Energy-Harvesting - Kleine Ernte – großer Nutzen Teil 1

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Aus ELVjournal 03/2014     0 Kommentare
 Energy-Harvesting - Kleine Ernte – großer Nutzen Teil 1

Inhalt des Fachbeitrags

  • Micro-Energy-Harvesting für Ultra-Low-Power-Elektronik
  • Energieabschätzung
  • Arten der Energiegewinnung
  • Mechanische Energie
  • Direkter Piezoeffekt
  • Thermische Energie
  • Anwendung Raumfahrt
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Schon immer hat der Mensch versucht, seinem Umfeld Energie zur eigenen Nutzung zu entziehen. Man denke an Wasser- oder Windmühlen für die strömenden Medien Wasser und Luft zum Zerkleinern von Körnern, Walken von textilen Geweben sowie Antrieb von Schmiedehämmern, Eiskeller, in denen die winterliche Kälte zum Kühlen verderblicher Waren im Sommer konserviert wurde, Holz und Kohle als gespeicherte Sonnenenergie zum Heizen oder für technische Verfahren, in neuerer Zeit die über die Armbewegungen ihres Trägers aufgezogene Armbanduhr und vieles mehr.

Bild 1: Temperaturschwankungen der Umwelt wandelt dieses Meisterstück der Mechanik von Jaeger-LeCoultre (Atmos Réédition 1930) in Druckschwankungen, die zum Antrieb dienen. Quelle: Jaeger-LeCoultre
Bild 1: Temperaturschwankungen der Umwelt wandelt dieses Meisterstück der Mechanik von Jaeger-LeCoultre (Atmos Réédition 1930) in Druckschwankungen, die zum Antrieb dienen. Quelle: Jaeger-LeCoultre
Bereits 1880 konstruierte der österreichische Ingenieur Friedrich Ritter von Lössl (1817–1907) eine durch atmosphärische Luftdruckschwankungen aufgezogene „autodynamische“ Uhr. Legendär ist die Atmos-Uhr der französischen Uhrenmanufaktur Jaeger-LeCoultre, die 1930 erstmals auf den Markt kam und heute noch als Replica (Bild 1) zu kaufen ist [1]. Sie arbeitet nach den Ideen von Jean-Léon Reutter (1899–1971), der 1928 einen ersten Prototypen schuf. Seine von ihm als „Atmosphärische Uhr“ bezeichnete Erfindung bezieht ihre Antriebsenergie aus einer mit Gas gefüllten Druckdose, die sich mit schwankender Umgebungstemperatur zusammenzieht oder ausdehnt. Nur ein Grad Temperaturunterschied genügt für einen Gang der Uhr von 48 Stunden. Für den Antrieb einer Atmos-Uhr ist nur die enorm geringe Leistung von etwa einem Viertel Mikrowatt erforderlich. Eine genaue Beschreibung dieses mechanischen Wunderwerks wurde bereits im ELVjournal 3/2003 vorgestellt (www.elv.de: Webcode #1290). Heute, nach dem Siegeszug von Elektrizität und Elektronik, unterstützt durch den Trend zu immer energieeffizienteren elektronischen Halbleiterchips und darauf aufbauenden technischen Systemen, besteht der zunehmende Wunsch, diese autark zu betreiben, d. h. nicht leitungsgebunden oder mit nachzuladenden Stromspeichern sowie gegebenenfalls drahtlos mit anderen Systemen kommunizierend. Das erhöht die Flexibilität und Zuverlässigkeit im Einsatz und kann erhebliche Kosten sparen bei Errichtung, Betrieb und Wartung. Die notwendige Betriebsenergie zur Realisierung derartiger Konzepte soll dem Umfeld des Geräts entnommen werden. Bei einer großen Verbreitung kann durch Einsparung von Rohstoffen und Energie ein signifikanter Nachhaltigkeitsbeitrag für die Welt von morgen geliefert werden. Bei einem geschätzten Anteil von 90 % für Verdrahtung und Installation einer Temperaturmessstelle in der Prozessautomatisierung wird deutlich, dass über Energy-Harvesting betriebene und drahtlos ausgelesene Sensoren nicht nur technisch, sondern auch wirtschaftlich attraktiv sind. Eine äußerst umfassende Darstellung der Vielzahl von Möglichkeiten bietet Achmed Khammas in seinem „Buch der Synergie“, Teil C: „Micro-Energy-Harvesting“ [2].

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