handling Dezember 2011 29 Know-how www.handling.de Energieversorgung aus der Umgebung (Energy-Harvesting).
Energiequelle Physikalischer Effekt Energiewandler Ausgangsspannung Beispielapplikation Vibration Stoss/ Druck (Feder-Masse- System) Elektrostatischer, Piezo-Effekt Induktionsgesetz Kristall, Keramik, linearer oder rotie- render Mikro-Generator, Super-Cap, Feder-Masse-Systeme Wechselspannung Funk-, Regen-, Licht-, Reifendruck- sensor, Zeitüberwachung, Condition Monitoring Bewegung (Trans- lation, Rotation) Induktionsgesetz (u.a.
Einsatz Wiegand-/Energie-Draht) Mikro-Generator Wechselspannung Impulsspannung Rotationssensor für Förderband, Über- wachung von Greifern, Lichtschalter, Positionsmessung für Verpackuns- Maschinen, Drehgeber Funkwellen Antennen, induktive Kopplung Funkempfänger, Spule Wechselspannung RFID-, Sensor-Tags, Roboter-, Funk- Sensoren, -schalter Schall Schwingungen, mechanischer Impuls Mikrofon, Piezo-Kristall Wechselspannung interoperable Funktechnik (Kommuni- kation, Verbrauchserfassung von Strom, Gas, Wärme etc.) Wärme (Temperatur- gradient) Seebeck-, Peltier-Effekt (Nut- zung der Verlust-/Abwärme unterschiedlichster Erzeuger, Temperaturdifferenzen) Thermogenerator Gleichspannung Motoren-/Maschinenüberwachung kalte Verbrennung umgekehrte Elektrolyse Brennstoffzelle (Fuel Cell FC) Gleichspannung Speisung von integrierten Schaltkreisen Licht fotoelektrischer Effekt Solarzelle Gleichspannung Motor-Temperatursensor, Drucksensor Strömung (Wind) Induktionsgesetz Mikroturbine Wechselspannung Durchfl ussmesser Zukünftige Lösungen werden Bakterien in Biomasse-FC, Strömungsunterschiede oder ph-Wertdifferenzen nutzen.
piezoelektrischer Effekt: Spannung, Strom aus mechanischem Druck, in- dem in einer bestimmten Kristallart (wie Turmalin) durch Verformungen eines Feder-Masse-Systems an der Oberfl ä- che elektrische Ladungsträger entste- hen.
Über ihre Polarisation entsteht die Spannungsquelle.
thermoelektrische Effekte: Seebeck: Ther- mo-Spannung bzw.
-Strom bilden sich in einem Stromkreis zwischen den tempera- turdifferenten Kontaktstellen zweier Lei- ter unterschiedlichen Werkstoffs.
Peltier: invers zum Seebeck-Effekt.
Brennstoffzelle (Fuel Cell): Redox-Vor- gang – Umkehrung der Elektrolyse, aus dem Brennstoff (etwa Wasser- und Sau- erstoff) entsteht Wasser.
Wiegand-Draht: Kern eines Impulssen- sors, sehr dünner, weichmagnetischer Draht (?0,25 mm) mit hartmagne- tischem Mantel.
Infolge unterschied- lichen Verhaltens der beiden Stoffe im Magnetfeld führen magnetische Im- pulse mittels einer Spule zu Spannung/ Strom.
Einsatzschwerpunkt.
Oft sind lediglich 50 ?Ws zu gewinnen, um einen Sen- sor mit Funkmodul für Distanzen von ?300 m zu betreiben.
Bei neueren Entwicklungen (www.
siemens.com) kann sich sogar die Eigenfrequenz des generatorischen Schwingungssystems an die variable Frequenz der Umgebungsbewegung anpassen.
Brennstoffzellen machen An- lagenteile mit Leistungen von 300 W und mehr autark.
Ausgewählte Anwendungen Wegen seiner Vorzüge bietet sich Harves- ting für die vielfältigsten Applikationen.
Funktionen ohne Batterie/Akku/Zulei- tungen, Sicherheitslösungen, Condition Monitoring von Maschinen und Bauwer- ken, in Automobil- wie Medizintechnik nutzen diese effi ziente Einspeisung.
An- wendungen des Piezo-Effektes sind bei- spielsweise Kfz-Regen- oder -Lichtsensoren.
Direkt an der Windschutzschei- be eines Kfz mon- tiert, gewinnen sie Energie aus den Karosserie- schwingungen.
Thermoelektrische Generatoren etwa nutzen für batterielose Funkschalter, -sen- soren Verlustwärme, zum Beispiel in Kfz, Blockheizkraftwerken, Abwasser- oder Müll verbrennungsanlagen.
Für die gleiche Aufgabe gewinnen Solarzellen aus Licht oder lineare Generatoren aus dem Schal- tereignis (Tastendruck, -bewegung sogar in explosiver Umgebung) Strom.
Bei der chemischen Quelle kann es sich sowohl um eine im Schaltkreis implantierte Micro-Brennstoffzelle als auch um eine FC großer Leistung handeln, die beispielswei- se das Bugrad eines Flugzeuges autark antreibt (vgl.
DLR-Institut für Technische Thermodynamik).
Die Kombination Wiegand-Draht – Ma- gnet – Hallsensor extrahiert an Stellen, die dem konventionellen Dynamogenerator nicht zugänglich sind, aus der Rotation Impulsenergie, die sowohl Drehzahl-/Po- sitionsmesswerte liefert als auch eine ver- brauchsarme Elektronik versorgt.
Die Wirksamkeit der RFID-Technik un- terstreichen Sensor-/WLAN-Tags.
Sie bezie- hen ihre Energie aus der elektromagnetischen Welle.
Ausblick Materialien aus der Nano-Welt (zum Bei- spiel Zinkoxid) für Erscheinungen wie den piezoelektrischen Effekt werden weitere wichtige Anwendungsfelder erschließen.
Joachim Krause Thermowandler ECT 310 für batterielose Funksensoren – Ener gie aus Verlustwärme (EnOcean GmbH, Oberhaching Quelle: www.
enocean.com/de/).
Absoluter Single-/ Multiturn- Drehgeber WDGAxx mit se- rieller Schnittstelle nach dem Wiegand-Prinzip EnDra (Quelle: Wachen- dorff Automation GmbH & Co.
KG, Geisen- heim, www.wachendorff-automation.de).