Advanced Seminar Computer Engineering

Energy Harvesting

Robin Stadler2935333

B.Sc. Angewandte Informatik

Dr. Andreas Kugel

Hamburger Allgemeine: „Ein Stein mitten im Wald in der

Lüneburger Heide ist ein WLAN Hotspot“

Heise: „Ikea lädt Handy mit Kafeetasse auf“

Die Welt: „Stromerzeugung durch Reibung in der Hose“

Extremetech: „Student lädt Batterien mit Elektrosmog“

(51)

06.02.2017 Energy Harvesting

Energy HarvestingMotivation

(35)

(36)

(37)

(41)

Green Energy

Rückgewinnung

Wartungsfreiheit

Autarke Systeme

1

06.02.2017 Energy Harvesting

Energy HarvestingAufbau des Vortrags

● Begrifserklärung: 'Energy Harvester'?● Energie, die geerntet werden kann● Micro Energy Harvesting am Beispiel einer

Smartwatch– Geschichtlicher Verlauf– Designprozess– Schaltungstechnik

● State of the Art und Ausblick

2

06.02.2017 Energy Harvesting

Energy HarvesterBegrifserklärung

● Wörtlich: Energie Erntemaschine● "Harvester": Vollerntesysteme● Frei verfügbare Energie → elektrische Energie● Beliebig skalierbar

→ Ermöglicht autarke und wartungsfreie Systeme

(50) 3

06.02.2017 Energy Harvesting

Energy HarvesterBegrifserklärung

(1) (2)

4

06.02.2017 Energy Harvesting

Energy HarvesterBegrifserklärung

Kein Energy Harvesting!

Kein Energy Harvesting!

Umwelt darf nur unmerklich

beeinflusst werden!

(1) (2)

4

06.02.2017 Energy Harvesting

Energy HarvestingAufbau des Vortrags

● Begrifserklärung: 'Energy Harvester'?● Energie, die geerntet werden kann● Micro Energy Harvesting am Beispiel einer

Smartwatch– Geschichtlicher Verlauf– Designprozess– Schaltungstechnik

● State of the Art und Ausblick

5

06.02.2017 Energy Harvesting

(17)

Energie, die geerntet werden kann

6

06.02.2017 Energy Harvesting

Energie, die geerntet werden kann

Licht

6

06.02.2017 Energy Harvesting

(18)

Energie, die geerntet werden kannLicht

Innerer photoelekrischer Efekt

Ursache

Verfügbarkeit

Spannungsbereich

Wirkungsgrad

Anwendungen

Photonen heben Elektronen in das Leitungsband

1000W/m²

1 V

~20%

Out- und Indoor, in jeder Größe

7

06.02.2017 Energy Harvesting

Energie, die geerntet werden kann

8

06.02.2017 Energy Harvesting

Energie, die geerntet werden kann

MechanischStöße Reibung

Ströme Vibration

8

06.02.2017 Energy Harvesting

Energie, die geerntet werden kannMechanisch

Induktion

Ursache

Spannungsbereich

Wirkungsgrad

Anwendungen

Sich ändernde magnetische Felder verursachen Ströme

1 V

30%

Funksensoren und -schalter, Energie-rückgewinnung

(21)

9

06.02.2017 Energy Harvesting

Energie, die geerntet werden kannMechanisch

Triboelektrischer Efekt

Ursache

Spannungsbereich

Wirkungsgrad

Anwendungen

Reibungselektrizität

100 V

24%

Dynamos mit oder ohne Schwungmasse

9

06.02.2017 Energy Harvesting

Triboelektrischer Efekt

(22)

(23)

Guang Zhu et. al. 2013● 1.5W @3000 U/min

– 850V, 3mA– 24% Effizienz

● 75µm Dicke– 1.1g

10

06.02.2017 Energy Harvesting

Energie, die geerntet werden kannMechanisch

Piezoelektrizität

Ursache

Spannungsbereich

Wirkungsgrad

Anwendungen

Gerichtete Verformung

1 kV

10% -90%

Funksensoren und -schalter, Energierück-gewinnung

(26)

(27)

11

06.02.2017 Energy Harvesting

Piezo

(33) (34)

(43)

Ju-Hyuck Lee et al.

12

06.02.2017 Energy Harvesting

Energie, die geerntet werden kannMechanisch

Reverse Electrowetting

Ursache

Verfügbar

Spannungsbereich

Anwendungen

Elektrobenetzung

Schritt: 67W

10 V

Dämpfungen, Funksensoren und -schalter, Einlegesohlen

(45)

13

06.02.2017 Energy Harvesting

Reverse Electrowetting

(24)

(25)

Tom Krupenkin & J. Ashley Taylor 2011

14

06.02.2017 Energy Harvesting

Energie, die geerntet werden kann

15

06.02.2017 Energy Harvesting

ThermischTemperaturgradientenTemperaturänderung

Energie, die geerntet werden kann

15

06.02.2017 Energy Harvesting

Energie, die geerntet werden kannThermisch

Ursache

Spannungsbereich

Wirkungsgrad

Seebeck-Efekt

Temperatur-gradient

10 mV

max. 10%

Pyroelektrizität

Temperatur-änderung

1 kV

~30%

(26)(37)

16

06.02.2017 Energy Harvesting

Energie, die geerntet werden kann

17

06.02.2017 Energy Harvesting

ExotischFunkwellen

Biologische Prozesse

Energie, die geerntet werden kann

17

06.02.2017 Energy Harvesting

Exotische Energy Harvester

(47)

(48)

18

06.02.2017 Energy Harvesting

Licht

MechanischStöße Reibung

Ströme Vibration

Energie, die geerntet werden kann

ThermischTemperaturgradientenTemperaturänderung

ExotischFunkwellen

Biologische Prozesse

19

06.02.2017 Energy Harvesting

Energy HarvestingAufbau des Vortrags

● Begrifserklärung: 'Energy Harvester'?● Energie, die geerntet werden kann● Micro Energy Harvesting am Beispiel einer

Smartwatch– Geschichtlicher Verlauf– Designprozess– Schaltungstechnik

● State of the Art und Ausblick

20

06.02.2017 Energy Harvesting

Geschichtlicher Abriss

1770 1865

(3)(43)

(7)

1972 1980

(4)

21

06.02.2017 Energy Harvesting

Designprozess

The Four Steps to Success

Step 1: Check Application

Step 2: Know Your Power

Step 3: Quantify Power Source

Step 4: Choose an Energy Harvester

22

06.02.2017 Energy Harvesting

DesignprozessSmartwatch

Step 1: Check Application– Umwelt der Smartwatch

● Bewegungen, Licht, Temperatur- und Luftdruckänderungen, ...

– Akku muss beinahe täglich neu geladen werden– Gerät ist während dem Laden nicht benutzbar– Ohne Lademöglichkeit nutzlos– Nicht austauschbarer Akku verringert Lebenszeit– ...

23

06.02.2017 Energy Harvesting

DesignprozessSmartwatch

Step 1: Check Application– Umwelt der Smartwatch

● Bewegungen, Licht, Temperatur- und Luftdruckänderungen, ...

– Akku muss beinahe täglich neu geladen werden– Gerät ist während dem Laden nicht benutzbar– Ohne Lademöglichkeit nutzlos– Nicht austauschbarer Akku verringert Lebenszeit– ...

23

06.02.2017 Energy Harvesting

DesignprozessSmartwatch

Step 2: Know Your Power– Samsung Gear S

● Akku: 380mAh, 3.7V, hält ~3 Tage● Das macht im Durchschnitt

0,38 Ah⋅3,7V3⋅24 h

=...=3000 µW

24

06.02.2017 Energy Harvesting

DesignprozessSmartwatch

Step 3: Quantify Power SourceVorhandene

Energie-quellen

Durchschnitt Maximum Minimum

Licht● Sonne● Beleuchtung

11 mW/cm² 100 mW/cm²(Outdoor)

50 µW/cm²(Indoor)

Thermisch● Temperatur-

unterschied15 mW/cm² 40 mW/cm²

(Laufen)7 mW/cm²

(Sitzen)

Mechanisch● Handgelenk-

drehungen80 µW - -

25

06.02.2017 Energy Harvesting

DesignprozessSmartwatch

Step 3: Quantify Power SourceVorhandene

Energie-quellen

Durchschnitt Maximum Minimum

Licht● Sonne● Beleuchtung

11 mW/cm² 100 mW/cm²(Outdoor)

50 µW/cm²(Indoor)

Thermisch● Temperatur-

unterschied15 mW/cm² 40 mW/cm²

(Laufen)7 mW/cm²

(Sitzen)

Mechanisch● Handgelenk-

drehungen80 µW - -

25

06.02.2017 Energy Harvesting

DesignprozessSmartwatch

Step 4: Choose an Energy Harvester– Photozellen

- Großer Zwischenspeicher wegen niedriger Indoorleistung nötig- Problem der Anbringung der Photozellen

– Thermogenerator+ Permanente Leistungsverfügbarkeit überhalb des Bedarfs(+) eventuelles Handgelenkdrehen zur Energiequelle entfällt

26

06.02.2017 Energy Harvesting

DesignprozessSmartwatch

Step 4: Choose an Energy Harvester– Photozellen

- Großer Zwischenspeicher wegen niedriger Indoorleistung nötig- Problem der Anbringung der Photozellen

– Thermogenerator+ Permanente Leistungsverfügbarkeit überhalb des Bedarfs(+) eventuelles Handgelenkdrehen zur Energiequelle entfällt

26

06.02.2017 Energy Harvesting

2006: Funk-Pulsoximeter

(8)

27

T. Torfs, V. Leonov

06.02.2017 Energy Harvesting

2006: Kabelloses EEG Stirnband

(9)

28

T. Torfs, V. Leonov

06.02.2017 Energy Harvesting

Thermoelektrische Generatoren (TEG)Reale Geräte

Pulsoximeter100µW nachts, 200µW tagsüber

62µW

EEG2500µW

800µW

Leistung TEG(22°C)

Leistungsaufnahme

(8) (9)

29

06.02.2017 Energy Harvesting

Thermoelektrische Generatoren (TEG)Eine Frage und eine Aufgabe

● Woran liegt es, dass mein Wirkungsgrad dermaßen niedrig ist?– Einschränkungen

● Energieverbrauch der Smartwatch muss drastisch gesenkt werden!– Energiemanagement

30

06.02.2017 Energy Harvesting

Thermoelektrische Generatoren (TEG)Einschränkungen

● Dimensionen und Gehäuse– Kühlerdicke und -gewicht– Wasser- und Staubgeschützt– Größe der Kontaktfläche

● Kälteempfinden– Je nach Wirkungsgrad unterschiedlich– Faustregel: max. 30µW/cm² sind nicht störend

31

06.02.2017 Energy Harvesting

Thermoelektrische Generatoren (TEG)Einschränkungen

● Dimensionen und Gehäuse– Kühlerdicke und -gewicht– Wasser- und Staubgeschützt– Größe der Kontaktfläche

● Kälteempfinden– Je nach Wirkungsgrad unterschiedlich– Faustregel: max. 30µW/cm² sind nicht störend

31

06.02.2017 Energy Harvesting

Feldversuch (20cm²)

32

Moritz Thielen et. al 2016

06.02.2017 Energy Harvesting

Thermoelektrische Generatoren (TEG)Leistung im Feldversuch

● Indoor (23°C, kein Wind)– 50µW (1,5µW/cm²)

● Outdoor (13°C, leichter Wind)– 1080µW (54µW/cm²)

● Durchschnittlich– 280µW (14µW/cm²)

33

06.02.2017 Energy Harvesting

Thermoelektrische Generatoren (TEG)Ergebnisse des Feldversuchs

● Vergleich– Beide Designs arbeiten annähernd gleich effizient

● Tragekomfort– Ab 10°C kein Kältegefühl– Tragegefühl ähnelt Armbanduhr

● Leistung– Sehr unterschiedlich je Szenario– Kann Durchschnitt nicht als Kriterium für Anwendung

nehmen

34

06.02.2017 Energy Harvesting

Thermoelektrische Generatoren (TEG)Energiemanagement

Grundleistung (40µW) Outdoor (200µW)

Aktion Intervall

1s Audiodaten samplen

2 min

Foto aufnehmen 40 s

Statusupdate über Bluetooth Low Energy versenden

40 s

Aktion Intervall

5s Datensampling eines Beschleunigungs-sensors

30 s

Foto aufnehmen 5 s

6s Audiodaten aufnehmen

2 min

E-Ink Display Refresh 2 min

Statusupdate über BLE versenden

5 s

35

06.02.2017 Energy Harvesting

Matrix Powerwatch

(15)

„Unlike today's smartwatches which need to be recharged every day or two, the MATRIX PowerWatch never needs

to be removed from your wrist for charging.“

36

06.02.2017 Energy Harvesting

Thermoelektrische Generatoren (TEG)Matrix Powerwatch

● Ambiq Apollo2– Vollständiger Microprocessor ARM Cortex-M4– 33µW/MHz– ~0,5µW/MHz im deep sleep mode– FPU, ADC, DAC – RTC

(46)

37

06.02.2017 Energy Harvesting

Matrix Powerwatch X

(16)

„Because it's bigger, it generates more power, so we've added a vibe

and notifications.“

38

Schlusswort

State of the Art und Ausblick

06.02.2017 Energy Harvesting

QuellenPaper und Literatur

Moritz THIELEN et al. 2016: Human body heat for powering wearable devices: From thermal energy to application, in Energy Conversion and Management 131 (2017) 44–54

V. LEONOV and R.J.M. VULLERS 2009: Wearable electronics self-powered by using human body heat: The state of the art and the perspective, in Journal of Renewable and Sustainable Energy 1

R. MCCARTY 2012: Thermoelectric Power Generator Design for Maximum Power: It’s All About ZT, in Journal of ELECTRONIC MATERIALS, Vol. 42, No. 7, 2013

Weitere Paper

T. STARNER, J. A. PARADISO 2004: Human Generated Power for Mobile Electronics, in

Piguet, C. (ed), Low Power Electronics Design, CRC Press, Fall 2004.

RICHARD WATKINS 2013: The Origins Of Self-Winding Watches 1773 – 1779 , Second Edition

W. Seung et al. 2015: Nanopatterned Textile-Based Wearable Triboelectric Nanogenerator, in ACS Nano, 2015, 9 (4), pp 3501–3509

J. Bae 2013: Flutter-driven triboelectrification for harvesting wind energy, in Nature Communications 5, Article number: 4929 (2014)

Literarur

Shshank Priya, Daniel J. Inman (Editors) 2009: Energy Harvesting Technologies, Springer ISBN 978-0-387-76463-4, DOI 10.1007/978-0-387-76464-1, e-ISBN 978-0-387-76464-1

06.02.2017 Energy Harvesting

QuellenWeb

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schwager, Hochschule Reutlingen: http://www.harvesting-energy.de

Achmed A. W. Khammas: http://www.buch-der-synergie.de/c_neu_html/c_01_10_micro_energy.htm

06.02.2017 Energy Harvesting

QuellenBilder

(1) https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/93/Dynamo-Cantihalter.jpg(2) http://referate.mezdata.de/sj2009/wasserkraftanlagen_janik-noller/res-wikipedia/laufwasserkraftwerk.jpg(3) RICHARD WATKINS 2013: The Origins Of Self-Winding Watches 1773 – 1779 , Second Edition (4) https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/58/Beverly_clock.jpg(5) https://www.wired.com/gadgetlab/2010/10/the-real-original-remote-control-zenith-space-command/img_0375/(6) http://media-cache-ec0.pinimg.com/736x/db/9c/24/db9c24d462a471b3bf951f801b2188b9.jpg(7)http://www.hknebel.org/Uhren/Thermatron.jpg(8) V. LEONOV and R.J.M. VULLERS 2009: Wearable electronics self-powered by using human body heat: The state of the art and the perspective, in Journal of Renewable and Sustainable Energy 1(9) Siehe (8)(10) https://www.energie-lexikon.info/img/teg.png(11) http://www.panco.de/pix/img-62.jpg(12) http://micropelt.com/images/thermogenerator_578_legpair.jpg(13) Moritz Thielen et al. 2016: Human body heat for powering wearable devices: From thermal energy to application, in Energy Conversion and Management 131 (2017) 44–54(14) Siehe (13)(15) https://c1.iggcdn.com/indiegogo-media-prod-cld/image/upload/c_limit,w_620/v1483203786/ddclfmhzfq63nzxu3m7s.jpg(16) https://c1.iggcdn.com/indiegogo-media-prod-cld/image/upload/c_limit,w_620/v1483203965/uu79oaa5ctkuy62f6wkx.jpg(17) http://cdn.wonderfulengineering.com/wp-content/uploads/2013/11/Free-Electricity-Folks.png(18) https://www.jointchambers.ch/files/jcc/bilder/hintergrund/solarzellen.jpg(19) http://www.leuschner.business.t-online.de/basiswissen/SB123-spule.jpg(20) https://www.enocean.com/typo3temp/GB/csm_ECO_200_white_03_bf32b96059_5adad9147f.jpg(21) https://1.f.ix.de/scale/geometry/696x500/q75/imgs/71/1/1/8/5/3/2/4/wsapic-triboelektrisch1-mitSchwungmassen---Picture10-799f4cf66553219b.jpeg(22) https://1.f.ix.de/scale/geometry/696x500/q75/imgs/71/1/1/8/5/3/2/4/Bildschirmfoto_2014-03-05_um_12.44.36-4f070149449161d4.png(23) https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fe/Electrowetting.png(24) http://cdn2.weka-fachmedien.de/media_uploads/images/IMPORTED_dba03b73a52bebedafe1c7ef1629c03f.jpg(25) https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/be/Piezoefekt350px.gif(26) https://www.piceramic.de/fileadmin/_processed_/a/6/csm_PI_P-876_38bf31dcb9.jpg(27) https://www.physikinstrumente.de/fileadmin/_processed_/e/8/csm_PI_P-882-P-888_01_f87cb73749.jpg(28) https://www.physikinstrumente.de/fileadmin/_processed_/e/8/csm_PI_P-882-P-888_01_f87cb73749.jpg(29) http://www.sh-bauphysik.de/images/schall-03.jpg(30) http://www.c-turbines.ch/img/langeweile/zitronenbatterie/5.jpg(31) http://www.nature.com/article-assets/npg/ncomms/journal/v2/n8/images_hires/w926/ncomms1454-f5.jpg(32) http://bilder.t-online.de/b/41/28/78/06/id_41287806/610/tid_da/index.jpg(33) http://www.enviu.org/wp-content/uploads/2015/10/1.-street-1024x734.jpg(34) http://www.bahnbilder.de/1200/gueterwagen-eisenbahnmuseum-bochum-dahlhausen-06072014--799753.jpg(35) http://media.uccdn.com/images/0/4/9/img_que_es_el_dia_mundial_del_medio_ambiente_y_como_celebrarlo_6940_orig.jpg(36) http://www.skoda-auto.de/shared/SiteCollectionImages/models/new-octavia/octavia/octavia-g-tec/new-overview/octavia-gtec-cng-02.jpg(37) http://de.ventilation-system.com/images/image/TwinFresh-dom-500.gif(38) https://de.wikipedia.org/wiki/Ferroelectric_Random_Access_Memory#/media/File:1T_FeRAM_cell_structure.svg(39) https://www.sony.net/SonyInfo/News/Press/200708/qfhh7c00000dzvg6-img/qfhh7c00000dzvif.jpg(40)http://i.dailymail.co.uk/i/pix/2013/08/26/article-2402158-1B75E780000005DC-655_964x641.jpg(41) https://en.wikipedia.org/wiki/File:Tuning_capacitor.jpg(42) http://www.weltderphysik.de/typo3temp/_processed_/csm_20150424_Piezo2_wsa_5a3b2207cb.jpg(43) http://i45.photobucket.com/albums/f96/geof_q/IMG_0603.jpg(44) http://www.schulverein-bonni.de/jpg/projekte-2010_2011-physik_plattenkondensator.jpg(45) http://de.academic.ru/pictures/dewiki/65/ANKAWU-Ampelmannchen-og.jpg(46) http://ambiq.publitek.com/wp-content/uploads/2016/11/Low-power-MCU.png(47) http://voltreepower.com/images/bioHarvester_image.jpg(48) http://jerryfahrni.com/wp-content/uploads/2012/07/rfidlogo1.jpg(49) http://www.seminarsonly.com/electronics/Bio%20Battery.jpg(50) http://www.hsm-forest.net/cms/tl_files/HSM/images/405_H.jpg(51) http://i.hufpost.com/gen/1768306/images/o-UMWELTSCHUTZ-facebook.jpg

(grüner Haken) http://www.tigon-ag.de/eh-content/pages/5140/images/Haken%20gruen_2D.png(rotes Kreuz) https://openclipart.org/image/800px/svg_to_png/10941/TzeenieWheenie-red-green-OK-not-OK-Icons-1.png

06.02.2017 Energy Harvesting

Energie, die geerntet werden kannMechanisch

Elektrostatik

Ursache

Spannung

Wirkungsgrad

Anwendungen

unterschiedlich

90%

Schalter, Sensoren, Energierück-gewinnung

U=E⋅d

W=12⋅C⋅U 2

(42)

(44)

06.02.2017 Energy Harvesting

Thermoelektrische Generatoren (TEG)Theorie

● Seebeck-Efekt (Thomas Johann Seebeck, 1821)–

– Seebeck Koeffizient S wird experimentell bestimmt● Häufige Kombinationen (Werte bei 273K)

– Bismut (-68µV/K) und Tellur (500µV/K)– Nickel (-15µV/K) und Silizium (440µ/K)

● Wirkungsgrad abhängig von– Leistungszahl ZT

●

– σ: elektrischer Widerstand, λ: thermischer Widerstand, T: Temperatur● Aktuelle Forschungen erreichen Werte von 2 bis 2,5

U=(SB−S A)⋅(T 2−T 1)⋅N

ZT=S2⋅σ⋅Tλ

06.02.2017 Energy Harvesting

µTEG vs. mTEG

(12)(11)

µTEG

80 1/cm²210 Ohm28 K/W40 mV/K0.15120 mV

mTEG

10 1/cm²

3 Ω42 K/W7 mV/K0.83<50 mV

Anzahl Pfeiler NEl. Widerstand σTh. Widerstand λSeebeck-Koeffizient S→ Modul ZT→ Modul min. Spannung U

06.02.2017 Energy Harvesting

Thermoelektrische Generatoren (TEG)Spannungsregelung

● µTEG– Uµ,min = 120mV

→ Single Conductor– bq25504 (aktiv)

- benötigt Supportspannung

+ Auto. Arbeitspunkt-anpassung → geregelte Ausgangsspannung

● mTEG– Um,min = <50mV

→ Coupled Conductor– LTC3108 (passiv)

- Voreingestellte Verstärkung → Effizienz durch Linearregler stark beeinträchtigt

+ bei <<1µA deutlich effizienter

06.02.2017 Energy Harvesting

Thermoelektrische Generatoren (TEG)Energiemanagement

● Bluetooth Low Energy– Verbindungsaufbau in 3ms statt 100ms– Datenübertragung findet in kurzen Bursts statt

● FRAM– Ferromagnetischer RAM– Nicht-flüchtig (10 Jahre)– Schreibzeit ca. 100 ns

● entspricht Standard-SRAM(39)