragen beim Hersteller kein Datenblatt zur
Verfügung stand und eine Inbetriebnahme weiterer Schritte bedarf, die im Abschnitt 1.3.2
näher erläutert werden.
Abbildung 1.8: Layout des EXP-Sensor-Adapters (rot markiert) [7]
7
2
1
Abbildung 1.9: Verschaltung des Giant Gecko mit dem Layout des handgelenkbasierten
Sensors (rot) und der Harvester-Platine
Abbildung 1.10: Sensor Si118x am Handgelenk
8
1.3 Inbetriebnahme
1.3.1 Giant Gecko und Harvester-Platine
Die erste Inbetriebnahme verlief nicht ganz reibungslos. Laut Hersteller sollte der Control-
ler auf der Giant-Gecko-Platine mit einer Basisfirmware vorprogrammiert sein, so dass
die Solarzelle und der Thermogenerator das LCD-Display direkt speisen können. Leider
war dies nicht der Fall. Laut Würth Elektronik ist es mehrfach vorgekommen, dass eine
fehlerhafte Demoversion auf dem Board aufgespielt ist. Dies kann durch die Installation der
Software inttemp über Simplicity Studio behoben werden. Dabei sollte besondere Achtung
auf die Wahl der Jumper gelegt werden. Die Solarzelle funktioniert wie bereits beschrieben
z. B. nur, wenn Jumper 1 auf dem Power Board gebrückt ist. Die Software und die Demo
selber werden in Kapitel 3 vorgestellt. Sobald die Handhabung der Jumper verstanden war,
gab es keine weiteren Schwierigkeiten die Solarzelle und den Thermogenerator zu betreiben.
Bei den externen Generatoren gab es jedoch einige Probleme, da diese unter anderem
im Erwerb sehr kostspielig sind. Aus diesem Grund wurde nach anderen Alternativen
gesucht, was sich als mehr oder weniger kompliziert herausgestellt hat. Der Piezosenssor
wird lediglich im Datenblatt von Würth Elektronik vorgestellt, wobei diese auf die Firma
Mouser Elektronik referiert, wo er leider nur in größeren Mengen günstig zu kriegen ist.
Auf Grund der Kostenfrage wurde daher in diesem Projekt eine herkömmliche Trommel-
scheibe verwendet, was recht gut funktioniert hatte. Hier zu weitere Informationen unter
Abschnitt 2.4. Die Benutzung eines original von Würth Elektronik vorgestellten Sensors
ist also nicht notwendig. Der induktive Sensor dagegen wird leider gar nicht von Würth
Elektronik vorgestellt. Daher wurde in diesem Projekt in Absprache mit dem Betreuer
ein herkömmlicher Lautsprecher und ein Wirbelstromgenerator auf induktives Harvesting
getestet. Ersterer wird im Abschnitt 2.4.1 vorgestellt und Letzterem ist der Abschnitt 2.4.2
gewidmet. Ein interessantes Element stellen auch die bereits genannten Backupkondensa-
toren dar. Sie halten die Spannungsversorgung nach dem Abschalten der Solarzelle für
ungefähr 33 s aufrecht. Dies ist daran zu erkennen, dass das Display verzögert ausgeschaltet
wird. Dieser Test funktionierte unabhängig von der ausgeschalteten Quelle, wobei eine
Batterie oder eine externe Last wie z. B. ein Sensor aus den bereits genannten Gründen
nicht ausprobiert wurden. Dieser Test sollte jedoch nur als Anhaltspunkt dienen, den im
Falle der Solarzelle könnten minimale Sonneneinstrahlung den Betrieb aufrechterhalten.
Beim Peltier-Element wäre es eventuell noch die Restwärme während beim Piezosensor die
Druckkraft bzw. wie diese ausgeführt wird und beim induktiven Harvestern eventuell noch
gespeicherte Energie in der Spule die Entladezeit beeinflussen können. Dies kann jedoch
über das Entfernen der Jumper minimiert werden. Nach weiteren Tests hat sich jedoch
9
gezeigt, dass der Einfluss der noch verbundenen Harvester als sehr gering angenommen
werden kann.
1.3.2 Handgelenksbasierter Sensor
Zur Inbetriebnahme eines externen Sensors sind weitere Schritte nötig. Es gibt drei
Möglichkeiten diesen in Betrieb zu nehmen, jedoch ist dazu Kommunikation mit den
Herstellern Silicon Labs und Würth Elektronik von Nöten. Möglichkeit (a) beinhaltet denn
Kauf einer neuen Gaint-Gecko-Platine aktueller Version, Variante (b) den Kauf eines
weiteren Sensors, jedoch älterer Generation. Theoretisch käme da der Adapter BRD8002A
mit dem integrierten beschriebenen Finger-Pulssensor (Abschnitt 1.2.2) in Frage. Variante
(c) beinhaltet die Besorgung beider Hardware-Varianten, um aussagekräftige Vergleiche
zu vollziehen und vielfältigere Experimente zu gewährleisten. Eine Gegenüberstellung der
Vorteile (+) und Nachteile (−), der jeweiligen Besorgung findet sich in der nachfolgenden
Liste:
a: Besorgung eines Giant Gecko Boards aktueller Version
+ Kompatibilität mit handgelenkbasiertem Sensor Si118X gewährleistet
− Firmware nicht vorhanden, Programmierung notwendig
b: Besorgung des Adapters BRD8002A
+ mit EFM 32 Giant Gecko kompatibel
+ Firmeware vorhanden, Programierung nicht notwendig
− möglicherweise nicht erhältlich
− technischer Support des EFM 32 Giant Gecko und des Adapters BRD8002A nicht
vorhanden, da beides in großen Mengen nicht mehr produziert wird
c: Beide zuvor genannte Komponenten erwerben
+ durch Adapter BRD8002A eventuell mehr Funktionen möglich
+ Sensor Si118X interessant für weiterführende Projekte (z. B. beim Joggen den Puls
mittels Harvester messen)
− kostenintensivste Variante
10
2 Verwendung verschiedener Harves-
ter
2.1 Photovoltaikmodul
Das Experimentierkit verfügt über eine Solarzelle, die es ermöglicht, die benötigte Ver-
sorgungsspannung aus Licht zu gewinnen. Im Folgenden werden zunächst das allgemeine
Funktionsprinzip einer Solarzelle erläutert sowie Vor- und Nachteile und mögliche An-
wendungen als Harvester beschrieben. Anschließend wird die real vorliegende Zelle näher
betrachtet und erklärt, inwieweit sie benutzt werden konnte.
2.1.1 Grundlagen
Abbildung 2.1: Funktionsprinzip einer Solarzelle [9]
11
Eine Solarzelle besteht in den meisten Fällen aus p-dotiertem Silizium (gelegentlich auch
aus anderen Halbleitermaterialen), auf das eine dünne n-dotierte Schicht aufgebracht
wird (siehe Abbildung 2.1). Am pn-Übergang wandern überschüssige Elektronen von der
n-Schicht in die p-Schicht, wodurch ein ortsfestes elektrisches Feld mit positivem Pol in der
n-Schicht und negativem Pol in der p-Schicht entsteht. Diese Übergangsschicht wird auch
als Raumladungszone bezeichnet. Treffen nun Sonnenstrahlen auf das Silizium, geben die
Lichtphotonen entsprechend dem Photoeffekt Energie an die im Silizium-Gitter gebundenen
Außenelektronen ab. Aufgrund dieser Energie werden die Außenelektronen vom Valenzband
ins Leitungsband versetzt. Dadurch werden sie freibeweglich und lassen ein Loch zurück.
Geschieht dies innerhalb der Raumladungszone wird das Elektronen-Loch-Paar durch
das elektrische Feld getrennt. Während das Loch durch Elektronen-Hopping nach unten
wandert, werden die Elektronen vom positiven Pol nach oben gezogen und können an den
Metallkontakten abgegriffen werden. Der entsprechende Ausgleichsvorgang über einen ex-
ternen Leiter ist ein gerichteter Stromfluss, mit dem ein Verbraucher betrieben werden kann.
Elektronen, die außerhalb der Raumladungszone freibeweglich werden, können ebenfalls
zum Stromfluss beitragen. Dafür muss der Lichteinfall jedoch in einer Entfernung zur
Raumladungszone erfolgen, die die Diffusionslänge der Elektronen nicht überschreitet.
Andernfalls rekombinieren sie, d.h. sie fallen ins Valenzband zurück und werden wieder
gebunden, bevor sie die Raumladungszone erreichen. Diese Rekombinationsverluste sind
besonders vom Material abhängig und treten aufgrund der unreineren Struktur bei po-
lykristallinem Silizium stärker auf als bei monokristallinem. Sie sind einer der Gründe,
warum handelsübliche Solarzellen nur Wirkungsgrade von 10 % bis 20 % erreichen. Andere
Verluste sind Strahlungsverluste, bei denen der Energiegehalt des Lichts nicht ausreichend
ist, um die Elektronen vom Valenz- ins Leiterband zu heben oder Reflexions- und Trans-
missionsverluste. Auch ohmsche Verluste an Kontakten und Leitungen treten auf. Die
Strom-Spannungs-Kennlinie ist in Abbildung 2.2 zu sehen.
I
U
PMPP = UMPP · IMPP
MPP
IK
UL
IMPP
UMPP
Abbildung 2.2: Strom-Spannungs-Kennlinie Solarzelle
12
Während der Strom von der Anzahl der nutzbar gemachten Elektronen abhängt, wird die
Spannung durch das Energieniveau bestimmt, auf das die Elektronen durch Absorption der
Photonen versetzt werden, also dem Energieniveau des Leiterbands [10]. Dieses ändert sich
bei Halbleitern mit der Temperatur. Deswegen sinkt die Spannung bei höherer Temperatur,
während der Strom in erster Linie durch eine höhere Einstrahlungsdichte gesteigert werden
kann. Es ist zu erkennen, dass der Strom für verschiedene Spannungen weitestgehend
konstant verläuft und ab einer Kippspannung rasant abfällt. Der Grund dafür ist, dass das
Energieniveau, auf das die Elektronen für eine solche Spannung gebracht werden müssten,
durch Sonnenlicht nicht mehr erreicht werden kann. Typische Leerlaufspannungen von
Silizium-Solarzellen betragen etwa 0,6 V. Der Maximum-Power-Point stellt sich wie im
Bild zu sehen bei etwas geringeren Spannungen ein. Durch Reihenverschaltung mehrerer
Solarzellen kann die Spannung erhöht werden, durch Parallelschaltung der Strom. In der
Praxis wird meistens eine Kombination beider Schaltungsarten verwendet.
Solarzellen eignen sich neben der Energieversorgung im großen Stil auch sehr gut für
kleinere Anwendungen. Sie können sowohl durch natürliches als auch künstliches Licht
betrieben werden und weisen somit eine hohe Verfügbarkeit der Energiequelle auf. Darüber
hinaus arbeiten sie lautlos, emissionslos und ohne externe Versorgungsquelle. Sie haben
wenig Gewicht, sind langlebig und haben einen geringen Wartungsaufwand.
Ein Nachteil ist der niedrige Wirkungsgrad, der zu relativ großen benötigten Flächen führt,
die auf dem Anwendungsgerät installiert werden müssen. Außerdem sind die Anschaffungs-
kosten verhältnismäßig hoch und ebenso die CO2-Bilanz des Herstellungsprozesses.
Typische Anwendungen von Solarzellen im niedrigen Leistungsbereich sind Taschenrechner,
Armbanduhren und Kofferradios.
2.1.2 Benutzung
Der im Experimentierkit verwendeten Solarzelle wird ein DC/DC-Wandler nachgeschaltet
(LTC3105, siehe Abbildung 2.3). Dieser ist intern in das Board verbaut, so dass zwischen
PV-Zelle und Wandler leider keine Messungen vorgenommen werden konnten.
Der DC/DC-Wandler hat einen Eingangsbereich von 225 mV bis 5 V und setzt die Aus-
gangsspannung auf 4,1 V. Somit kann er auf verschiedene bereitgestellte Spannungen der
Solarzelle reagieren. Das erlaubt auch einen Einsatz bei erhöhter Temperatur infolge von
sehr starker Sonneneinstrahlung. Die genaue Ausgangsspannung der Solarzelle konnte
nicht gemessen werden. Es ist aber davon auszugehen, dass der Wandler vornehmlich als
Hochsetzsteller eingesetzt wird.
13
Abbildung 2.3: Schaltplan Solarzelle und DC/DC-Wandler [3]
Wie dem Schaltplan zu entnehmen ist, ist dem System ein Lithium-Ionen-Akku beigefügt.
Dieser dürfte in erster Linie zur Zwischenspeicherung verwendet werden, so dass es auch
ohne Lichteinstrahlung möglich ist, das Kit für kurze Zeit zu bedienen.
Darüber hinaus ist in den DC/DC-Wandler eine Maximum-Power-Point-Regelung imple-
mentiert. Mit dieser ist es möglich, die maximale Leistung zu bestimmen. Dafür wird
die Spannung in diskreten Zeitschritten verändert und gleichzeitig der Strom gemessen,
so dass die Leistung aus Strom und Spannung berechnet werden kann. Die Spannung
wird so lange erhöht, bis die Leistung nicht mehr steigt. Anschließend wird sie wieder
gesenkt, so dass sich ein Pendeln um den MPP einstellt. Dieses Verfahren ist insbesondere
bei Änderung der Lichtverhältnisse oder Teilverschattung wichtig und kann die Effizienz
steigern.
Der Betrieb des Experimentierkits mit Hilfe der Solarzelle funktionierte ohne Einschränkung.
Es wurden dabei Tests für verschiedene Lichtverhältnisse und Lichtquellen vorgenommen.
Das Board konnte sowohl bei natürlichem Sonnenlicht als auch bei künstlichem Licht im
Labor problemlos betrieben werden. Die Schrift in der Anzeige war stets klar zu erkennen,
was auf eine durchweg ausreichende Versorgung hindeuten lässt. Es wurde darüber hinaus
ermittelt, dass die Zwischenspeicherung bei Dunkelheit nur für einige wenige Sekunden
möglich ist (siehe Abschnitt 1.3.1). Das spricht für einen Lithium-Ionen-Akku mit sehr
geringer Kapazität, was in Anbetracht der hohen Kosten von leistungsstarken Akkus
dieser Art auch nicht verwunderlich ist. Den beigefügten Dokumenten und Quellen des
Experimentierkits konnten keine näheren Informationen zum Akku oder zur Solarzelle
entnommen werden. Lediglich der DC/DC-Wandler wird ausführlich beschrieben.
14
2.2 Peltierelement
Zusätzlich zum Photovoltaikmodul des vorherigen Abschnitts verfügt das Experimentierkit
weiterhin über ein sogenanntes Peltier-Element. Dieses ermöglicht es aus einer Wärmequelle
elektrische Energie zu gewinnen. Dieser Abschnitt zeigt die Grundlagen des Elements sowie
dessen Nutzung als Energy-Harvester und eine Gegenüberstellung der Vor- und Nachteile
auf.
2.2.1 Grundlagen
Ein Peltier-Element ist ein thermoelektrischer Wandler, dem der Peltier-Effekt zugrunde
liegt. Darunter versteht man die gegenseitige Beeinflussung von Temperatur und Elektrizität
und ihre Umsetzung in einander. So entsteht bei Stromfluss eine Temperaturdifferenz und
umgekehrt ruft eine Temperaturdifferenz einen Stromfluss hervor. Der umgekehrte Prozess
wird Seebeck-Effekt (auch thermoekektrischer Effekt) genannt und findet Verwendung bei
Thermoelementen und thermoelektrischen Generatoren wie jener im Energy-Harvesting-
Kit. Dieser Effekt wird durch frei bewegliche Elektronen in Metallen hervorgerufen, die
sich bei verschiedenen Materialien auf unterschiedlichen Energieniveaus befinden. Kommen
diese Metalle in Kontakt, findet ein Potenzialausgleich statt. Durch eine Wärmequelle
kann der entsprechende Stromfluss weiter aufrecht erhalten werden. Bei Metallen ist dieser
sehr gering und wird fast vollständig durch die auftretende Verlustwärme und die hohe
Wärmeleitfähigkeit kompensiert. Aus diesem Grund werden Peltierelemente technisch aus p-
und n-dotierten Halbleitern aufgebaut [11]. Die Realisierung ist in Abbildung 2.4 dargestellt.
Es ist zu erkennen, dass die Halbleiterelemente mit wechselnder Dotierung in Reihe
geschaltet sind. Zwei aufeinanderfolgende Elemente sind wiederum über Metallbrücken
verbunden. Des Weiteren sind aus der Abbildung zwei Keramikflächen (grün) zu erkennen.
An diesen werden die Metallbrücken befestigt. Außerdem dienen sie zur allgemeinen
Stabilität des gesamten Elements.
15
Abbildung 2.4: Schematische Darstellung des Peltier-Elements. [12]
Die kommerziellen Anwendungsgebiete eines Peltier-Elements beschränken sich auf die
Erwärmung und Kühlung. Demnach können zum Beispiel Proben in der Molekularbiologie
schnell erwärmt und gekühlt werden. Im Konsumerbereich werden sie in tragbaren Kühl-
boxen verbaut oder auch als CPU-Kühler.
Die Effizienz der Elemente ist jedoch gering, weshalb das Anwendungsgebiet auch dement-
sprechend klein und spezifisch ausfällt.
Vorteile:
• geringer Platzbedarf
• geringes Gewicht
• keine beweglichen Bauteile nötig
Nachteile:
• Temperatur nur bedingt regelbar
• niedrige Effizienz
16
2.2.2 Benutzung
Damit das Experimentierkit über das Peltier-Element mit einer Spannung versorgt werden
kann, ist es nötig die zwei Spannungsebenen anzugleichen. Dafür ist der Hochsetzsteller
„LTC3108“ zuständig. Dieser transformiert die niedrige Ausgangsspannung des Peltier-
Elements (20 mV bis 500 mV) auf ein Spannungsniveau von 2,35 V, 3,3 V, 4,1 V oder 5 V.
Die dazugehörige Schaltung ist in Abbildung 2.5 aufgeführt.
Wie im vorherigen Abschnitt erläutert, ist es nötig das Peltier-Element über eine Wärme-
quelle zu betreiben. In diesem Fall wurde zum Einen Körperwärme durch Auflegen einer
Hand genutzt und zum Anderen ein Gefäß mit warmem Wasser, das sich stehend auf dem
Element befand.
For more information www.analog.com
TYPICAL APPLICATION
less transmitter or sensor
signals that the main outpu
A second output can be en
capacitor provides power w
is unavailable. Extremely lo
efficiency design ensure the
of the output reservoir cap
The LTC3108 is available in
12-lead (3mm × 4mm) D
SSOP package.
Wireless Remote Sensor Application Powered From a Peltier Cell
n Remote Sensors and Radio Power
n Surplus Heat Energy Harvesting
n HVAC Systems
n Industrial Wireless Sensing
n Automatic Metering
n Building Automation
n Predictive Maintenance
3108 TA01a
C1
20mV TO 500mV
C2
SW
VS2
VS1
VOUT2
PGOOD
2.2V
470µF
PGD
VLDO
VSTORE
+
VOUT
VOUT2_EN
LTC3108
VAUX GND
0.1F
6.3V
5V
3.3V
1µF
1nF
220µF
1:100
330pF
SENSORS
RF LINK
µP
2.2µF
+
+
+
THERMOELECTRIC
GENERATOR
All registered trademarks and trademarks are the property of their respective owners.
TIME
(sec)
10
1
100
1000
0
0
VOU
COU
Document Feedback
Abbildung 2.5: Schaltung des DC/DC-Wandlers LTC3108 [4]
Im vorherigen Abschnitt zur Solarzelle wurde als Energiespeicher des Schaltungsausgangs
ein Lithium-Ionen-Akku genutzt. In diesem Fall existiert eine solcher nicht, dafür wird ein
Kondensator genutzt, der den Betrieb des Boards für einige Sekunden aufrecht erhalten
kann, obwohl dem Peltier-Element keine weitere Wärme zugeführt wird.
2.3 Piezosensor
Neben dem internen Harvestern, d. h. neben dem Photoelement und dem Peltierelement
ist das Experimentierkit auch für eine Nutzung mit externen Harvestern gerüstet. In
diesem Projekt wird der piezoelektrische und der induktive Harvester vorgestellt. Beide
17
werden vom Hersteller Würth Elektronik nicht mitgeliefert. Auf Anfrage wurden Vorschläge
für verschiedene zum Harvesting geeignete Sensoren von Drittfirmen unterbreitet. Aus
Kostengründen wurde jedoch auf eine Anschaffung verzichtet und sich stattdessen in
Absprache mit dem Betreuer nach kostengünstigen Alternativen umgeschaut.
Dieser Abschnitt widmet sich zunächst den Grundlagen der piezoelektrischen Energiewand-
lung, den Vorteilen und möglichen Anwendungen und gibt im Anschluss Rückschlüsse auf
die Inbetriebnahme mit dem Kit.
2.3.1 Grundlagen
Der piezoelektrische Sensor basiert auf dem piezoelektrischen Effekt und wird für verschie-
dene Messverfahren zur Bestimmung von Druck, Beschleunigung, Spannung, Kraft oder
als Gassensor eingesetzt. Der Begriff „Piezo“ leitet sich vom griechischen Wort für Druck
ab. Druckkraft (Verformung) erzeugt in verschiedenen piezoelektrischen Materialien auf
der Oberfläche elektrische Ladung. Daher bestehen die piezoelektrischen Kraftsensoren
aus in der Regel zwei Scheiben eines piezoelektrischen Kristalls. Zwischen diesen Scheiben
ist eine Elektrode angelegt, welche die entstehenden Ladungen aufnimmt. Das umgebende
Gehäuse dient ebenso als Elektrode.
Das Prinzip ist in Abbildung 2.6 gezeigt.
Abbildung 2.6: Aufbau eines Piezosensors (grün: Quarzscheiben) [13]
Die Quarzscheiben (grüne Flächen) wandeln die eingeleitete Kraft in eine Ladung um, die
von der Elektrode zwischen den Sensoren aufgenommen wird. Der piezoelektrische Effekt
tritt dabei sowohl in einkristallinen Materialien als auch in polykristallinen ferroelektrischen
Keramiken auf. Dabei wirken mechanische Druck- oder Zugkräfte entlang bestimmter
Kristallachsen auf den Piezowirkstoff ein und verschieben positiv und negativ geladene
Kristallgitterpunkte. Dabei wird zwischen direktem und inversem piezoelektrischm Effekt
18
unterschieden. Ersterer, auch Generator- oder Sensoreffekt genannt, wandelt mechanische in
elektrische Energie um. Zur Gewährleistung der Energiewandlung, ist die Kraftwirkung in
Richtung einer polaren x-Achse nötig. Es wird ein longitudinaler Piezoeffekt hervorgerufen,
d. h. es baut sich eine elektrische Spannung in Kraftrichtung auf, in der das Kristallgitter
gestaucht wird. Dies ist in der Abbildung 2.7 links dargestellt.
Abbildung 2.7: Longitudinaler (links) und transversaler Piezoeffekt (rechts) [14]
Umgekehrt bewirkt der inverse piezoelektrische Effekt eine Längenänderung beim Anlegen
einer elektrischen Spannung, d. h. die Krafteinwrikung findet entlang einer nicht polaren
y-Achse des Kristallgitters statt, wobei sich die Piezospannung entlang der polaren x-Achse
aufbaut. In diese Richtung wird das Gitter gestreckt, wie in Abbildung 2.7 dargestellt und
die Polarität der Spannung kehrt sich um. Sie ist somit entgegengesetzt zum longitudinalen
Piezoeffekt. Dieser Aktoreffekt wandelt also elektrische in mechanische Energie um. Wird
der der Piezogenerator als Wandler genutzt, werden nur kleine Ströme generiert. Da
elektrische Ladung nur im Moment der mechanischen Einwirkung erzeugt wird, ist eine
komplizierte Schaltung von Nöten, um den Strom zu stabilisieren. Dieser Strom ist sehr
klein, so dass sich das Anwendungsgebiet von Piezogeneratoren auf solche mit niedrigem
Leistungsbedarf beschränkt. Im kleinen Leistungsbereich hat der Piezogenerator dagegen
eine Vielzahl von Vorteilen, wie sie hier gelistet sind.
• kompakt
• Messung kleiner Kräfte bei hoher Vorlast,
• für großen Messbereich auslegbar
• Betrieb bei sehr hohen Temperaturen (von bis zu 300 ◦
C)
• überlastfähig
19
• hohe Dynamik
Aufgrund der genannten Vorteile wird der Piezoeffekt heute in vielen alltäglichen Pro-
dukten angewendet, zum Beispiel in Feuerzeugen, Lautsprechern und Signalgebern. Eine
Applikation sind Digitalarmbanduhren. Eine Digitaluhr ist eine Uhr, die die Uhrzeit durch
Ziffernwechsel, statt durch bewegliche Zeiger auf einem feststehenden Zifferblatt, direkt
anzeigt. Diese Uhren können eine integrierte Weckerfunktion haben, dessen Piepton mittels
Piezolautsprecher erzeugt wird. Um eine Melodie zu erhalten, werden dem Piezolautspre-
cher Stromimpulse mit bestimmter Frequenz und Dauer zugeführt. Der Piezolautsprecher
wird auch oft unter dem Begriff Trommelscheibe thematisiert. Im Rahmen dieser Arbeit ist
eine solche Trommelscheibe verwendet wurden. Siehe dazu Abbildung 2.9 im nachfolgenden
Abschnitt 2.3.2.
2.3.2 Benutzung
Im Datenblatt von Würth Elektronik ist als möglicher Piezogenerator das Bauelement der
Gruppe MIDE V21BL des Herrstellers Mouser Elektronik (Abbildung 2.8) gelistet. Um
Kosten zu sparen, wurde wie bereits geschrieben, eine Trommelscheibe verwendet.
Abbildung 2.8: MIDE V2 BL Piezo Generator [15]
Die Piezo-Trommelscheibe wird über einen Connector (siehe Kapitel 1.2 der Einleitung) mit
der LTC3588 Platine verbunden. Diese ist das Verbindungselement (Tiefsetzsteller) zur Last,
der Giant-Gecko-Platine. In der Schaltung der Abbildung 2.10 ist der Piezogenerator Mide
V21 BL dargestellt. Dieser war bei Silicon Labs erhältlich. Die Schaltung LTC3588 zum
Betrieb der Trommelscheibe ist in Abbildung 2.10 dargestellt. Zum Betrieb muss der Jumper
12 gebrückt sein und der Jumper 11 nicht. Beim Anschluss eines induktiven Generators ist
es umgekehrt (siehe Kapitel 2.4). Wichtig ist hier, dass nur einer der zwei Jumper genutzt
werden darf. Andernfalls kommt es zu Fehlfunktionen des Boards. Um eine Spannung zu
erzeugen, muss in sehr kurzen Abschnitten sehr schnell die Piezoscheibe geknickt werden.
Siehe dazu das Video auf dem Twitterkanal (https://twitter.com/EmvOvgu).
20
Abbildung 2.9: Piezo Trommelscheibe
Abbildung 2.10: Schaltung des piezoelektrisches Energieversorgungsnetzteils LTC3588 [5]
Im Rahmen dieser Arbeit ist lediglich das Display mittels Piezowandler gespeist wurden.
Es gibt jedoch die Möglichkeit in Abhängigkeit der Ausgangsspanung (1,8 V, 2,5 V, 3,3 V
und 3,6 V) bei einem Ausgangsstrom bis zu 100 mA, verschieden Lasten, zu speisen. Die
Ausgangspannung wird durch Auswahl der entsprechenden Pins auf dem LTC3588 Board
festgelegt. Siehe zum Thema Anschluss eines Microcontroller das Datenblatt in [6].
21
2.4 Betrieb mit induktivem Harvester
Wie in den Abschnitten 1.2.1 und 2.3 schon beschrieben, wurde auf ein Zukauf von
professionellen induktiven Sensoren zum Harvesting verzichtet. Stattdessen wurden in
Absprache mit dem Betreuer ein Lautsprecher und ein Wirbelstromgenerator beschafft, da
beide ebenfalls als elektromagnetische Generatoren betrachtet werden können.
2.4.1 Lautsprecher
Abbildung 2.11: Lautsprecher zur Verwendung als Harvester
Es wurde untersucht, ob das Board mit Hilfe eines handelsüblichen Lautsprechers (siehe
Abbildung 2.11) als induktivem Harvester betrieben werden kann. Lautsprecher sind
dynamische Schallwandler. Normalerweise werden sie genutzt, um eine elektrische Spannung
in eine Schallwelle, also eine gerichtete Bewegung der Luft umzuwandeln. Das Prinzip ist
jedoch umkehrbar. So kann durch in Bewegung setzen der Membran des Lautsprechers eine
elektrische Spannung erzeugt werden. Der Lautsprecher wird dann de facto als Mikrofon
genutzt.
Es gibt verschiedene Arten von Lautsprechern. Der in der Praxis am mit Abstand häufigsten
aufzutreffende ist der Tauchspulenlautsprecher [16]. Der Aufbau ist in Abbildung 2.12
dargestellt.
22
Abbildung 2.12: Aufbau eines Tauchspulenlautsprechers [17]
An der Membran ist hier eine Schwingspule angeschlossen. Diese wird vom magnetischen
Feld eines Permanentmagneten durchsetzt. Im Lautsprecherbetrieb wird eine Wechselspan-
nung an die Schwingspule angelegt, die das Audiosignal repräsentiert. Da sich die nun
stromdurchflossene Spule im Magnetfeld des Permanentmagneten befindet, wird sie durch
die Lorentzkraft je nach Polarisation der Spannung nach unten oder nach oben bewegt.
Die Stärke des Ausschlags ist abhängig von der Amplitude. Da die Spule direkt an der
Membran befestigt ist, wird diese mit bewegt und ein Tonsignal entsteht als gerichtet
Bewegung der Luft. Andersherum kann jedoch die Membran auch durch eine äußere
Krafteinwirkung, z.B. wiederholtes Drücken oder Beschallen bewegt werden. Die befestigte
Spule bewegt sich dann entsprechend ebenfalls mit. Da sie sich im Magnetfeld befindet,
wird nach dem Induktionsgesezt in ihr ein Strom induziert.
Ziel des Versuches war es herauszufinden, ob die abgegriffene Spannung ausreicht, um
das Board zu versorgen und bei dauerhafter Bewegung der Membran einen störungsfreien
Betrieb zu gewährleisten. Es musste jedoch festgestellt werden, dass die erzeugte Span-
nung deutlich unter der Betriebsspannung des Boards lag und ein Betrieb zu keiner Zeit
möglich war. Es wurde sowohl durch wiederholtes Drücken bzw. Schlagen mit der Hand
als auch durch starkes Beschallen mit anderen Lautsprechern versucht eine möglichst hohe
Spannung zu erzeugen. In Abbildung 2.13 ist das Oszillogramm der erzeugten Spannung
nach einer Schlagwirkung zu sehen. Die maximale Spitzenspannung beträgt nur etwa
. Danach sinken die Amplituden in kurzer Zeit auf annähernd null. Das ist auch unter
Verwendung eines Hochsetzstellers deutlich zu wenig, um das Board zu speisen.
23
Abbildung 2.13: Oszillogramm der mithilfe des Lautsprechers erzeugten Spannung
Die niedrigen induzierten Spannungen sind der Hauptgrund, warum Schallwandler sich
eher nicht zum Harvesting eignen. Zwar könnte die Ausgangsspannung durch verschiedene
Eingriffe erhöht werden, z.B. der Verwendung von stärkeren Permanentmagneten, leichteren
Membranen, die schnellere Bewegungen der Spule ermöglichen oder Spulen mit höheren
Windungszahlen. Jedoch gehen alle diese Maßnahmen mit Problemen einher: Starke
Permanentmagneten sind teuer und würden die Gesamtkosten des Schallwandlers stark
erhöhen, leichtere Membranen sind aufwendig in der Herstellung und weniger rissfest und
eine Erhöhung der Windungszahl würde wiederum für mehr Gewicht sorgen, wodurch
sich Membran und Spule wieder langsamer bewegen würden. Darüber hinaus müsste der
Luftspalt gegebenenfalls vergrößert werden, wodurch das Magnetfeld wiederum geringer
wird, was sich ebenfalls negativ auf die induzierte Spannung auswirkt.
Es wird also relativ schnell ersichtlich, dass Schallwandler wie Lautsprecher unter den
induktiven Wandlern zu den am wenigsten geeigneten Harvestern zählen.
2.4.2 Wirbelstromgenerator
Als weitere denkbare Alternative für einen induktiven Harvester ist der Wirbelstromge-
nerator der Firma magniclight aufzuführen. Der ursprüngliche Verwendungszweck dieses
Generators ist es die Stromversorgung von Fahrradbeleuchtungen sicherzustellen. Im Ge-
gensatz zu herkömmlichen Energieversorgungskonzepten von Fahrrädern tritt hier weder
Reibung zwischen Generator und Fahrrad wie bei einem Dynamo auf, noch wird ein
zusätzlicher Batteriespeicher benötigt.
24
Das Prinzip der Stromerzeugung basiert auf der Wirbelstromtechnik. Ein Wirbelstrom
tritt auf, wenn sich ein elektrischer Leiter in einem konstantem aber räumlich veränder-
lichen Magnetfeld befindet. Je nach Polarität des Stromflusses im Leiter kann es zur
Abstoßung oder Anziehung kommen. Genutzt wird diese Kraftwirkung zum Beispiel als
Wirbelstrombremse für Bahnfahrzeuge oder in mechanischen Tachometern, beziehungswei-
se Drehzahlmessern [18].
Im Inneren des hier verwendeten Wirbelstromgenerators befindet sich ein Magnetrad dessen
Magnete speziell in ihrer Form angepasst und angeordnet wurden (siehe Abbildung 2.14),
sodass eine Versorgung des Leuchtmittels der Abbildung 2.16 erfolgt.
Des Weiteren ist in Abbildung 2.15 ein Auszug aus der zum System gehörenden Anleitung
dargestellt. Der Generator sollte möglichst nah im Bereich der Fahrradfelge angebracht
werden. Eine minimal falsche Montage kann schnell dazu führen, dass keine Energie erzeugt
wird.
Vorteile:
• keine Energiespeicher nötig
• hohe Spannung im Vergleich zu anderen Harvestern
Nachteile:
• relativ groß
• Montage ist sehr fehleranfällig
Abbildung 2.14: Magnetrad des Wirbelstromgenerators [19]
25
Abbildung 2.15: Auszug aus der Montageanleitung des magniclight-Fahrradlampensystems
[20]
Die Ausführungsvariante auf der linken Seite der Abbildung 2.16 ist dazu gedacht eine
Spannung abzugreifen, die wiederum zur Energieversorgung eines externen Systems genutzt
werden kann. Die Inbetriebnahme erfolgt analog zum Vorgehen der zuvor beschriebenen
Fahrradbeleuchtung. Um das Energy-Harvesting-Experimentierkit nicht zu beschädigen,
wurde zuvor getestet, ob die zwei Systeme auf den selben Spannungsebenen arbeiten. Dazu
erfolgte eine Spannungsmessung mit Hilfe eines Digitalmultimeters. Es wurde auf den
AC-Messbereich eingestellt und der Generator in die Nähe der Fahrradfelge gebracht. Der
gemessene Spannungseffektivwert lag zwischen 6 V und 11 V bei einer Geschwindigkeit
zwischen 15 m/s und 24 m/s. Der Spannungsbereich der Anpassschaltung LTC3588 für
den induktiven Harvestereingang liegt laut Datenblatt zwischen −0,3 V und 18 V. Liegt
der Spitzenwert der Spannung z. B. bei 15 V, fällt dieser somit in den Eingangsbereich der
Anpassschaltung. Wenn dieser jedoch einen Wert von z. B. −15 V annimmt, ist es nicht
mehr der Fall und die Schaltung kann defekte erleiden. Demnach muss für die Verbindung
zwischen Wirbelstromgenerator und Board ein Gleichrichter oder Verpolungsschutz hinzu-
gefügt werden.
Die zwei Systeme konnten jedoch aus den genannten Montage- und Zeitproblemen nicht
zusammen getestet werden, weswegen dies weiterer Untersuchungen bedarf.
26
Abbildung 2.16: Wirbelstromgenerator in den Ausführungsvarianten als Fahrradbeleuch-
tung (rechts) und zum Abgreifen einer elektrischen Spannung für Test-
zwecke (links)
27
3 Beispielprogramme der Software Sim-
plicity Studio
Abbildung 3.1: Interface des Simplicity Studios
Die Anbindung der internen und externen Harvester beziehungsweise von zusätzlichen
externen Komponenten wie einem Herzfrequenzsensorsensor an das Board erfolgt über den
Mikrocontroller ARM Cortex M3. Dieser wird mit Hilfe der Software Simplicity Studio
angesteuert. Die Software vereinigt Entwicklungswerkzeuge in C/C++ z. B. für die Simu-
lation diverser Treiber, Datenprotokolle oder dem energyAware Profiling, fertige Bespiele
zum Debuggen, Bibliotheken, sowie Anwendungshinweise in Form von Datenblättern.
Mit dem energyAware Profiler können Entwickler den Energieverbrauch in ihren Anwen-
dungen schnell visualisieren und Optimierungen durchführen, um den Stromverbrauch
zu senken. Mit Hilfe des Profilers und dem auf dem Starter Kit integrierten „Advanced
Energy Monitoring“ lässt sich der Stromverbrauch des Mikrocontrollers messen und mit
der Debugging-Information korrelieren. Somit ist es möglich, Energieversorgungsausfälle
in der Applikationssoftware zu ermitteln und zu beseitigen. Das Interface beim Start ist in
Abbildung 3.1 dargestellt. Hier wird unter anderem die Hardware ausgewählt.
28
Da der Fokus dieses Dokumentes/Projektes auf den Harvestern liegt, ist die Programmie-
rung mit den Entwicklungswerkzeugen nicht näher betrachtet wurden. Statt dessen sind
die unten aufgelisteten Demos (fertige Beispiele) unter Verwendung der Harvester und
auch des biometric Sensors getestet wurden. Das entsprechende Programminterface ist in
Abbildung 3.2 dargestellt.
• TK3700 inttemp
• STK3700 blink
• STK3700 touch
• STK3700 burtc sowie STK3700 clock,
• STK3700 biometric
Abbildung 3.2: Interface des Simplicity Studios: Hier ist der Reiter example projects and
demos dargestellt.
3.1 Basisprogramm inttemp
Diese Firmware ist direkt beim Kauf des Kits auf dem Controller vorprogrammiert, so dass
direkt Energie aus der Solarzelle oder dem Thermogenerator generiert werden kann. Laut
Hersteller reicht diese Energie um eine Anwendung dauerhaft zu betreiben. Nach Anschluss
des induktiven bzw. piezoelektrischen Generators über den Connector lassen sich auch
diese Harvester als Energieersorgung nutzen. Durch die gewonnen Energie lässt sich das
29
Display auf dem Giant Gecko betreiben und der Gebrauch des internen Temperatursensors
demonstrieren.
3.2 Programm blink
Diese Firmware demonstriert den Gebrauch der LEDs auf dem Starter Kit und dient wie
viele weitere Demos als Grundgerüst für neue weiterführende Projekte. Der Code ist als
Beispiel im Anhang A.1 hinterlegt. Auf weitere Code-Beipiele ist auf Grund des Umfanges
verzichtet wurden.
3.3 Programm touch
Durch diese Firmware wird der kapazitive Touch-Schieberegler (touch slider) aktiviert.
Wird dieser von einem Finger berührt, so ändert sich die Kapazität des Sensor. Dadurch
erscheint und verschiebt sich die Wortschleife auf dem Display. Sehe hier zu das Video auf
Twitter (https://twitter.com/EmvOvgu).
3.4 Programme clock und Programm burtc
Die Firmware burtc ist die Weiterführung des Programms clock. Beide Programme simu-
lieren eine Backup-Echtzeituhr, d. h. auf dem Display wird eine Uhrzeit angezeigt, die
mit den Drucktasten PB0 und PB1 einstellbar ist. Mittels burtc läuft diese Uhrzeit im
Hintergrund weiter. Die Einstellungen bleiben selbst beim aussgeschalteten Kit durch
die Back-up-Kondensatoren erhalten. Die Abkürzung burtc steht für back up real time
clock.
3.5 Programme biometric
Diese Firmware demonstriert den Gebrauch von diversen Sensoren des Herstellers Silicon
Labs. Zu den diversen Sensoren zählen z. B. Nährungssensoren (proximity sensors) oder
handgelenkbasierte Herzfrequenzsensoren (wrist-based heart rate monitoring sensors). Im
Rahmen dieses Projektes ist letzterer getestet wurden. Wie im Abschnitt 1.2.2 bereits
erläutert, muss der Sensor an das Giant Gecko angeschloßen werden. Dabei durchläuft
der Controller eine Ablaufroutine, deren Schritte auf dem Display angezeigt werden. Die
Ablaufroutine zum Detektieren der Hardware ist im Anhang A.2 dargestellt. In diesem
30
Test durchlief die Routine nur die ersten Schritte. Statt der HRM-Version am Ende wird
error angezeigt. Dies bedeutet laut Datenblatt, das die Hardware nicht erkannt wird.
Leider gehört der Giant Gecko sowie zugehörigen Sensoren zu der Hardware, die nicht
weiter hergestellt und unterstützt wird.
31
4 Fazit
In diesem Dokument wurde die Arbeit mit dem Experimentierkit Energy Harvesting
Solution To Go Kit von Würth Elektronik dokumentiert. Ziel dieser Arbeit war es mit Hilfe
des Kits verschiedene Formen des Energy Harvestings näher kennen zu lernen und dabei
insbesondere die Stärken und Schwächen der einzelnen Harvester in der Praxis zu ermitteln.
Darüber hinaus sollte das Experimentierkit näher untersucht werden und Zusatzfunktionen
wie die Programmierbarkeit und den Anschluss möglicher externer Hardware (Sensoren)
erprobt werden.
Das Experimentierkit stellt dafür zwei integrierte Harvester zur Verfügung: ein Photo-
voltaikmodul und ein Peltier-Element. Beide sind bereits mit der entsprechenden Leis-
tungselektronik verschaltet und müssen nur noch per Jumper angeschlossen werden, so
dass sie sich sehr gut für Vorführzwecke eignen. Darüber hinaus bietet das Board eine
Anschlussstelle für piezoelektrische und induktive Generatoren, die über Drittanbieter
zugekauft werden können. Eine Schnittstelle zum PC ermöglicht es, verschiedene vor- oder
selbstgeschriebene Programme der Entwicklungsumgebung Simplicity Studio aufzuspielen,
deren Ergebnisse dann auf dem Display angezeigt werden.
Im Zuge dieser Arbeit wurden die verschiedenen Harvester getestet. Besonders die integrier-
ten PV- und Peltier-Zellen überzeugten dabei durch einfache Handhabung und lückenlose
Versorgung (inklusive kurzer Zwischenspeicherung) auch bei geringer Einstrahlung bzw.
Wärme. Gleiches kann für das zugekaufte Piezoelement gesagt werden. Ein Betrieb mit
Hilfe eines Lautsprechers als induktivem Generator war hingegen aufgrund der zu geringen
Spannung nicht möglich. Mit stärkeren induktiven Kleingeneratoren, wie dem getesteten
Wirbelstromgenerator, sollte das Gerät jedoch ebenfalls versorgt werden können.
Das Experimentierkit stellt damit unter Beweis, dass es durch Energy Harvesting schon
mit sehr geringer und alltäglich gewinnbarer Energie betrieben werden kann. Somit eignet
es sich gut für Vorführungszwecke, um beispielsweise Schüler*innen ohne Vorkenntnisse das
Prinzip des Energy Harvestings näher zu bringen und somit auch ein weiteres Interesse für
ressourcenschonende Energiegewinnung und Elektrotechnik im Allgemeinen herzustellen.
Für Studierende wäre eine Verwendung im Rahmen eines Praktikums ebenfalls denkbar, je-
32
doch ist hier zu erwähnen, dass Messungen direkt am Board nur sehr eingeschränkt möglich
sind, da viele Leitungen intern und ohne zusätzliche Messpunkte verlaufen. Entsprechend
bräuchten Versuche eine ausführliche und kreative Vorausplanung und gegebenenfalls
Zusatzmaterial (z. B. ein Luxmeter zur Bestimmung der Lichteinstrahlung oder weitere
induktive Generatoren ). Falls darüber hinaus eigene Programme geschrieben werden sollen,
müssten Programmierkenntnisse in C/C++ vorhanden sein. Während dieser Arbeit wurde
sich auf die Verwendung der Beispielprogramme beschränkt. Ein wirklicher Zusammen-
hang zum Energy Harvesting ist dabei nicht zu erkennen gewesen. Das Experimentierkit
bietet den Vorteil einer sehr guten Betreuung durch Würth Elektronik. Auftretende Fragen
wurden stets schnell und kompetent durch die Mitarbeiter beantwortet. Ein Kritikpunkt
ist die Verfügbarkeit der nicht enthaltenen piezoelektrischen und induktiven Generatoren,
die teuer bei Drittanbietern nachgekauft werden müssten und die teilweise nicht vorhan-
dendene Kompatibilität zu externer Hardware.
Die Arbeit wurde medial auf dem Twitteraccount EMV-Messtechnik OvGU (https:
//twitter.com/EmvOvgu) begleitet. Dort finden sich Bilder und Videos zum Experimen-
tierkit, den Harvestern und dem allgemeinen Arbeitsprozessen wieder.
33
Literaturverzeichnis
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auf Basis piezoelektrischer PVDF-Folien. Technische UniversitätMünchen, 2020
[2] Poenicke O., Kirch M., Richter K., Schwarz S.: LoRaWAN for IoT Applica-
tions in Air Cargo. Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF,
2018
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3105fb.pdf, . – Aufgerufen am: 2021-03-31
[4] ANALOG DEVICES: LTC3108 - Ultralow Voltage Step-Up Converter and Power
Manager.
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/
LTC3108.pdf, . – Aufgerufen am: 2021-03-31
[5] ANALOG DEVICES: LTC3588 - Nanopower Energy Harvesting Power Supply.
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https://www.we-online.com/harvest, . – Aufgerufen am: 2020-04-06
[8] Silicon Labs: USER MANUAL Starter Kit EFM32GG-STK3700.
https://www.silabs.com, . – Aufgerufen am: 2020-04-06
34
[9] K. Mertens: Photovoltaik: Lehrbuch zu Grundlagen, Technologie und Praxis. Carl
Hanser Verlag, 2011
[10] I. Hauer: Vorlesung Photovoltaische Energiesysteme. OVGU Magdeburg, Lehrstuhl
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[11] H. Fichthorn (SITUS Technicals): Grundlagen-Peltier.
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[12] Wikipedia: Peltier-Element.
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[13] Th. Kleckers: Die piezoelektrische Alternative.
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die-piezoelektrische-alternative.141603.html, . – Aufgerufen am: 2020-04-03
[14] D. Mietke: Piezoeffekt.
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[15] Mouser Elektronics: Datenblatt MIDE PIEZOELECTRIC ENERGY HARVES-
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[16] sonic-vision.TV: Wandlerprinzipien.
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[17] R. Senti: Lautsprecherbau.
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fen am: 2021-04-01
[18] Wikipedia: Wirbelstrom.
https://de.wikipedia.org/wiki/Wirbelstrom, . – Aufgerufen am: 2021-04-06
[19] Magnic Innovations GmbH & Co KG: Magneträder.
https://www.magniclight.com/de/technik/magneten/50-magnetraeder-de, . –
Aufgerufen am: 2021-04-06
[20] Magnic Innovations GmbH & Co KG: Bedienungsanleitung
35
Selbstständigkeitserklärung
Hiermit versichern wir, Christina Bertram, Vincent Szameitat und Pierre Bolz, die vor-
liegende Arbeit selbstständig und unter ausschließlicher Verwendung der angegebenen
Literatur und Hilfsmittel erstellt zu haben.
Magdeburg, den 09. April 2021
36
A Beispielskript und Ablaufroutine
Abbildung A.1: Musterbeispiel blink lässt eine LED blinken und ist Basisskript zum
weiteren Programmieren
37
Reset
Device detection
„PB0“ gedrückt?
ja nein
USB ON
(angezeigt 1 s lang)
USB OFF
(angezeigt 1 s lang)
Demo Version
(angezeigt 1 s lang)
HRM Version
(angezeigt 1 s lang)
Die HRM Demo
wird gestartet
Abbildung A.2: Ablaufroutine
38

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Dokumentation EMV-Messtechnik (Würth Elektronik Energy Harvesting Solution To Go Kit)

  • 1. Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Dokumentation Seminar EMV-Messtechnik „Würth Elektronik Energy Harvesting Solution To Go Kit“ eingereicht am: 09. April 2021 von: Christina Bertram Vincent Szameitat Pierre Bolz Betreuer: Dr.-Ing. Mathias Magdowski
  • 2. Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 1.1 Definition von Energy Harvesting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Aufbau und Beschreibung des Experimentierkits . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2.1 Giant Gecko und Harvesting-Platine . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2.2 Zusätzliche Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.3 Inbetriebnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3.1 Giant Gecko und Harvester-Platine . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3.2 Handgelenksbasierter Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2 Verwendung verschiedener Harvester 11 2.1 Photovoltaikmodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.2 Benutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 Peltierelement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.2 Benutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3 Piezosensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.3.2 Benutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.4 Betrieb mit induktivem Harvester . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4.1 Lautsprecher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4.2 Wirbelstromgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3 Beispielprogramme der Software Simplicity Studio 28 3.1 Basisprogramm inttemp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.2 Programm blink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3 Programm touch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.4 Programme clock und Programm burtc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.5 Programme biometric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4 Fazit 32 i
  • 4. Abbildungsverzeichnis 1.1 Übersicht der Energiequellen und deren Wandlungskette . . . . . . . . . . 2 1.2 Layout des Energy Harvesting Boards [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 Layout des EFM32 Giant Gecko Starter Kits [8] . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.4 8 × 20-Segment-LCD-Display des Giant Gecko EFM 32 [8] . . . . . . . . . 5 1.5 Touch-Slider des Giant Gecko EFM 32 [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.6 Layout des EXP-Sensor-Adapters Si7013 und Si1146 (blau markiert) [7] . . 6 1.7 Messung von Herzfrequenz und Sauerstoffgehalt des Blutes über einen Finger [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.8 Layout des EXP-Sensor-Adapters (rot markiert) [7] . . . . . . . . . . . . . 7 1.9 Verschaltung des Giant Gecko mit dem Layout des handgelenkbasierten Sensors (rot) und der Harvester-Platine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.10 Sensor Si118x am Handgelenk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1 Funktionsprinzip einer Solarzelle [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2 Strom-Spannungs-Kennlinie Solarzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.3 Schaltplan Solarzelle und DC/DC-Wandler [3] . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.4 Schematische Darstellung des Peltier-Elements. [12] . . . . . . . . . . . . . 16 2.5 Schaltung des DC/DC-Wandlers LTC3108 [4] . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.6 Aufbau eines Piezosensors (grün: Quarzscheiben) [13] . . . . . . . . . . . . 18 2.7 Longitudinaler (links) und transversaler Piezoeffekt (rechts) [14] . . . . . . 19 2.8 MIDE V2 BL Piezo Generator [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.9 Piezo Trommelscheibe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.10 Schaltung des piezoelektrisches Energieversorgungsnetzteils LTC3588 [5] . . 21 2.11 Lautsprecher zur Verwendung als Harvester . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.12 Aufbau eines Tauchspulenlautsprechers [17] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.13 Oszillogramm der mithilfe des Lautsprechers erzeugten Spannung . . . . . 24 2.14 Magnetrad des Wirbelstromgenerators [19] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.15 Auszug aus der Montageanleitung des magniclight-Fahrradlampensystems [20] 26 iii
  • 5. 2.16 Wirbelstromgenerator in den Ausführungsvarianten als Fahrradbeleuchtung (rechts) und zum Abgreifen einer elektrischen Spannung für Testzwecke (links) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.1 Interface des Simplicity Studios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.2 Interface des Simplicity Studios: Hier ist der Reiter example projects and demos dargestellt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 A.1 Musterbeispiel blink lässt eine LED blinken und ist Basisskript zum weiteren Programmieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 A.2 Ablaufroutine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 iv
  • 6. 1 Einleitung 1.1 Definition von Energy Harvesting In Zeiten der immer weiter ansteigenden Digitalisierung und Elektrifizierung von Geräten des täglichen Gebrauchs stellt sich oft die Frage, inwiefern diese mit elektrischer Energie versorgt werden können. Eine mögliche Antwort darauf könnte durch das Stichwort „Energy Harvesting“ beantwortet werden. Energy Harvesting beschreibt die Gewinnung von elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen. Energy Harvesting basiert auf ähnlichen Konzepten wie die Energiegewinnung aus erneuerbaren Quellen, jedoch handelt es sich um Energien mit geringer Leistung. Dazu zäh- len drahtlose Sensornetzwerke, die zur Überwachung von Prozess- und Systemparametern eingesetzt werden. Die Umwandlung von Verlustenergie der zu überwachenden Systeme in nutzbare Energie ermöglicht einen langandauernden elektrischen Betrieb der Sensoren und erhöht die Effizienz des zu überwachenden Systems, indem dessen Verlustenergie sinnvoll genutzt wird. Abhängig von ihrer Höhe, kann die gewandelte Energie den autar- ken Sensorbetrieb eigenständig ermöglichen oder wird zum Nachladen von aufladbaren Energiespeichern genutzt, um die Betriebsdauer deutlich zu verlängern. Im Vergleich zu Kraftwerken bzw. stationären Gebieten mit erneuerbaren Energien, sind Energy Harvester nicht zwangsläufig an eine Position oder einen Standort gebunden. Es können in Abhän- gigkeit der Applikation verschiedene Energiequellen genutzt werden. Ein Überblick der diversen Quellen und deren Wandlungskette ist in Abbildung 1.1 dargestellt. Weitere Einschränkungen sind die Größe des Geräts, sowie dessen Energieverbrauch. Beides kann als als relativ klein angenommen werden. Die Technologie des Energy Harvestings wird im Vergleich zum Betrieb mittels aufladbaren Batterien noch nicht so stark kommer- ziell genutzt. Aus diesem Grund ist eine Verwendung nur dort wiederzufinden, wo Systeme autark arbeiten müssen oder schwer zugänglich sind. Als Beispiel ist hier ein System zu nennen, dass für die Überwachung von Trinkwasser zuständig ist und sich im Inneren eines Versorgungsrohres befindet. Des Weiteren existieren auf Flughäfen Fahrzeuge, die ständig geortet werden müssen. Für die Ortung ist es denkbar, dass eine Sendevorrichtung über einen Harvester betrieben wird und ständig ein Signal an eine Kontrolleinheit auf 1
  • 7. Energiequellen Licht Wasserströmung Wind Mensch Maschine Gebäude Energieformen Solar Thermisch Mechanisch EM-Wellen Wandlungskette Photovoltaisch Thermoelektrisch Pyroelektrisch Piezoelektrisch Elektromagnetisch Elektrostatisch Antenne Abbildung 1.1: Übersicht der Energiequellen und deren Wandlungskette dem Flughafengelände überträgt. Somit könnte der Betrieb automatisiert und effizienter ausgeführt werden. Als weitere Beispiele sind hier auch Parkautomaten, Armbanduhren oder Taschenrechner zu nennen. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die Anwendungs- möglichkeiten vielfältig sind und der Bedarf weiter steigen könnte, weshalb es sich lohnt dieses Thema näher zu betrachten. Die Technologie und der Einsatz des Energy Harvestings ist im Vergleich zum Konkurrenten, der Batterie, noch nicht vollständig ausgereift und dadurch noch mit größeren technischen und finanziellen Aufwand verbunden. Aus diesem Grund ist eine sinnvolle Anwendung nur dort zu finden, wo ein Batteriebetrieb nicht möglich ist oder nicht ausreicht. Dies ist der Fall, wenn eine Batterie vorzeitig entladen wird und ein Austausch unökonomisch ist, z.B. bei steigenden Stückzahlen oder wenn die Applikation unzugänglich oder in Bewegung ist. Die möglichen Anwendungen der Harvester zur Energieerzeugung sind vielfältig und belaufen sich auf größere Systeme wie die Überwachung des Trinkwassers im Inneren der Versorgungsleitung oder Ortungssysteme für Flughafenbodengeräte (GRE Stracking), über Bodenplatten bis hin zu kleinen Systemen wie Parkautomaten oder Armbanduhren mit integrierter Pulsmessung, Taschenrechner oder mobil zum Wandeln von menschlicher Schrittenergie (noch in der Forschung). [1] [2] Diese Arbeit behandelt die Wandlung von photovoltaischer, thermoelektrischer, piezo- elektrischer und induktiver Energie in elektrische Energie. Dabei liegt der Fokus auf 2
  • 8. dem „Solution to Go“-Demokit der Firma Würth Elektronik, das genau diese Prinzipien vereinigt und veranschaulicht. Das Kit ist eine Komplettlösung für Energiegewinnung, Energiemanagement und Energiespeicherung. Im Rahmen der Lehrveranstaltung „Seminar EMV-Messtechnik“ ist das Kit u.a auf Lehrtauglichkeit getestet worden. Zusätzlich zu dieser Arbeit sind ausgewählte Ergebnisse und Beschreibungen auf dem ergänzenden Twitter-Account (siehe: https://twitter.com/EmvOvgu) veröffentlicht worden. 1.2 Aufbau und Beschreibung des Experimentierkits 1.2.1 Giant Gecko und Harvesting-Platine Bei dem Kit des Herstellers Würth Elktronik handelt es sich um die Entwicklungsplattform Energy Harvesting Solution To Go, welche aus zwei wesentlichen Komponenten, dem Ener- gy Harvesting Board (Abbildung 1.2) und dem Giant Gecko Starter Kit (Abbildung 1.3), besteht. Beide Komponenten sind über den Power Connector verbunden. Das Experi- mentierkit kann mit vier verschiedenen Harvestern betrieben werden, einer Solarzelle, einem Peltier-Element, einem piezoelektrischem Sensor und einem induktiven Harvester. Diese werden in Abschnitt 2 näher beschrieben. Da alle Technologien unterschiedlich funktionieren, sind demnach auch zum Teil unterschiedliche Anpassschaltungen von Nöten, welche fest auf dem Board verbaut sind. Die Bezeichnungen der Schaltungen ist auf dem Board zu finden und lauten: • LTC3459 für die Solarzelle (siehe: [3]) • LTC3108 für das Peltier-Element (siehe: [4]) • LTC3588 für für den piezoelektrischen und den induktiven Sensor (siehe: [5]) • LTC3105 für den Dioden Voltage Drop Harvester (siehe: [6]) Jede dieser Schaltungen wird über die Jumper 1 bis 4 (Source Selector in Abbildung 1.2) angesteuert. Es darf dabei immer nur einer dieser Jumper entsprechend der genutzten Schaltung gebrückt sein. Wird z. B. die Solarzelle in Betrieb genommen, so muss Jumper 4 auf der LTC3459 Schaltung gebrückt sein. Enstprechend analog ist das Verfahren für die anderen Schaltungen bzw. Harvestern. Die Schaltung LTC3105 ist im Rahmen dieses Projektes nicht genutzt wurden. Bei Bedarf gibt es weitere Informationen im Datenblatt (siehe [6]). Neben den ersten vier wichtigsten Jumpern gibt es einige weitere. Bei den Jumpern 9 und 10 handelt es sich um die Ansteuerung der Backupkondensatoren, welche im Ruhemodus, wenn keine Spannungversorgung durch Batterie, USB oder Harvester gewährleistet ist, einen weiteren Betrieb ermöglichen. In der Abbildung 1.2 sind diese unter dem Begriff Buffer Cap Selector gekennzeichnet. Wenn Jumper 9 gebrückt ist, ist 3
  • 9. eine Back-up-Ausgangsspannung und wenn Jumper 10 gebrückt ist, ist eine Back-up- Eingangsspannung gewährleistet. Die Jumper 11 und 12 konfigurieren den AC-Eingang für den Gebrauch von Hochimpedanzquellen wie elektromechanischen Wandlern bzw. Vibrations-Harvestern z.B der im Datenblatt [5] vorgestellten Firma PM DM ( Precision Motors Deutsche Minebea GmbH). Wichtig ist hier, das entweder Jumper 11 oder 12 gebrückt sind, niemals beide zusammen. Ersterer muss bei der Nutzung eines induktiven Harvesters gebrückt sein, letzterer bei der Nutzung eines piezoelektrischem Harvesters. Abbildung 1.2: Layout des Energy Harvesting Boards [7] Das Giant Gecko Starter Board beinhaltet viele Funktionen und Elemente, wie es in Abbildung 1.3 markiert ist. Im Rahmen diese Projektes sind die Push-Buttons, der Touch Slider, das Display sowie das USB Interface, der Power Selector und der Expansion Header verwendet wurden. Letzter ist die Kontaktstelle zum Harvester Board. Das Kernelement des Giant Gecko Boards ist der Cortex-M3-Mikrokontroller. Das Board kann aus drei Quellen, dem USB-Port, den Harvestern und der 3 V-Batterie gespeist werden. Entsprechend der jeweiligen Energiequelle muss der entsprechende Schalter (Power Source Select) zwischen den Stellungen „BAT“, „USB“, „DBG“ umgeschaltet werden. 4
  • 10. Abbildung 1.3: Layout des EFM32 Giant Gecko Starter Kits [8] Abbildung 1.4: 8 × 20-Segment-LCD-Display des Giant Gecko EFM 32 [8] Das Display des Giant Gecko EFM 32 besitzt eine 8 × 20-Segment-LCD-Anzeige, wie in Abbildung 1.4 dargestellt. Durch diese lässt sich der Betriebszustand, diverse Parameter, die Zeit und Weiteres anzeigen. Neben dem Display befinden sich Tasten (in Abbildung 1.3 mit Push-Buttons gekennzeichnet) auf dem Board, mit denen sich bestimmte Einstellungen, die auf dem Display ausgegeben werden, steuern lassen. Neben den Push-Tasten gibt es eine weitere Taste (Reset), mit der sich die installierte Firmeware neu starten lässt. Des Weiteren besitzt der Giant Gecko Nutzer-LEDs und einen Schieberegler (Touch Slider). Beides lässt sich mit entsprechender Firmeware (Abschnitt 3.5) ansprechen. Abbildung 1.5: Touch-Slider des Giant Gecko EFM 32 [8] 5
  • 11. Der kapazitive Schieberegler (Abbildung 1.5) erfasst Kapazitätsänderungen bei Berührung eines Fingers und gibt auf dem Display eine Buchstabenschleife aus. Alle weiteren in Abbildung 1.3 gekennzeichneten Elemente sind im Rahmen dieses Projektes nicht analysiert wurden. Bei Interesse sei hier auf das Datenblatt des EFM 32 Giant Gecko in [8] verwiesen. Zwischen Harvester- und Giant-Gecko-Platine lässt sich eine weitere, dem Kit nicht zugehörige Komponente, zwischen schalten. Dies wird im folgenden Abschnitt näher betrachtet. 1.2.2 Zusätzliche Komponenten Eine zusätzliche Komponente stellt z. B. der Adapter BRD8002A Rev. A00 in Abbil- dung 1.6 (blau markiert) dar. Dieser ermöglich eventuell externe Hardware an das Energy Harvesting Kit anzuschließen und wird, wie in Abbildung 1.9 zu sehen, zwischen das Giant Gecko Starter Kit und dem Energy-Harvesting-Board mittels Expansion Header zugeschaltet. Diese Hardware besteht unter anderem aus einem Temperatursensor (Si7013), einem Näherungssensor (Si1146) und weiteren Sensoren, die Luftfeuchtigkeit, Umgebungs- lichtstärke, Herzfrequenz und den Sauerstoffgehalt (SpO2) messen können. Zur Messung der Herzfrequenz und des Sauerstoffgehaltes muss wie in den Abbildungen 1.6 bzw. 1.7 ge- kennzeichnet, der Zeigefinger auf den Sensor gehalten werden. Im Rahmen dieses Projektes ist der Adapter BRD8002A nicht bestellt und nicht verwendet worden. Er spielt jedoch in Bezug auf die Software eine wesentliche Rolle. Im Abschnitt 1.3.2 wird auf diesen Adapter kurz eingegangen. Abbildung 1.6: Layout des EXP-Sensor-Adapters Si7013 und Si1146 (blau markiert) [7] 6
  • 12. Abbildung 1.7: Messung von Herzfrequenz und Sauerstoffgehalt des Blutes über einen Finger [8] Für dieses Projekt ist ein Herzfrequenzsensor für das Handgelenk verwendet worden. Dieser wird über den Expansion Adapter REV 1.0 zugeschaltet und ist in Abbildung 1.9 rot markiert. Der eigentliche Sensor ist über ein circa 100 cm langes Bandkabel mit dem Expansion Adapter verbunden und wird über ein Armband (Abbildung 1.10) am Handgelenk befestigt. Die beiden Elemente sind in Abbildung 1.9 noch einmal deutlich durch rote Kästen hervorgehoben, wobei der Expansion Adapter mit 1 und der eigentliche Sensor mit 2 gekennzeichnet ist. Zum Sensor werden an dieser Stelle keine weiteren Informationen beschrieben, da auch nach Rückfragen beim Hersteller kein Datenblatt zur Verfügung stand und eine Inbetriebnahme weiterer Schritte bedarf, die im Abschnitt 1.3.2 näher erläutert werden. Abbildung 1.8: Layout des EXP-Sensor-Adapters (rot markiert) [7] 7
  • 13. 2 1 Abbildung 1.9: Verschaltung des Giant Gecko mit dem Layout des handgelenkbasierten Sensors (rot) und der Harvester-Platine Abbildung 1.10: Sensor Si118x am Handgelenk 8
  • 14. 1.3 Inbetriebnahme 1.3.1 Giant Gecko und Harvester-Platine Die erste Inbetriebnahme verlief nicht ganz reibungslos. Laut Hersteller sollte der Control- ler auf der Giant-Gecko-Platine mit einer Basisfirmware vorprogrammiert sein, so dass die Solarzelle und der Thermogenerator das LCD-Display direkt speisen können. Leider war dies nicht der Fall. Laut Würth Elektronik ist es mehrfach vorgekommen, dass eine fehlerhafte Demoversion auf dem Board aufgespielt ist. Dies kann durch die Installation der Software inttemp über Simplicity Studio behoben werden. Dabei sollte besondere Achtung auf die Wahl der Jumper gelegt werden. Die Solarzelle funktioniert wie bereits beschrieben z. B. nur, wenn Jumper 1 auf dem Power Board gebrückt ist. Die Software und die Demo selber werden in Kapitel 3 vorgestellt. Sobald die Handhabung der Jumper verstanden war, gab es keine weiteren Schwierigkeiten die Solarzelle und den Thermogenerator zu betreiben. Bei den externen Generatoren gab es jedoch einige Probleme, da diese unter anderem im Erwerb sehr kostspielig sind. Aus diesem Grund wurde nach anderen Alternativen gesucht, was sich als mehr oder weniger kompliziert herausgestellt hat. Der Piezosenssor wird lediglich im Datenblatt von Würth Elektronik vorgestellt, wobei diese auf die Firma Mouser Elektronik referiert, wo er leider nur in größeren Mengen günstig zu kriegen ist. Auf Grund der Kostenfrage wurde daher in diesem Projekt eine herkömmliche Trommel- scheibe verwendet, was recht gut funktioniert hatte. Hier zu weitere Informationen unter Abschnitt 2.4. Die Benutzung eines original von Würth Elektronik vorgestellten Sensors ist also nicht notwendig. Der induktive Sensor dagegen wird leider gar nicht von Würth Elektronik vorgestellt. Daher wurde in diesem Projekt in Absprache mit dem Betreuer ein herkömmlicher Lautsprecher und ein Wirbelstromgenerator auf induktives Harvesting getestet. Ersterer wird im Abschnitt 2.4.1 vorgestellt und Letzterem ist der Abschnitt 2.4.2 gewidmet. Ein interessantes Element stellen auch die bereits genannten Backupkondensa- toren dar. Sie halten die Spannungsversorgung nach dem Abschalten der Solarzelle für ungefähr 33 s aufrecht. Dies ist daran zu erkennen, dass das Display verzögert ausgeschaltet wird. Dieser Test funktionierte unabhängig von der ausgeschalteten Quelle, wobei eine Batterie oder eine externe Last wie z. B. ein Sensor aus den bereits genannten Gründen nicht ausprobiert wurden. Dieser Test sollte jedoch nur als Anhaltspunkt dienen, den im Falle der Solarzelle könnten minimale Sonneneinstrahlung den Betrieb aufrechterhalten. Beim Peltier-Element wäre es eventuell noch die Restwärme während beim Piezosensor die Druckkraft bzw. wie diese ausgeführt wird und beim induktiven Harvestern eventuell noch gespeicherte Energie in der Spule die Entladezeit beeinflussen können. Dies kann jedoch über das Entfernen der Jumper minimiert werden. Nach weiteren Tests hat sich jedoch 9
  • 15. gezeigt, dass der Einfluss der noch verbundenen Harvester als sehr gering angenommen werden kann. 1.3.2 Handgelenksbasierter Sensor Zur Inbetriebnahme eines externen Sensors sind weitere Schritte nötig. Es gibt drei Möglichkeiten diesen in Betrieb zu nehmen, jedoch ist dazu Kommunikation mit den Herstellern Silicon Labs und Würth Elektronik von Nöten. Möglichkeit (a) beinhaltet denn Kauf einer neuen Gaint-Gecko-Platine aktueller Version, Variante (b) den Kauf eines weiteren Sensors, jedoch älterer Generation. Theoretisch käme da der Adapter BRD8002A mit dem integrierten beschriebenen Finger-Pulssensor (Abschnitt 1.2.2) in Frage. Variante (c) beinhaltet die Besorgung beider Hardware-Varianten, um aussagekräftige Vergleiche zu vollziehen und vielfältigere Experimente zu gewährleisten. Eine Gegenüberstellung der Vorteile (+) und Nachteile (−), der jeweiligen Besorgung findet sich in der nachfolgenden Liste: a: Besorgung eines Giant Gecko Boards aktueller Version + Kompatibilität mit handgelenkbasiertem Sensor Si118X gewährleistet − Firmware nicht vorhanden, Programmierung notwendig b: Besorgung des Adapters BRD8002A + mit EFM 32 Giant Gecko kompatibel + Firmeware vorhanden, Programierung nicht notwendig − möglicherweise nicht erhältlich − technischer Support des EFM 32 Giant Gecko und des Adapters BRD8002A nicht vorhanden, da beides in großen Mengen nicht mehr produziert wird c: Beide zuvor genannte Komponenten erwerben + durch Adapter BRD8002A eventuell mehr Funktionen möglich + Sensor Si118X interessant für weiterführende Projekte (z. B. beim Joggen den Puls mittels Harvester messen) − kostenintensivste Variante 10
  • 16. 2 Verwendung verschiedener Harves- ter 2.1 Photovoltaikmodul Das Experimentierkit verfügt über eine Solarzelle, die es ermöglicht, die benötigte Ver- sorgungsspannung aus Licht zu gewinnen. Im Folgenden werden zunächst das allgemeine Funktionsprinzip einer Solarzelle erläutert sowie Vor- und Nachteile und mögliche An- wendungen als Harvester beschrieben. Anschließend wird die real vorliegende Zelle näher betrachtet und erklärt, inwieweit sie benutzt werden konnte. 2.1.1 Grundlagen Abbildung 2.1: Funktionsprinzip einer Solarzelle [9] 11
  • 17. Eine Solarzelle besteht in den meisten Fällen aus p-dotiertem Silizium (gelegentlich auch aus anderen Halbleitermaterialen), auf das eine dünne n-dotierte Schicht aufgebracht wird (siehe Abbildung 2.1). Am pn-Übergang wandern überschüssige Elektronen von der n-Schicht in die p-Schicht, wodurch ein ortsfestes elektrisches Feld mit positivem Pol in der n-Schicht und negativem Pol in der p-Schicht entsteht. Diese Übergangsschicht wird auch als Raumladungszone bezeichnet. Treffen nun Sonnenstrahlen auf das Silizium, geben die Lichtphotonen entsprechend dem Photoeffekt Energie an die im Silizium-Gitter gebundenen Außenelektronen ab. Aufgrund dieser Energie werden die Außenelektronen vom Valenzband ins Leitungsband versetzt. Dadurch werden sie freibeweglich und lassen ein Loch zurück. Geschieht dies innerhalb der Raumladungszone wird das Elektronen-Loch-Paar durch das elektrische Feld getrennt. Während das Loch durch Elektronen-Hopping nach unten wandert, werden die Elektronen vom positiven Pol nach oben gezogen und können an den Metallkontakten abgegriffen werden. Der entsprechende Ausgleichsvorgang über einen ex- ternen Leiter ist ein gerichteter Stromfluss, mit dem ein Verbraucher betrieben werden kann. Elektronen, die außerhalb der Raumladungszone freibeweglich werden, können ebenfalls zum Stromfluss beitragen. Dafür muss der Lichteinfall jedoch in einer Entfernung zur Raumladungszone erfolgen, die die Diffusionslänge der Elektronen nicht überschreitet. Andernfalls rekombinieren sie, d.h. sie fallen ins Valenzband zurück und werden wieder gebunden, bevor sie die Raumladungszone erreichen. Diese Rekombinationsverluste sind besonders vom Material abhängig und treten aufgrund der unreineren Struktur bei po- lykristallinem Silizium stärker auf als bei monokristallinem. Sie sind einer der Gründe, warum handelsübliche Solarzellen nur Wirkungsgrade von 10 % bis 20 % erreichen. Andere Verluste sind Strahlungsverluste, bei denen der Energiegehalt des Lichts nicht ausreichend ist, um die Elektronen vom Valenz- ins Leiterband zu heben oder Reflexions- und Trans- missionsverluste. Auch ohmsche Verluste an Kontakten und Leitungen treten auf. Die Strom-Spannungs-Kennlinie ist in Abbildung 2.2 zu sehen. I U PMPP = UMPP · IMPP MPP IK UL IMPP UMPP Abbildung 2.2: Strom-Spannungs-Kennlinie Solarzelle 12
  • 18. Während der Strom von der Anzahl der nutzbar gemachten Elektronen abhängt, wird die Spannung durch das Energieniveau bestimmt, auf das die Elektronen durch Absorption der Photonen versetzt werden, also dem Energieniveau des Leiterbands [10]. Dieses ändert sich bei Halbleitern mit der Temperatur. Deswegen sinkt die Spannung bei höherer Temperatur, während der Strom in erster Linie durch eine höhere Einstrahlungsdichte gesteigert werden kann. Es ist zu erkennen, dass der Strom für verschiedene Spannungen weitestgehend konstant verläuft und ab einer Kippspannung rasant abfällt. Der Grund dafür ist, dass das Energieniveau, auf das die Elektronen für eine solche Spannung gebracht werden müssten, durch Sonnenlicht nicht mehr erreicht werden kann. Typische Leerlaufspannungen von Silizium-Solarzellen betragen etwa 0,6 V. Der Maximum-Power-Point stellt sich wie im Bild zu sehen bei etwas geringeren Spannungen ein. Durch Reihenverschaltung mehrerer Solarzellen kann die Spannung erhöht werden, durch Parallelschaltung der Strom. In der Praxis wird meistens eine Kombination beider Schaltungsarten verwendet. Solarzellen eignen sich neben der Energieversorgung im großen Stil auch sehr gut für kleinere Anwendungen. Sie können sowohl durch natürliches als auch künstliches Licht betrieben werden und weisen somit eine hohe Verfügbarkeit der Energiequelle auf. Darüber hinaus arbeiten sie lautlos, emissionslos und ohne externe Versorgungsquelle. Sie haben wenig Gewicht, sind langlebig und haben einen geringen Wartungsaufwand. Ein Nachteil ist der niedrige Wirkungsgrad, der zu relativ großen benötigten Flächen führt, die auf dem Anwendungsgerät installiert werden müssen. Außerdem sind die Anschaffungs- kosten verhältnismäßig hoch und ebenso die CO2-Bilanz des Herstellungsprozesses. Typische Anwendungen von Solarzellen im niedrigen Leistungsbereich sind Taschenrechner, Armbanduhren und Kofferradios. 2.1.2 Benutzung Der im Experimentierkit verwendeten Solarzelle wird ein DC/DC-Wandler nachgeschaltet (LTC3105, siehe Abbildung 2.3). Dieser ist intern in das Board verbaut, so dass zwischen PV-Zelle und Wandler leider keine Messungen vorgenommen werden konnten. Der DC/DC-Wandler hat einen Eingangsbereich von 225 mV bis 5 V und setzt die Aus- gangsspannung auf 4,1 V. Somit kann er auf verschiedene bereitgestellte Spannungen der Solarzelle reagieren. Das erlaubt auch einen Einsatz bei erhöhter Temperatur infolge von sehr starker Sonneneinstrahlung. Die genaue Ausgangsspannung der Solarzelle konnte nicht gemessen werden. Es ist aber davon auszugehen, dass der Wandler vornehmlich als Hochsetzsteller eingesetzt wird. 13
  • 19. Abbildung 2.3: Schaltplan Solarzelle und DC/DC-Wandler [3] Wie dem Schaltplan zu entnehmen ist, ist dem System ein Lithium-Ionen-Akku beigefügt. Dieser dürfte in erster Linie zur Zwischenspeicherung verwendet werden, so dass es auch ohne Lichteinstrahlung möglich ist, das Kit für kurze Zeit zu bedienen. Darüber hinaus ist in den DC/DC-Wandler eine Maximum-Power-Point-Regelung imple- mentiert. Mit dieser ist es möglich, die maximale Leistung zu bestimmen. Dafür wird die Spannung in diskreten Zeitschritten verändert und gleichzeitig der Strom gemessen, so dass die Leistung aus Strom und Spannung berechnet werden kann. Die Spannung wird so lange erhöht, bis die Leistung nicht mehr steigt. Anschließend wird sie wieder gesenkt, so dass sich ein Pendeln um den MPP einstellt. Dieses Verfahren ist insbesondere bei Änderung der Lichtverhältnisse oder Teilverschattung wichtig und kann die Effizienz steigern. Der Betrieb des Experimentierkits mit Hilfe der Solarzelle funktionierte ohne Einschränkung. Es wurden dabei Tests für verschiedene Lichtverhältnisse und Lichtquellen vorgenommen. Das Board konnte sowohl bei natürlichem Sonnenlicht als auch bei künstlichem Licht im Labor problemlos betrieben werden. Die Schrift in der Anzeige war stets klar zu erkennen, was auf eine durchweg ausreichende Versorgung hindeuten lässt. Es wurde darüber hinaus ermittelt, dass die Zwischenspeicherung bei Dunkelheit nur für einige wenige Sekunden möglich ist (siehe Abschnitt 1.3.1). Das spricht für einen Lithium-Ionen-Akku mit sehr geringer Kapazität, was in Anbetracht der hohen Kosten von leistungsstarken Akkus dieser Art auch nicht verwunderlich ist. Den beigefügten Dokumenten und Quellen des Experimentierkits konnten keine näheren Informationen zum Akku oder zur Solarzelle entnommen werden. Lediglich der DC/DC-Wandler wird ausführlich beschrieben. 14
  • 20. 2.2 Peltierelement Zusätzlich zum Photovoltaikmodul des vorherigen Abschnitts verfügt das Experimentierkit weiterhin über ein sogenanntes Peltier-Element. Dieses ermöglicht es aus einer Wärmequelle elektrische Energie zu gewinnen. Dieser Abschnitt zeigt die Grundlagen des Elements sowie dessen Nutzung als Energy-Harvester und eine Gegenüberstellung der Vor- und Nachteile auf. 2.2.1 Grundlagen Ein Peltier-Element ist ein thermoelektrischer Wandler, dem der Peltier-Effekt zugrunde liegt. Darunter versteht man die gegenseitige Beeinflussung von Temperatur und Elektrizität und ihre Umsetzung in einander. So entsteht bei Stromfluss eine Temperaturdifferenz und umgekehrt ruft eine Temperaturdifferenz einen Stromfluss hervor. Der umgekehrte Prozess wird Seebeck-Effekt (auch thermoekektrischer Effekt) genannt und findet Verwendung bei Thermoelementen und thermoelektrischen Generatoren wie jener im Energy-Harvesting- Kit. Dieser Effekt wird durch frei bewegliche Elektronen in Metallen hervorgerufen, die sich bei verschiedenen Materialien auf unterschiedlichen Energieniveaus befinden. Kommen diese Metalle in Kontakt, findet ein Potenzialausgleich statt. Durch eine Wärmequelle kann der entsprechende Stromfluss weiter aufrecht erhalten werden. Bei Metallen ist dieser sehr gering und wird fast vollständig durch die auftretende Verlustwärme und die hohe Wärmeleitfähigkeit kompensiert. Aus diesem Grund werden Peltierelemente technisch aus p- und n-dotierten Halbleitern aufgebaut [11]. Die Realisierung ist in Abbildung 2.4 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Halbleiterelemente mit wechselnder Dotierung in Reihe geschaltet sind. Zwei aufeinanderfolgende Elemente sind wiederum über Metallbrücken verbunden. Des Weiteren sind aus der Abbildung zwei Keramikflächen (grün) zu erkennen. An diesen werden die Metallbrücken befestigt. Außerdem dienen sie zur allgemeinen Stabilität des gesamten Elements. 15
  • 21. Abbildung 2.4: Schematische Darstellung des Peltier-Elements. [12] Die kommerziellen Anwendungsgebiete eines Peltier-Elements beschränken sich auf die Erwärmung und Kühlung. Demnach können zum Beispiel Proben in der Molekularbiologie schnell erwärmt und gekühlt werden. Im Konsumerbereich werden sie in tragbaren Kühl- boxen verbaut oder auch als CPU-Kühler. Die Effizienz der Elemente ist jedoch gering, weshalb das Anwendungsgebiet auch dement- sprechend klein und spezifisch ausfällt. Vorteile: • geringer Platzbedarf • geringes Gewicht • keine beweglichen Bauteile nötig Nachteile: • Temperatur nur bedingt regelbar • niedrige Effizienz 16
  • 22. 2.2.2 Benutzung Damit das Experimentierkit über das Peltier-Element mit einer Spannung versorgt werden kann, ist es nötig die zwei Spannungsebenen anzugleichen. Dafür ist der Hochsetzsteller „LTC3108“ zuständig. Dieser transformiert die niedrige Ausgangsspannung des Peltier- Elements (20 mV bis 500 mV) auf ein Spannungsniveau von 2,35 V, 3,3 V, 4,1 V oder 5 V. Die dazugehörige Schaltung ist in Abbildung 2.5 aufgeführt. Wie im vorherigen Abschnitt erläutert, ist es nötig das Peltier-Element über eine Wärme- quelle zu betreiben. In diesem Fall wurde zum Einen Körperwärme durch Auflegen einer Hand genutzt und zum Anderen ein Gefäß mit warmem Wasser, das sich stehend auf dem Element befand. For more information www.analog.com TYPICAL APPLICATION less transmitter or sensor signals that the main outpu A second output can be en capacitor provides power w is unavailable. Extremely lo efficiency design ensure the of the output reservoir cap The LTC3108 is available in 12-lead (3mm × 4mm) D SSOP package. Wireless Remote Sensor Application Powered From a Peltier Cell n Remote Sensors and Radio Power n Surplus Heat Energy Harvesting n HVAC Systems n Industrial Wireless Sensing n Automatic Metering n Building Automation n Predictive Maintenance 3108 TA01a C1 20mV TO 500mV C2 SW VS2 VS1 VOUT2 PGOOD 2.2V 470µF PGD VLDO VSTORE + VOUT VOUT2_EN LTC3108 VAUX GND 0.1F 6.3V 5V 3.3V 1µF 1nF 220µF 1:100 330pF SENSORS RF LINK µP 2.2µF + + + THERMOELECTRIC GENERATOR All registered trademarks and trademarks are the property of their respective owners. TIME (sec) 10 1 100 1000 0 0 VOU COU Document Feedback Abbildung 2.5: Schaltung des DC/DC-Wandlers LTC3108 [4] Im vorherigen Abschnitt zur Solarzelle wurde als Energiespeicher des Schaltungsausgangs ein Lithium-Ionen-Akku genutzt. In diesem Fall existiert eine solcher nicht, dafür wird ein Kondensator genutzt, der den Betrieb des Boards für einige Sekunden aufrecht erhalten kann, obwohl dem Peltier-Element keine weitere Wärme zugeführt wird. 2.3 Piezosensor Neben dem internen Harvestern, d. h. neben dem Photoelement und dem Peltierelement ist das Experimentierkit auch für eine Nutzung mit externen Harvestern gerüstet. In diesem Projekt wird der piezoelektrische und der induktive Harvester vorgestellt. Beide 17
  • 23. werden vom Hersteller Würth Elektronik nicht mitgeliefert. Auf Anfrage wurden Vorschläge für verschiedene zum Harvesting geeignete Sensoren von Drittfirmen unterbreitet. Aus Kostengründen wurde jedoch auf eine Anschaffung verzichtet und sich stattdessen in Absprache mit dem Betreuer nach kostengünstigen Alternativen umgeschaut. Dieser Abschnitt widmet sich zunächst den Grundlagen der piezoelektrischen Energiewand- lung, den Vorteilen und möglichen Anwendungen und gibt im Anschluss Rückschlüsse auf die Inbetriebnahme mit dem Kit. 2.3.1 Grundlagen Der piezoelektrische Sensor basiert auf dem piezoelektrischen Effekt und wird für verschie- dene Messverfahren zur Bestimmung von Druck, Beschleunigung, Spannung, Kraft oder als Gassensor eingesetzt. Der Begriff „Piezo“ leitet sich vom griechischen Wort für Druck ab. Druckkraft (Verformung) erzeugt in verschiedenen piezoelektrischen Materialien auf der Oberfläche elektrische Ladung. Daher bestehen die piezoelektrischen Kraftsensoren aus in der Regel zwei Scheiben eines piezoelektrischen Kristalls. Zwischen diesen Scheiben ist eine Elektrode angelegt, welche die entstehenden Ladungen aufnimmt. Das umgebende Gehäuse dient ebenso als Elektrode. Das Prinzip ist in Abbildung 2.6 gezeigt. Abbildung 2.6: Aufbau eines Piezosensors (grün: Quarzscheiben) [13] Die Quarzscheiben (grüne Flächen) wandeln die eingeleitete Kraft in eine Ladung um, die von der Elektrode zwischen den Sensoren aufgenommen wird. Der piezoelektrische Effekt tritt dabei sowohl in einkristallinen Materialien als auch in polykristallinen ferroelektrischen Keramiken auf. Dabei wirken mechanische Druck- oder Zugkräfte entlang bestimmter Kristallachsen auf den Piezowirkstoff ein und verschieben positiv und negativ geladene Kristallgitterpunkte. Dabei wird zwischen direktem und inversem piezoelektrischm Effekt 18
  • 24. unterschieden. Ersterer, auch Generator- oder Sensoreffekt genannt, wandelt mechanische in elektrische Energie um. Zur Gewährleistung der Energiewandlung, ist die Kraftwirkung in Richtung einer polaren x-Achse nötig. Es wird ein longitudinaler Piezoeffekt hervorgerufen, d. h. es baut sich eine elektrische Spannung in Kraftrichtung auf, in der das Kristallgitter gestaucht wird. Dies ist in der Abbildung 2.7 links dargestellt. Abbildung 2.7: Longitudinaler (links) und transversaler Piezoeffekt (rechts) [14] Umgekehrt bewirkt der inverse piezoelektrische Effekt eine Längenänderung beim Anlegen einer elektrischen Spannung, d. h. die Krafteinwrikung findet entlang einer nicht polaren y-Achse des Kristallgitters statt, wobei sich die Piezospannung entlang der polaren x-Achse aufbaut. In diese Richtung wird das Gitter gestreckt, wie in Abbildung 2.7 dargestellt und die Polarität der Spannung kehrt sich um. Sie ist somit entgegengesetzt zum longitudinalen Piezoeffekt. Dieser Aktoreffekt wandelt also elektrische in mechanische Energie um. Wird der der Piezogenerator als Wandler genutzt, werden nur kleine Ströme generiert. Da elektrische Ladung nur im Moment der mechanischen Einwirkung erzeugt wird, ist eine komplizierte Schaltung von Nöten, um den Strom zu stabilisieren. Dieser Strom ist sehr klein, so dass sich das Anwendungsgebiet von Piezogeneratoren auf solche mit niedrigem Leistungsbedarf beschränkt. Im kleinen Leistungsbereich hat der Piezogenerator dagegen eine Vielzahl von Vorteilen, wie sie hier gelistet sind. • kompakt • Messung kleiner Kräfte bei hoher Vorlast, • für großen Messbereich auslegbar • Betrieb bei sehr hohen Temperaturen (von bis zu 300 ◦ C) • überlastfähig 19
  • 25. • hohe Dynamik Aufgrund der genannten Vorteile wird der Piezoeffekt heute in vielen alltäglichen Pro- dukten angewendet, zum Beispiel in Feuerzeugen, Lautsprechern und Signalgebern. Eine Applikation sind Digitalarmbanduhren. Eine Digitaluhr ist eine Uhr, die die Uhrzeit durch Ziffernwechsel, statt durch bewegliche Zeiger auf einem feststehenden Zifferblatt, direkt anzeigt. Diese Uhren können eine integrierte Weckerfunktion haben, dessen Piepton mittels Piezolautsprecher erzeugt wird. Um eine Melodie zu erhalten, werden dem Piezolautspre- cher Stromimpulse mit bestimmter Frequenz und Dauer zugeführt. Der Piezolautsprecher wird auch oft unter dem Begriff Trommelscheibe thematisiert. Im Rahmen dieser Arbeit ist eine solche Trommelscheibe verwendet wurden. Siehe dazu Abbildung 2.9 im nachfolgenden Abschnitt 2.3.2. 2.3.2 Benutzung Im Datenblatt von Würth Elektronik ist als möglicher Piezogenerator das Bauelement der Gruppe MIDE V21BL des Herrstellers Mouser Elektronik (Abbildung 2.8) gelistet. Um Kosten zu sparen, wurde wie bereits geschrieben, eine Trommelscheibe verwendet. Abbildung 2.8: MIDE V2 BL Piezo Generator [15] Die Piezo-Trommelscheibe wird über einen Connector (siehe Kapitel 1.2 der Einleitung) mit der LTC3588 Platine verbunden. Diese ist das Verbindungselement (Tiefsetzsteller) zur Last, der Giant-Gecko-Platine. In der Schaltung der Abbildung 2.10 ist der Piezogenerator Mide V21 BL dargestellt. Dieser war bei Silicon Labs erhältlich. Die Schaltung LTC3588 zum Betrieb der Trommelscheibe ist in Abbildung 2.10 dargestellt. Zum Betrieb muss der Jumper 12 gebrückt sein und der Jumper 11 nicht. Beim Anschluss eines induktiven Generators ist es umgekehrt (siehe Kapitel 2.4). Wichtig ist hier, dass nur einer der zwei Jumper genutzt werden darf. Andernfalls kommt es zu Fehlfunktionen des Boards. Um eine Spannung zu erzeugen, muss in sehr kurzen Abschnitten sehr schnell die Piezoscheibe geknickt werden. Siehe dazu das Video auf dem Twitterkanal (https://twitter.com/EmvOvgu). 20
  • 26. Abbildung 2.9: Piezo Trommelscheibe Abbildung 2.10: Schaltung des piezoelektrisches Energieversorgungsnetzteils LTC3588 [5] Im Rahmen dieser Arbeit ist lediglich das Display mittels Piezowandler gespeist wurden. Es gibt jedoch die Möglichkeit in Abhängigkeit der Ausgangsspanung (1,8 V, 2,5 V, 3,3 V und 3,6 V) bei einem Ausgangsstrom bis zu 100 mA, verschieden Lasten, zu speisen. Die Ausgangspannung wird durch Auswahl der entsprechenden Pins auf dem LTC3588 Board festgelegt. Siehe zum Thema Anschluss eines Microcontroller das Datenblatt in [6]. 21
  • 27. 2.4 Betrieb mit induktivem Harvester Wie in den Abschnitten 1.2.1 und 2.3 schon beschrieben, wurde auf ein Zukauf von professionellen induktiven Sensoren zum Harvesting verzichtet. Stattdessen wurden in Absprache mit dem Betreuer ein Lautsprecher und ein Wirbelstromgenerator beschafft, da beide ebenfalls als elektromagnetische Generatoren betrachtet werden können. 2.4.1 Lautsprecher Abbildung 2.11: Lautsprecher zur Verwendung als Harvester Es wurde untersucht, ob das Board mit Hilfe eines handelsüblichen Lautsprechers (siehe Abbildung 2.11) als induktivem Harvester betrieben werden kann. Lautsprecher sind dynamische Schallwandler. Normalerweise werden sie genutzt, um eine elektrische Spannung in eine Schallwelle, also eine gerichtete Bewegung der Luft umzuwandeln. Das Prinzip ist jedoch umkehrbar. So kann durch in Bewegung setzen der Membran des Lautsprechers eine elektrische Spannung erzeugt werden. Der Lautsprecher wird dann de facto als Mikrofon genutzt. Es gibt verschiedene Arten von Lautsprechern. Der in der Praxis am mit Abstand häufigsten aufzutreffende ist der Tauchspulenlautsprecher [16]. Der Aufbau ist in Abbildung 2.12 dargestellt. 22
  • 28. Abbildung 2.12: Aufbau eines Tauchspulenlautsprechers [17] An der Membran ist hier eine Schwingspule angeschlossen. Diese wird vom magnetischen Feld eines Permanentmagneten durchsetzt. Im Lautsprecherbetrieb wird eine Wechselspan- nung an die Schwingspule angelegt, die das Audiosignal repräsentiert. Da sich die nun stromdurchflossene Spule im Magnetfeld des Permanentmagneten befindet, wird sie durch die Lorentzkraft je nach Polarisation der Spannung nach unten oder nach oben bewegt. Die Stärke des Ausschlags ist abhängig von der Amplitude. Da die Spule direkt an der Membran befestigt ist, wird diese mit bewegt und ein Tonsignal entsteht als gerichtet Bewegung der Luft. Andersherum kann jedoch die Membran auch durch eine äußere Krafteinwirkung, z.B. wiederholtes Drücken oder Beschallen bewegt werden. Die befestigte Spule bewegt sich dann entsprechend ebenfalls mit. Da sie sich im Magnetfeld befindet, wird nach dem Induktionsgesezt in ihr ein Strom induziert. Ziel des Versuches war es herauszufinden, ob die abgegriffene Spannung ausreicht, um das Board zu versorgen und bei dauerhafter Bewegung der Membran einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten. Es musste jedoch festgestellt werden, dass die erzeugte Span- nung deutlich unter der Betriebsspannung des Boards lag und ein Betrieb zu keiner Zeit möglich war. Es wurde sowohl durch wiederholtes Drücken bzw. Schlagen mit der Hand als auch durch starkes Beschallen mit anderen Lautsprechern versucht eine möglichst hohe Spannung zu erzeugen. In Abbildung 2.13 ist das Oszillogramm der erzeugten Spannung nach einer Schlagwirkung zu sehen. Die maximale Spitzenspannung beträgt nur etwa . Danach sinken die Amplituden in kurzer Zeit auf annähernd null. Das ist auch unter Verwendung eines Hochsetzstellers deutlich zu wenig, um das Board zu speisen. 23
  • 29. Abbildung 2.13: Oszillogramm der mithilfe des Lautsprechers erzeugten Spannung Die niedrigen induzierten Spannungen sind der Hauptgrund, warum Schallwandler sich eher nicht zum Harvesting eignen. Zwar könnte die Ausgangsspannung durch verschiedene Eingriffe erhöht werden, z.B. der Verwendung von stärkeren Permanentmagneten, leichteren Membranen, die schnellere Bewegungen der Spule ermöglichen oder Spulen mit höheren Windungszahlen. Jedoch gehen alle diese Maßnahmen mit Problemen einher: Starke Permanentmagneten sind teuer und würden die Gesamtkosten des Schallwandlers stark erhöhen, leichtere Membranen sind aufwendig in der Herstellung und weniger rissfest und eine Erhöhung der Windungszahl würde wiederum für mehr Gewicht sorgen, wodurch sich Membran und Spule wieder langsamer bewegen würden. Darüber hinaus müsste der Luftspalt gegebenenfalls vergrößert werden, wodurch das Magnetfeld wiederum geringer wird, was sich ebenfalls negativ auf die induzierte Spannung auswirkt. Es wird also relativ schnell ersichtlich, dass Schallwandler wie Lautsprecher unter den induktiven Wandlern zu den am wenigsten geeigneten Harvestern zählen. 2.4.2 Wirbelstromgenerator Als weitere denkbare Alternative für einen induktiven Harvester ist der Wirbelstromge- nerator der Firma magniclight aufzuführen. Der ursprüngliche Verwendungszweck dieses Generators ist es die Stromversorgung von Fahrradbeleuchtungen sicherzustellen. Im Ge- gensatz zu herkömmlichen Energieversorgungskonzepten von Fahrrädern tritt hier weder Reibung zwischen Generator und Fahrrad wie bei einem Dynamo auf, noch wird ein zusätzlicher Batteriespeicher benötigt. 24
  • 30. Das Prinzip der Stromerzeugung basiert auf der Wirbelstromtechnik. Ein Wirbelstrom tritt auf, wenn sich ein elektrischer Leiter in einem konstantem aber räumlich veränder- lichen Magnetfeld befindet. Je nach Polarität des Stromflusses im Leiter kann es zur Abstoßung oder Anziehung kommen. Genutzt wird diese Kraftwirkung zum Beispiel als Wirbelstrombremse für Bahnfahrzeuge oder in mechanischen Tachometern, beziehungswei- se Drehzahlmessern [18]. Im Inneren des hier verwendeten Wirbelstromgenerators befindet sich ein Magnetrad dessen Magnete speziell in ihrer Form angepasst und angeordnet wurden (siehe Abbildung 2.14), sodass eine Versorgung des Leuchtmittels der Abbildung 2.16 erfolgt. Des Weiteren ist in Abbildung 2.15 ein Auszug aus der zum System gehörenden Anleitung dargestellt. Der Generator sollte möglichst nah im Bereich der Fahrradfelge angebracht werden. Eine minimal falsche Montage kann schnell dazu führen, dass keine Energie erzeugt wird. Vorteile: • keine Energiespeicher nötig • hohe Spannung im Vergleich zu anderen Harvestern Nachteile: • relativ groß • Montage ist sehr fehleranfällig Abbildung 2.14: Magnetrad des Wirbelstromgenerators [19] 25
  • 31. Abbildung 2.15: Auszug aus der Montageanleitung des magniclight-Fahrradlampensystems [20] Die Ausführungsvariante auf der linken Seite der Abbildung 2.16 ist dazu gedacht eine Spannung abzugreifen, die wiederum zur Energieversorgung eines externen Systems genutzt werden kann. Die Inbetriebnahme erfolgt analog zum Vorgehen der zuvor beschriebenen Fahrradbeleuchtung. Um das Energy-Harvesting-Experimentierkit nicht zu beschädigen, wurde zuvor getestet, ob die zwei Systeme auf den selben Spannungsebenen arbeiten. Dazu erfolgte eine Spannungsmessung mit Hilfe eines Digitalmultimeters. Es wurde auf den AC-Messbereich eingestellt und der Generator in die Nähe der Fahrradfelge gebracht. Der gemessene Spannungseffektivwert lag zwischen 6 V und 11 V bei einer Geschwindigkeit zwischen 15 m/s und 24 m/s. Der Spannungsbereich der Anpassschaltung LTC3588 für den induktiven Harvestereingang liegt laut Datenblatt zwischen −0,3 V und 18 V. Liegt der Spitzenwert der Spannung z. B. bei 15 V, fällt dieser somit in den Eingangsbereich der Anpassschaltung. Wenn dieser jedoch einen Wert von z. B. −15 V annimmt, ist es nicht mehr der Fall und die Schaltung kann defekte erleiden. Demnach muss für die Verbindung zwischen Wirbelstromgenerator und Board ein Gleichrichter oder Verpolungsschutz hinzu- gefügt werden. Die zwei Systeme konnten jedoch aus den genannten Montage- und Zeitproblemen nicht zusammen getestet werden, weswegen dies weiterer Untersuchungen bedarf. 26
  • 32. Abbildung 2.16: Wirbelstromgenerator in den Ausführungsvarianten als Fahrradbeleuch- tung (rechts) und zum Abgreifen einer elektrischen Spannung für Test- zwecke (links) 27
  • 33. 3 Beispielprogramme der Software Sim- plicity Studio Abbildung 3.1: Interface des Simplicity Studios Die Anbindung der internen und externen Harvester beziehungsweise von zusätzlichen externen Komponenten wie einem Herzfrequenzsensorsensor an das Board erfolgt über den Mikrocontroller ARM Cortex M3. Dieser wird mit Hilfe der Software Simplicity Studio angesteuert. Die Software vereinigt Entwicklungswerkzeuge in C/C++ z. B. für die Simu- lation diverser Treiber, Datenprotokolle oder dem energyAware Profiling, fertige Bespiele zum Debuggen, Bibliotheken, sowie Anwendungshinweise in Form von Datenblättern. Mit dem energyAware Profiler können Entwickler den Energieverbrauch in ihren Anwen- dungen schnell visualisieren und Optimierungen durchführen, um den Stromverbrauch zu senken. Mit Hilfe des Profilers und dem auf dem Starter Kit integrierten „Advanced Energy Monitoring“ lässt sich der Stromverbrauch des Mikrocontrollers messen und mit der Debugging-Information korrelieren. Somit ist es möglich, Energieversorgungsausfälle in der Applikationssoftware zu ermitteln und zu beseitigen. Das Interface beim Start ist in Abbildung 3.1 dargestellt. Hier wird unter anderem die Hardware ausgewählt. 28
  • 34. Da der Fokus dieses Dokumentes/Projektes auf den Harvestern liegt, ist die Programmie- rung mit den Entwicklungswerkzeugen nicht näher betrachtet wurden. Statt dessen sind die unten aufgelisteten Demos (fertige Beispiele) unter Verwendung der Harvester und auch des biometric Sensors getestet wurden. Das entsprechende Programminterface ist in Abbildung 3.2 dargestellt. • TK3700 inttemp • STK3700 blink • STK3700 touch • STK3700 burtc sowie STK3700 clock, • STK3700 biometric Abbildung 3.2: Interface des Simplicity Studios: Hier ist der Reiter example projects and demos dargestellt. 3.1 Basisprogramm inttemp Diese Firmware ist direkt beim Kauf des Kits auf dem Controller vorprogrammiert, so dass direkt Energie aus der Solarzelle oder dem Thermogenerator generiert werden kann. Laut Hersteller reicht diese Energie um eine Anwendung dauerhaft zu betreiben. Nach Anschluss des induktiven bzw. piezoelektrischen Generators über den Connector lassen sich auch diese Harvester als Energieersorgung nutzen. Durch die gewonnen Energie lässt sich das 29
  • 35. Display auf dem Giant Gecko betreiben und der Gebrauch des internen Temperatursensors demonstrieren. 3.2 Programm blink Diese Firmware demonstriert den Gebrauch der LEDs auf dem Starter Kit und dient wie viele weitere Demos als Grundgerüst für neue weiterführende Projekte. Der Code ist als Beispiel im Anhang A.1 hinterlegt. Auf weitere Code-Beipiele ist auf Grund des Umfanges verzichtet wurden. 3.3 Programm touch Durch diese Firmware wird der kapazitive Touch-Schieberegler (touch slider) aktiviert. Wird dieser von einem Finger berührt, so ändert sich die Kapazität des Sensor. Dadurch erscheint und verschiebt sich die Wortschleife auf dem Display. Sehe hier zu das Video auf Twitter (https://twitter.com/EmvOvgu). 3.4 Programme clock und Programm burtc Die Firmware burtc ist die Weiterführung des Programms clock. Beide Programme simu- lieren eine Backup-Echtzeituhr, d. h. auf dem Display wird eine Uhrzeit angezeigt, die mit den Drucktasten PB0 und PB1 einstellbar ist. Mittels burtc läuft diese Uhrzeit im Hintergrund weiter. Die Einstellungen bleiben selbst beim aussgeschalteten Kit durch die Back-up-Kondensatoren erhalten. Die Abkürzung burtc steht für back up real time clock. 3.5 Programme biometric Diese Firmware demonstriert den Gebrauch von diversen Sensoren des Herstellers Silicon Labs. Zu den diversen Sensoren zählen z. B. Nährungssensoren (proximity sensors) oder handgelenkbasierte Herzfrequenzsensoren (wrist-based heart rate monitoring sensors). Im Rahmen dieses Projektes ist letzterer getestet wurden. Wie im Abschnitt 1.2.2 bereits erläutert, muss der Sensor an das Giant Gecko angeschloßen werden. Dabei durchläuft der Controller eine Ablaufroutine, deren Schritte auf dem Display angezeigt werden. Die Ablaufroutine zum Detektieren der Hardware ist im Anhang A.2 dargestellt. In diesem 30
  • 36. Test durchlief die Routine nur die ersten Schritte. Statt der HRM-Version am Ende wird error angezeigt. Dies bedeutet laut Datenblatt, das die Hardware nicht erkannt wird. Leider gehört der Giant Gecko sowie zugehörigen Sensoren zu der Hardware, die nicht weiter hergestellt und unterstützt wird. 31
  • 37. 4 Fazit In diesem Dokument wurde die Arbeit mit dem Experimentierkit Energy Harvesting Solution To Go Kit von Würth Elektronik dokumentiert. Ziel dieser Arbeit war es mit Hilfe des Kits verschiedene Formen des Energy Harvestings näher kennen zu lernen und dabei insbesondere die Stärken und Schwächen der einzelnen Harvester in der Praxis zu ermitteln. Darüber hinaus sollte das Experimentierkit näher untersucht werden und Zusatzfunktionen wie die Programmierbarkeit und den Anschluss möglicher externer Hardware (Sensoren) erprobt werden. Das Experimentierkit stellt dafür zwei integrierte Harvester zur Verfügung: ein Photo- voltaikmodul und ein Peltier-Element. Beide sind bereits mit der entsprechenden Leis- tungselektronik verschaltet und müssen nur noch per Jumper angeschlossen werden, so dass sie sich sehr gut für Vorführzwecke eignen. Darüber hinaus bietet das Board eine Anschlussstelle für piezoelektrische und induktive Generatoren, die über Drittanbieter zugekauft werden können. Eine Schnittstelle zum PC ermöglicht es, verschiedene vor- oder selbstgeschriebene Programme der Entwicklungsumgebung Simplicity Studio aufzuspielen, deren Ergebnisse dann auf dem Display angezeigt werden. Im Zuge dieser Arbeit wurden die verschiedenen Harvester getestet. Besonders die integrier- ten PV- und Peltier-Zellen überzeugten dabei durch einfache Handhabung und lückenlose Versorgung (inklusive kurzer Zwischenspeicherung) auch bei geringer Einstrahlung bzw. Wärme. Gleiches kann für das zugekaufte Piezoelement gesagt werden. Ein Betrieb mit Hilfe eines Lautsprechers als induktivem Generator war hingegen aufgrund der zu geringen Spannung nicht möglich. Mit stärkeren induktiven Kleingeneratoren, wie dem getesteten Wirbelstromgenerator, sollte das Gerät jedoch ebenfalls versorgt werden können. Das Experimentierkit stellt damit unter Beweis, dass es durch Energy Harvesting schon mit sehr geringer und alltäglich gewinnbarer Energie betrieben werden kann. Somit eignet es sich gut für Vorführungszwecke, um beispielsweise Schüler*innen ohne Vorkenntnisse das Prinzip des Energy Harvestings näher zu bringen und somit auch ein weiteres Interesse für ressourcenschonende Energiegewinnung und Elektrotechnik im Allgemeinen herzustellen. Für Studierende wäre eine Verwendung im Rahmen eines Praktikums ebenfalls denkbar, je- 32
  • 38. doch ist hier zu erwähnen, dass Messungen direkt am Board nur sehr eingeschränkt möglich sind, da viele Leitungen intern und ohne zusätzliche Messpunkte verlaufen. Entsprechend bräuchten Versuche eine ausführliche und kreative Vorausplanung und gegebenenfalls Zusatzmaterial (z. B. ein Luxmeter zur Bestimmung der Lichteinstrahlung oder weitere induktive Generatoren ). Falls darüber hinaus eigene Programme geschrieben werden sollen, müssten Programmierkenntnisse in C/C++ vorhanden sein. Während dieser Arbeit wurde sich auf die Verwendung der Beispielprogramme beschränkt. Ein wirklicher Zusammen- hang zum Energy Harvesting ist dabei nicht zu erkennen gewesen. Das Experimentierkit bietet den Vorteil einer sehr guten Betreuung durch Würth Elektronik. Auftretende Fragen wurden stets schnell und kompetent durch die Mitarbeiter beantwortet. Ein Kritikpunkt ist die Verfügbarkeit der nicht enthaltenen piezoelektrischen und induktiven Generatoren, die teuer bei Drittanbietern nachgekauft werden müssten und die teilweise nicht vorhan- dendene Kompatibilität zu externer Hardware. Die Arbeit wurde medial auf dem Twitteraccount EMV-Messtechnik OvGU (https: //twitter.com/EmvOvgu) begleitet. Dort finden sich Bilder und Videos zum Experimen- tierkit, den Harvestern und dem allgemeinen Arbeitsprozessen wieder. 33
  • 39. Literaturverzeichnis [1] Sherif Adel Thabet Keddis: Energy Harvesting in der Praxis: Anwendungen auf Basis piezoelektrischer PVDF-Folien. Technische UniversitätMünchen, 2020 [2] Poenicke O., Kirch M., Richter K., Schwarz S.: LoRaWAN for IoT Applica- tions in Air Cargo. Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF, 2018 [3] ANALOG DEVICES: LTC3105 - 400mA Step-Up DC/DC Converter with Maximum Power Point Control and 250mV Start-Up. https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ 3105fb.pdf, . – Aufgerufen am: 2021-03-31 [4] ANALOG DEVICES: LTC3108 - Ultralow Voltage Step-Up Converter and Power Manager. https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ LTC3108.pdf, . – Aufgerufen am: 2021-03-31 [5] ANALOG DEVICES: LTC3588 - Nanopower Energy Harvesting Power Supply. https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ 35881fc.pdf, . – Aufgerufen am: 2021-03-31 [6] Würth Elektronik: DEMO MANUAL DC2080A Energy Harvesting Multi-Source Demo Board with Transducers. https://www.we-online.de/web/de/electronic_components/produkte_pb/ demoboards/energy_harvesting/solution_to_go/energy_harvesting.php, . – Aufgerufen am: 2020-04-07 [7] Silicon Labs: Broschüre EnergyHarvesting. https://www.we-online.com/harvest, . – Aufgerufen am: 2020-04-06 [8] Silicon Labs: USER MANUAL Starter Kit EFM32GG-STK3700. https://www.silabs.com, . – Aufgerufen am: 2020-04-06 34
  • 40. [9] K. Mertens: Photovoltaik: Lehrbuch zu Grundlagen, Technologie und Praxis. Carl Hanser Verlag, 2011 [10] I. Hauer: Vorlesung Photovoltaische Energiesysteme. OVGU Magdeburg, Lehrstuhl Elektrische Netze und Erneuerbare Energie, SS 2020 [11] H. Fichthorn (SITUS Technicals): Grundlagen-Peltier. https://www.situs-tec.de/app/download/5794666408/Grundlagen-Peltier. pdf, . – Aufgerufen am: 2021-03-30 [12] Wikipedia: Peltier-Element. https://de.wikipedia.org/wiki/Peltier-Element, . – Aufgerufen am: 2021-03- 30 [13] Th. Kleckers: Die piezoelektrische Alternative. https://www.computer-automation.de/steuerungsebene/messtechnik/ die-piezoelektrische-alternative.141603.html, . – Aufgerufen am: 2020-04-03 [14] D. Mietke: Piezoeffekt. https://www.elektroniktutor.de/elektrophysik/piezo.html, . – Aufgerufen am: 2020-04-03 [15] Mouser Elektronics: Datenblatt MIDE PIEZOELECTRIC ENERGY HARVES- TERS. https://www.terraelectronica.ru/product/1332429, . – Aufgerufen am: 2020- 04-07 [16] sonic-vision.TV: Wandlerprinzipien. https://www.youtube.com/watch?v=0BsB2BzaZJA, . – Aufgerufen am: 2021-04-03 [17] R. Senti: Lautsprecherbau. http://wmisargans.ch/html_css/2014/raffael/theorieteil.html, . – Aufgeru- fen am: 2021-04-01 [18] Wikipedia: Wirbelstrom. https://de.wikipedia.org/wiki/Wirbelstrom, . – Aufgerufen am: 2021-04-06 [19] Magnic Innovations GmbH & Co KG: Magneträder. https://www.magniclight.com/de/technik/magneten/50-magnetraeder-de, . – Aufgerufen am: 2021-04-06 [20] Magnic Innovations GmbH & Co KG: Bedienungsanleitung 35
  • 41. Selbstständigkeitserklärung Hiermit versichern wir, Christina Bertram, Vincent Szameitat und Pierre Bolz, die vor- liegende Arbeit selbstständig und unter ausschließlicher Verwendung der angegebenen Literatur und Hilfsmittel erstellt zu haben. Magdeburg, den 09. April 2021 36
  • 42. A Beispielskript und Ablaufroutine Abbildung A.1: Musterbeispiel blink lässt eine LED blinken und ist Basisskript zum weiteren Programmieren 37
  • 43. Reset Device detection „PB0“ gedrückt? ja nein USB ON (angezeigt 1 s lang) USB OFF (angezeigt 1 s lang) Demo Version (angezeigt 1 s lang) HRM Version (angezeigt 1 s lang) Die HRM Demo wird gestartet Abbildung A.2: Ablaufroutine 38