Energy Harvesting Master ET - Versuch 793
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Interdisziplinäres Laborpraktikum
Master ET
Versuch 793
Energy Harvesting
© Institut für Mikrosystemtechnik E-7
Technische Universität Hamburg-Harburg, 2014
Versionen 28.3.2012, 24.3.2014
Klaus Dembowski
1
Inhalt
1 Vorbereitung und Versuchsdurchführung ............................................................................... 3
2 Einführung ............................................................................................................................... 3
3 Solarzellen ............................................................................................................................... 5
3.1 Messungen mit Solarzellen ............................................................................................... 7
3.2 Ermittlung der Kennlinie und des Maximum Power Point .............................................. 7
3.3 Stromfluss in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Spannung ...................................... 9
3.4 Messung der Intensitätsabhängigkeit .............................................................................. 10
3.5 Temperaturabhängigkeit ................................................................................................. 11
3.6 Leistung in Abhängigkeit von bedeckten Teilflächen .................................................... 12
4 Piezoelemente........................................................................................................................ 14
4.1 Piezo-Wandlerschaltung ................................................................................................. 14
4.2 Messungen mit Piezoelement ......................................................................................... 15
4.2.1 Grundlegender Funktionstest ................................................................................... 16
4.2.2 Funktionstest der Piezo-Eingänge............................................................................ 17
4.2.3 Funktionstest des Wandlers ..................................................................................... 17
4.2.4 Maximaler Strom bei Eingangsgleichspannung ...................................................... 18
4.3 Energiegewinnung mit Piezo-Element ........................................................................... 18
4.3.1 Bestimmung der maximalen Leistung ..................................................................... 19
5 Thermogeneratoren ............................................................................................................... 20
5.1 Vergleichsmessung Thermogenerator und Peltier-Element ........................................... 21
5.2 Thermogenerator-gespeister Sensorknoten .................................................................... 22
5.2.1 Funktionstest ............................................................................................................ 22
5.2.2 Ermittlung der Leistungsabhängigkeit ..................................................................... 23
Literatur .............................................................................................................................. 244
Anhang................................................................................................................................ 255
Datenblatt Peltier-Elemente ............................................................................................ 255
Pt100-Tabelle .................................................................................................................. 266
Versuchsprotokollvorlage: Energy Harvesting 793 ........................................................ 277
2
1 Vorbereitung und Versuchsdurchführung
Vor diesem Praktikum sollte dieses Skript durchgelesen worden sein, denn zu Beginn wird
ein Multiple-Choice-Test durchgeführt, dessen Erfolg als Vorrausetzung für die Teilnahme
gilt. Im Laufe des Versuchs sind verschiedene Fragen zu beantworten und Diagramme aus
den gewonnenen Messwerten zu erstellen, was zusammengefasst als Versuchsprotokoll
abzugeben ist. Eine entsprechende Vorlage ist auf dem zum Praktikum gehörenden Notebook
gespeichert. Als abgeliefert gilt das Protokoll, wenn es als Word-Datei auf dem Notebook des
Instituts komplett gespeichert ist. Die Kennlinien werden mit Excel verarbeitet und sind mit
im Word-Dokument zu integrieren.
Im Anhang ist ein Arbeitsplan zu finden, der noch einmal zusammengefasst die Angaben für
die anzufertigenden Diagramme sowie die einzelnen Fragen enthält, was als Vorlage oder
Checkliste für das Versuchsprotokoll verwendet werden kann.
2 Einführung
Der Begriff Energy Harvesting steht für das „Ernten von Energie“ aus der Umgebung. Seit
Jahrtausenden setzen wir Energie aus Wind, Wasser und Sonne ein, die quasi überall zu
finden ist. Was aktuell als regenerative oder auch als erneuerbare Energie bezeichnet wird,
steht im Gegensatz zu den fossilen Energieträgern wie Erdöl, Erdgas und Kohle dauerhaft zur
Verfügung. Energie aus Wind, Wasser oder der Sonne zu gewinnen, ist demnach nichts
Neues.
Durch Methoden des Micro Energy Harvesting ergeben sich in Verbindung mit
energieeffizienter Elektronik eine Vielzahl von neuen energieautarken Anwendungen, die
ohne eine Primärzelle wartungsfrei betrieben werden können. Drahtlose Sensorknoten sind
hierfür ein aktuelles Beispiel. Im üblichen Sprachgebrauch ist mit Energy Harvesting meist
das Micro Energy Harvesting (MEH) gemeint was mitunter auch als Energy Scavenging
(Energie plündern, abzwacken) bezeichnet wird und bei dem nur verhältnismäßig geringe
Energiemengen gewonnen werden, im Gegensatz etwa zu Photovoltaik- sowie Wind- und
Wasserkraftanlagen, die für die Deckung des Strombedarfes von Haushalten ausgelegt sind.
Neben der Energiegewinnung aus der Umgebung werden unter MEH außerdem verschiedene
Methoden subsumiert, die mehr oder weniger direkt durch den Menschen – oder allgemein
durch Lebewesen – Energie gewinnen, wie etwa aktiv bei der Bewegung eines Dynamos
(Fahrrad, Taschenlampe mit Kurbel) oder passiv durch die Physiologie (Körpertemperatur,
aus Blutzucker mit Glukosebrennstoffzelle).
Sowohl Energie aus der Umwelt als auch solche durch den Menschen erzeugte lässt sich nach
einer geeigneten Umsetzung für unterschiedliche Anwendungen in der Mikroelektronik
nutzen. Hierfür stehen diverse Energiewandler wie beispielsweise Solarzellen,
Thermogeneratoren und Piezoelemente zur Verfügung, die für sich allein genommen aber
noch kein Energy Harvesting-System ausmachen, auch wenn diese Energiewandler in diesem
Zusammenhang oftmals als Energy Harvester bezeichnet werden.
Ausschlaggebend für die Wahl eines geeigneten Harvesting-Prinzips ist in erster Linie die
Umgebung, in der das System arbeiten soll. Die verschiedenen Energiequellen wie Licht,
Temperatur oder Vibration müssen im entsprechenden Umfeld in ausreichendem Maße zur
Verfügung stehen. Die Tabelle 1 zeigt als Überblick, was ungefähr von den verschiedenen
Quellen an Leistung oder auch an Leistungsdichte zu erwarten ist. Die Leistung wird hier wie
üblich in Watt (1 W = 1 J/s) beziehungsweise in den kleineren Untereinheiten angegeben.
Genau genommen ist der Begriff Leistungsdichte zwar nicht eindeutig und physikalisch
korrekt, hier wird er jedoch einfach auf eine Fläche oder auf ein Volumen bezogen.
3
Quelle Technologie Leistung Anmerkung/Anwendung
Licht Solarzelle 100 mW/cm2 direktes Sonnenlicht
100 µW/cm2 Kunstlicht
Temperatur Thermogenerator 60 µW/cm2 Standard
710 µW/cm2 Micropelt-Typ
Schaltvorgang Elektrodynamisch 50 µJ/N 50 µW, EnOcean PTM 200
Vibration Piezo 4 µW/cm3 menschlich im Hz-Bereich
800 µW/cm2 maschinell im kHz-Bereich
Luftstrom Strömungswandler 1 mW/cm2 Mikropumpe mit 30 l/min
HF-Strahlung Antenne < 1 µW/cm2 Im Nahfeld
Akustik (100 dB) Piezo 950 nW/cm3 Kaum erforscht
Dynamo Elektrodynamisch 3W-7W Fahrraddynamo, Kurbeltaschenlampe
Tabelle 1: Leistung von Energy Harvesting-Quellen
Die aus der Umgebung gewonnene Energie ist in nutzbare elektrische Energie umzusetzen
und zu speichern, damit sie in den Zeiten hoher Ausbeute für die Zeit geringer Ausbeute
vorgehalten werden kann, um die Elektronik entsprechend der Anwendung möglichst
ausfallsicher versorgen zu können. Deshalb ist ein Energiespeicher notwendig, der
typischerweise aus einem Akkumulator oder auch aus einem Kondensator besteht. Wie mit
der Energie zu verfahren ist bestimmt ein Energiemanagement. Als Bestandteil des
Energiemanagements ist üblicherweise noch eine Spannungsumsetzung für die
nachgeschaltete Elektronik notwendig, was mithilfe von handelsüblichen Spannungswandlern
und Ladeschaltungen realisiert wird. In der Abbildung 1 ist die einfachste Form eines Energy
Harvesting-Systems mit Energiemanagement gezeigt.
Abbildung 1: Zwischen dem Energiewandler und dem Energiespeicher sorgt das
Energiemanagement für die entsprechende Umsetzung und Verteilung der gewonnenen
Energie.
Das Kernstück einer per Energy Harvesting versorgten Elektronik, wie die eines drahtlosen
Sensorknotens, bildet meist ein Mikrocontroller, der die Signalaufnahme und
Datenübertragung möglichst „intelligent“ steuert. Was das genau bedeutet, hängt sehr stark
von der jeweiligen Anwendung ab, also wie viele, wie genau und wie oft Messdaten erfasst
werden müssen. Die gebräuchliche Betriebsart eines drahtlosen Sensorknotens ist nicht der
Dauerbetrieb, sondern ein Schlafmodus. Ein geeigneter Mikrocontroller sollte deshalb über
effiziente Sleep-Modi verfügen.
Neben einer Elektronik, die möglichst wenig Strom für die Datenaufnahme – per Sensor –
und die Signalaufbereitung verbraucht, ist eine energieeffiziente Funktechnologie zwingend
4
erforderlich. Der Mikrocontroller ist ebenfalls für die Steuerung des hierfür benötigten
Transceivers notwendig und entscheidet per Programm, in welchen Situationen Daten
gesendet werden müssen.
3 Solarzellen
Solarzellen nutzen die Strahlungsenergie der Sonne, die sich als mächtige Energieressource
darstellt. Die photovoltaische Stromerzeugung basiert auf der direkten Umwandlung von
Lichtenergie in elektrische Energie mithilfe von Solarzellen, die typischerweise aus
Halbleitermaterialien gefertigt werden und einen pn-Übergang bilden. In der
Durchlassrichtung ergibt sich das Verhalten einer Diode, deren Kennlinie sich im
beleuchteten Fall in den negativen Bereich verschiebt, was durch die Dunkel- und die
Hellkennlinie beschrieben wird (Abbildung 2). Der durch das Licht generierte Strom fließt
entgegen der Durchlassrichtung der Solarzelle. Beide Polungsarten werden durch die
Diodengleichung beschrieben:
U
I I 0 * (e n*U T 1) I SC
I ist der Gesamtstrom, der durch den pn-Übergang fließt und der vom Sperrstrom I0, der
angelegten Spannung U sowie der Temperatur T abhängig ist. Der Einfluss der Temperatur
(T) wird mit der Spannung UT ausgewiesen, die bei Raumtemperatur ungefähr 25 mV beträgt.
k *T
UT k = Boltzmann-Konstante
q
q = Elementarladung
Der Idealitätsfaktor (n) ist ein Maß für die physikalische Umsetzung im Halbleiter
(Rekombination). Er liegt idealerweise bei 1, in der Praxis rechnet man jedoch eher mit dem
Faktor 2. Isc stellt den Photostrom einer beleuchteten Zelle dar, der bei der Dunkelkennlinie
null ist.
Die Leerlaufspannung UL – auch als VOC (Open-Circuit Voltage) bezeichnet – stellt die
maximale Spannung ohne Belastung (I=0, offene Klemmen) dar. Der Kurzschlussstrom Ik –
auch als Isc (Short Circuit Current) bezeichnet – ergibt sich bei kurzgeschlossenen Leitungen
(U=0, geschlossene Klemmen) der Solarzelle, also bei einem Lastwiderstand von null Ohm.
5
Abbildung 2: Kennlinien einer Solarzelle mit den charakteristischen Parametern
Die maximale Leistung einer Solarzelle wird auf der Hellkennlinie mit dem Maximum Power
Point (MPP) beschrieben, der charakteristisch ist und für den Wirkungsgrad einer Solarzelle
eine große Bedeutung hat. Der MPP kann durch die maximale Spannung (Umax) und den
maximalen Strom (Imax) in Form der Fläche (gelbes Rechteck in Abbildung 2) mit dem
Schnittpunkt der Kennlinie ermittelt werden.
Ein weiterer wichtiger Parameter von Solarzellen ist der Füllfaktor (FF), der etwas über die
Qualität der Zelle aussagt. Hierfür wird eine Fläche zwischen UL und Ik aufgespannt, die als
Divisor für die MPP-Fläche dient:
Zur Errechnung des Wirkungsgrades (η) ist die Kenntnis der eingestrahlten Leistung (P L)
notwendig. Der Wirkungsgrad für kommerzielle Silizium-Solarzellen liegt derzeit bei
maximal 22%.
Entsprechend ihres Materials, der Kristallstruktur und ihrer Bauart ergeben sich entsprechend
der Einsatzgebiete (wenig Licht, Kunstlicht, Streulicht, hohe Betriebstemperatur) mit den
verschiedenen Zellen auch unterschiedlich hohe Wirkungsgrade.
Als „Vergleichsstrahlung“ sind bestimmte Spektren des Sonnenlichtes für die Messungen
definiert, die mit AM (Air Mass) bezeichnet werden. Hinter der Bezeichnung AM steht eine
Ziffer, die die Länge der durchdringenden Atmosphäre spezifiziert. In den für Solarzellen
verbindlichen Standard Test Conditions, werden neben dem Strahlungsspektrum (AM 1,5),
die Bestrahlungsstärke (1000 W/m2) und die Temperatur (25 °C) festgelegt. Unter diesen
Bedingungen werden die Angaben für Strom, Spannung und Leistung (Peak) der Module
ermittelt.
6
3.1 Messungen mit Solarzellen
Für die Durchführung der Messungen werden die folgenden Geräte nebst Zubehör benötigt:
Multimeter (2 Stück)
Laborkabel (6 Stück)
Hirschmann-Klemmen oder Kroko-Klemmen (2 Stück)
Spannungsquelle (regelbare Spannung von 0…7 V, NG1620)
Regelbare Heizplatte (Omnilab MR2002)
Temperaturmessgerät (evtl. im Multimeter integriert)
Luxmeter (evtl. im Multimeter integriert)
Verschiedene Solarzellen
Solarzellenmessschaltung (Abbildung 3)
3.2 Ermittlung der Kennlinie und des Maximum Power Point
Im ersten Versuch sind die Kennlinien verschiedener Solarzellen zu messen und jeweils der
MPP zu bestimmen. Um vergleichbare Werte der Solarzellen zu erhalten, ist es wichtig, dass
während des Versuchs eine konstante Bestrahlungsstärke beibehalten wird. Diese ist mit dem
Luxmeter zu ermitteln und zu notieren. Dabei ist Folgendes zu beachten:
Halogenlampen stellen sofort den vollen Lichtstrom zur Verfügung. Energiesparlampen
(Kompaktleuchtstofflampen) haben eine temperaturabhängige Helligkeit. Es kann bis zu vier
Minuten nach dem Einschalten dauern bis 90% der endgültigen Helligkeit erreicht und
Messungen mit konstantem Lichtstrom möglich sind.
Abbildung 3: Messschaltung für Solarzellen
Die Kennlinien sind durch Spannungs- und Strommessungen mit den beiden Multimetern
nach der Schaltung in Abbildung 3 zu messen, und in einer Tabelle sowie grafisch in einem
7
Diagramm aufzutragen. Die Darstellung hat in der Form zu erfolgen, wie sie in den
Datenblättern der Hersteller üblich ist. In der Abbildung 5 ist ein Beispiel hierfür gezeigt, wie
dies aussehen sollte.
Schalter Nr. Widerstand Schalter Nr. Widerstand Schalter Nr. Widerstand
1 100 Ω 1 und 2 82 Ω 1 und 2 und 3 76 Ω
2 470 Ω 2 und 3 320 Ω 2 und 3 und 4 300 Ω
3 1,0 kΩ 3 und 4 825 Ω 3 und 4 und 5 760 Ω
4 4,7 kΩ 4 und 5 3,2 kΩ 4 und 5 und 6 3 kΩ
5 10 kΩ 5 und 6 8,25 kΩ 5 und 6 und 7 7,6 kΩ
6 47 kΩ 6 und 7 32 kΩ 6 und 7 und 8 30 kΩ
7 100 kΩ 7 und 8 82,5 kΩ
8 470 kΩ
Tabelle 2: Zuordnung der DIP-Schalter zu den Widerständen
Als Last fungieren Widerstände, die per DIP-Schalter (Tabelle 2) eingeschaltet werden. Durch
die Parallelschaltung von zwei oder mehr Widerständen ist es möglich, mehr als acht
Widerstandsgrößen festlegen zu können.
Abbildung 4: Schaltplan der Messschaltung
8
Abbildung 5: Die gemessenen Kennlinien einer Solarzelle
Die Solarzelle und das Multimeter 1 (A) entsprechend der Abbildung 3 anschließen, die
beiden Anschlüsse auf der Platine für das Multimeter 2 (V) mit einem Laborkabel
kurzschließen und überprüfen, ob alle Schalter des DIP-Schalters auf OFF gesetzt sind. Bei
der Solarzelle ist außerdem auf eine korrekte Polung zu achten.
Jetzt den Kurzschlussstrom der Solarzelle messen, danach das Multimeter 2 (V) anschließen
und die Leerlaufspannung messen. Zur Ermittlung der Stromkennlinie sind die verschiedenen
Widerstände mit dem DIP-Schalter zu aktivieren und die Messwerte aufzunehmen. Daraus ist
die Leistungskurve zu mit dem MPP der jeweiligen Zelle zu ermitteln. Zur Erinnerung:
Bestrahlungsstärke konstant halten und notieren.
Die Messungen sind mit zwei verschiedenen Solarzellen durchzuführen.
3.3 Stromfluss in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Spannung
Bei diesem Versuch wird anstelle eines Lastwiderstandes eine Spannungsquelle an die
Solarzelle angeschlossen, um den Stromfluss in Abhängigkeit von einer vorgegebenen
Spannung ermitteln zu können.
Weil bei den verwendeten Solarzellen ein ähnliches Verhalten zu erwarten ist, wird dieser
Versuch exemplarisch nur mit einer Solarzelle durchgeführt.
Hierzu wird die Solarzelle entsprechend der Abbildung 6 angeschlossen. Dies kann direkt
mithilfe der Hirschmannklemmen oder auch mit der Platine (Abbildung 3) erfolgen, bei der
die Spannungsquelle mit an die Klemmen Spannungsmessgerät angeschlossen wird und alle
Widerstände auszuschalten sind.
Die ausgegebene Spannung der Quelle wird von 0V bis ca. der (zuvor ermittelten)
Leerlaufspannung der verwendeten Solarzelle erhöht und jeweils der Stromfluss gemessen.
Auch hier ist wieder auf eine konstante Bestrahlungsstärke zu achten.
9
Abbildung 6: Die Messschaltung.
Beim Aufbau (2) in Abbildung 6 ist die Polung der Spannungsquelle umzudrehen, um die
Messung im negativen Bereich fortführen zu können. Die gemessenen Werte sind in einer
Tabelle und in einem Diagramm grafisch aufzutragen. In der Abbildung 7 ist ein Beispiel
hierfür gezeigt.
Abbildung 7: Kennlinie des Stromflusses in Abhängigkeit von einer vorgegeben Spannung.
3.4 Messung der Intensitätsabhängigkeit
Bei den vorherigen Versuchen war die Bestrahlungsstärke für die Solarzelle konstant. Hier
soll untersucht werden, wie Spannung und Strom von der Intensität des Lichtes abhängen. In
der Tabelle 3 sind typische Werte für verschiedene Umgebungen angeführt. Es hängt sehr
stark vom jeweiligen Solarzellentyp ab, wie die Ergebnisse in unterschiedlichen
Beleuchtungsszenarien ausfallen. Beispielsweise werden spezielle Indoor-Solarzellen
hergestellt, die explizit für die Verwendung bei Kunstlicht optimiert sind.
10Umgebung Lux
Kerzenlicht (20 cm Abstand) 15
Normales Raumlicht 100 - 500
Büro 300 - 700
Tageslicht bewölkt 5000
Tageslicht wolkenlos 10000
Helles Sonnenlicht > 200000
Tabelle 3: Beispiele für Beleuchtungen.
Für diesen Versuch wird die Solarzelle an einen Lastwiderstand (wie in Versuch unter 3.2)
mit den beiden Multimetern für Strom und Spannung angeschlossen. Der Widerstand ist so zu
wählen, dass die Solarzelle im Maximum Power Point (MPP) betrieben wird. Mithilfe eines
Luxmeters und einer Lichtquelle können verschiedene Bestrahlungsstärken simuliert und
Strom und Spannung ermittelt werden. Die Ergebnisse sind in einer Grafik (Beispiel
Abbildung 8) darzustellen.
Abbildung 8: Kennlinien der Spannung und des Stroms in Abhängigkeit von der Beleuchtung.
3.5 Temperaturabhängigkeit
Die Temperatur hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Kennlinie und damit auf den
Wirkungsgrad einer Solarzelle, was deshalb von großer Bedeutung ist. Bei diesem Versuch
wird eine Solarzelle einer konstanten Lichtintensität ausgesetzt. Die Leerlaufspannung ist bei
verschiedenen Temperaturen zu messen (Thermoelement am Digitalmultimeter) und die
Messwerte sind in einem Diagramm aufzutragen. Spannungsmessung erfolgt direkt mit einem
Multimeter, welches über die Hirschmannklemmen mit der Solarzelle verbunden wird, die auf
einer einstellbaren Heizplatte zu positionieren ist. Dabei sind folgende Punkte zu beachten:
11 Viele Solarzellen haben ihre Kontakte auf der Unterseite und die Heizplatte besteht
aus einem elektrisch leitenden Material. Deshalb ist auf eine Isolierung der
Solarzellenkontakte zu achten, wofür Isolierband verwendet werden kann.
Die Temperatur der Heizplatte lässt sich nicht exakt (genug) einstellen. Eine
Möglichkeit ist es, die Heizplatte auf ca. 60 °C aufzuheizen (mit Temperaturfühler
kontrollieren) und dann abzuschalten. Die Temperatur verringert sich mit
annehmbarer Geschwindigkeit und die Werte für die Leerlaufspannung können im
Abstand von jeweils 5 °C ermittelt werden.
Der Wärmeübergang zwischen der Heizplatte und der Solarzelle wird vernachlässigt.
Die Position des Temperaturfühlers ist möglichst konstant zu halten.
Abbildung 9: Leerlaufspannung in Abhängigkeit von der Temperatur.
3.6 Leistung in Abhängigkeit von bedeckten Teilflächen
Für diesen Versuch wird die Solarzelle wieder (wie in Versuch unter 3.2) an einen
Lastwiderstand angeschlossen und mit den Multimetern für Strom und Spannung verwendet.
Der Widerstand ist so zu wählen, dass die Solarzelle in ihrem Maximum Power Point arbeitet.
Die Beleuchtung und der Abstand zur Zelle sind dabei auch wieder konstant zu halten. Es
sind der Strom, die Spannung, die Leistung sowie der Leistungsverlust zu ermitteln und in
eine Tabelle (vgl. Tabelle 4) einzutragen, wobei verschiedene Teilflächen (entsprechend der
Abbildung 10) abgedeckt werden.
12Nr. Spannung (V) Strom (mA) Leistung (mW) Leistungsverlust
1 0,670 0,067 0,0449 0%
2 0,500 0,050 0,0250 44%
3 0,350 0,035 0,0123 73%
4 0,250 0,025 0,0063 86%
5 0,055 0,006 0,0003 99%
6 0,003 0 0 100%
7 0,008 0 0 100%
8 0,015 0,010 0,0002 99%
Tabelle 4: Beispielhafte Ergebnisse bei der Teilabdeckung von Solarzellen.
Abbildung 10: Die Abdeckung von Teilflächen bei Solarzellen.
134 Piezoelemente
Um aus kinetischer Energie elektrische Energie zu gewinnen, werden häufig Piezo-Elemente
eingesetzt. Der Piezo-Effekt wurde von den Brüdern Jacques Curie und Pierre Curie im Jahre
1880 entdeckt. Sie stellten fest, dass bei mechanischer (gerichteter) Verformung von
Kristallen (z.B. Bernstein, Quarz, Turmalin) auf deren Oberfläche elektrische Ladung
entsteht, deren Menge sich proportional zur Beanspruchung verhält.
Das allgemein bekannteste Gerät, bei dem der Piezo-Effekt ausgenutzt wird, ist ein Piezo-
Feuerzeug, bei dem durch einen großen Druck eine kurzzeitige, sehr hohe elektrische
Spannung (15 kV) erzeugt wird, die die Gasflamme durch eine Funkenentladung zündet.
Umgekehrt verformen sich bestimmte Materialien bei Anlegen einer elektrischen Spannung,
was daher als inverser Piezo-Effekt bezeichnet wird. Mikrophone, Beschleunigungs- und
Drucksensoren einerseits und Lautsprecher (Buzzer), Druckköpfe in Tintenstrahldruckern (Fa.
Epson) sowie Druckregler und Einspritzdüsen (Pkw) andererseits sind Anwendungen für den
Piezo- und den inversen Piezo-Effekt.
Druck, Stöße, Vibrationen und Schwingungen lassen sich sowohl bei Maschinen, Anlagen
und bei Fahrzeugen ausnutzen als auch bei der menschlichen Bewegung, etwa in
Laufschuhen, die mit geeigneten Piezo-Elementen ausgestattet sind. Da der Piezo-Effekt nur
in nichtleitenden Materialien auftreten kann, sind industriell hergestellte Elemente meistens
Keramiken.
Abbildung 11: Verschiedene Piezoelemente.
Die Piezo-Elemente lassen sich an Maschinen, an Pumpen und Turbinen, an Fahrzeugen oder
auch durch „Human Power“ betreiben. Neben den mechanischen Aspekten ist die jeweilige
Frequenz, für die das Piezo-Element spezifiziert ist, der wichtige Parameter. Deshalb sollte
ein als Harvester zu verwendendes Piezo-Element möglichst einer gleichmäßigen Vibration
unterliegen, wie es etwa beim Einsatz mit Pumpen gegeben ist. In einer Umgebung, wo
stattdessen nur kurzzeitige (heftige), unregelmäßige Stöße auftreten, sind eher
elektrodynamische Wandler geeignet. Die maximal erzeugbare Spannung eines Piezoelements
wird üblicherweise dann erreicht, wenn es mit seiner Resonanzfrequenz angeregt wird.
4.1 Piezo-Wandlerschaltung
Ein Piezo-Element generiert eine Wechselspannung, die demnach nicht unmittelbar für eine
Energy Harvesting-Schaltung nutzbar ist. Der Baustein LTC3588 (Abbildung 12) der Firma
Linear Technology enthält neben dem Gleichrichter einen Abwärtsregler (Buck Converter),
um eine Piezo-Spannung (2,7 bis 20 V) auf eine von vier wählbaren Ausgangsspannungen
(1,8 V bis 3,6 V) umzusetzen. Die Festlegung erfolgt über die Eingänge Output Voltage
Select.
14An diesen Umsetzer lässt sich unmittelbar ein Piezo-Element anschließen, dessen
Bewegungsenergie in einem separaten Kondensator (CSTORAGE) gespeichert wird, der für die
nachgeschaltete Elektronik einen maximalen Strom von bis zu 100 mA zur Verfügung stellen
kann.
Abbildung 12: Energy Harvesting mit einem Piezo-Element (PFC-W14) an einem Umsetzer,
der eine konstante Ausgangsspannung von 3,6 V generiert.
Der Power-Good-Pin (PGOOD) signalisiert mit einem High-Pegel, dass sich Vout
entsprechend der Vorgabe an Output Voltage Select (≥ 92%) eingestellt hat und mit einem
Low-Pegel, dass Vout keine verwertbare Ausgangsspannung liefert.
4.2 Messungen mit Piezoelement
Für die Durchführung der Messungen werden die folgenden Geräte nebst Zubehör benötigt:
Multimeter (mindestens 2 Stück, am besten 4 Stück)
Laborkabel (12 Stück)
Hirschmann-Klemmen (4 Stück)
Spannungsquelle (regelbare Spannung von 0…20 V, NG1620)
Piezo-Messschaltung (Abbildung 13) oder LTC3588 Demo Circuit (1459B)
Widerstände (390 Ω) als Last
Messschaltung für Solarzellen als Last (Abbildung 3)
Montiertes Piezoelement
Anregungsquelle (modifizierter Lüfter)
Die ersten Messungen sind für die Überprüfung der einwandfreien Funktion des Konverters
notwendig, bevor das Piezoelement (Kapitel 4.3) für die Energieerzeugung an die Platine
angeschlossen und eingesetzt wird.
Achtung: Die Schaltung nicht mit den Fingern berühren! Die Platine stets nur am Rand
anfassen.
15Abbildung 13: Die Platine mit dem Konverter für Piezoelemente
4.2.1 Grundlegender Funktionstest
Das Stromlimit des Netzteils ist auf 50 mA einzustellen. Danach das Netzteil wieder
ausschalten und anschließen. Die Jumper D0 und D1 sind auf Low-Pegel zu setzen (0: den
mittleren und den unteren Stift mit dem Jumper verbinden; 1: den mittleren und den oberen
Stift mit dem Jumper verbinden). Es wird keine Last am Ausgang angeschlossen.
Achtung: Die Strombegrenzung des Netzteils ist auf 50 mA einzustellen.
Das Multimeter 1 zwischen Vin und dem Pluspol des Netzteils anschließen, um den
Eingangsstrom zu überprüfen. Den Minuspol des Netzteils mit GND verbinden und die
Spannung des Netzteils langsam von 0 V auf bis zu 2,0 V erhöhen. Dabei überprüfen, ob der
Eingangsstrom nicht größer als 5 mA wird (typisch Iin < 3 µA).
Das Multimeter 2 zwischen Vout und GND anschließen, die Eingangsspannung des Netzteils
auf maximal 17,0 V erhöhen, die Ausgangsspannung Vout messen und protokollieren. Bei
einer Jumperstellung von D0 = 0 und D1 = 0 muss die Ausgangsspannung zwischen 1,71 V
und 1,89 V liegen (vgl. Tabelle 1). Die Spannung des Netzteils auf 0 V herunterregeln.
Der Ausgangsstrom der Schaltung soll jetzt auf ca. 5 mA begrenzt werden. Bei einer
Ausgangsspannung von Vout = 1,8 V ergibt sich dann ein Widerstand von 360 Ω als Last. Der
nächstmögliche größere Standardwert für einen Widerstand beträgt 390 Ω. Der Widerstand
wird mithilfe der Hirschmannklemmen an die Platine angeschlossen. Zwischen Vout und der
Last das Multimeter 3 anschließen und den Widerstand mit GND verbinden. Die Spannung
des Netzteils auf bis zu 15 V erhöhen und den Ausgangsstrom sowie die Ausgangsspannung
messen und notieren. Anschließend die Spannung des Netzteils wieder auf 0 V
herunterregeln. Damit ist der grundlegende Funktionstest abgeschlossen.
16Abbildung 14: Die Schaltung des Konverters
4.2.2 Funktionstest der Piezo-Eingänge
In diesem Schritt soll die korrekte Funktion des Piezo-Eingangs anhand von
Eingangsstrommessungen überprüft werden. Die Vorgehensweise ist dabei die gleiche wie bei
der ersten Messung (4.2.1).
Hierzu ist das Multimeter 1 vom Eingang Vin zu trennen und (wieder als Amperemeter) jetzt
mit dem Anschluss PZ1 zu verbinden. Am Ausgang bleibt die Last von R = 390 Ω
angeschlossen. Jetzt ist die Spannung des Netzteils langsam von 0 V auf 2,0 V zu erhöhen,
wobei der Eingangsstrom nicht größer als 5 mA werden darf.
Die Spannung des Netzteils ist dann auf bis zu 15 V zu erhöhen und die Ausgangsspannung
Vout zu messen, die wieder zwischen 1,71 V und 1,89 V liegen muss. Der gleiche Test ist mit
dem Anschluss PZ2 zu wiederholen und die Messwerte sind zu notieren. Zum Abschluss ist
die Spannung des Netzteils wieder auf 0 V zu stellen.
4.2.3 Funktionstest des Wandlers
Beim Funktionstest des Wandlers (ohne Last) sollen die vier Modi der Ausgangsspannung
überprüft werden. Hierzu ist das Netzteil wieder an Vin anzuschließen. Der erste Modus mit
D0=0 und D1=0 resultierte in einer Ausgansspannung von ungefähr 1,8 V, wie es beim
grundlegenden Funktionstest bereits überprüft worden ist. Nun den Jumper von D0 versetzen,
sodass D0 = 1 entspricht. Anschließend die Spannung des Netzteils auf bis zu 15 V erhöhen,
die Ausgangsspannung Vout messen. Die beiden weiteren Tests der Ausgangsspannung sind
durch das entsprechende Umsetzen der Jumper und erneute Messungen durchzuführen. Die
Messungen sind in eine Tabelle (vgl. Tabelle 5) einzutragen.
Jumper-Stellung Ausgangsspannung in V
D0 D1 Minimum Maximum
0 0 1,71 1,89
1 0 2,425 2,575
0 1 3,201 3,399
1 1 3,491 3,708
Tabelle 5: Mögliche Ausgangsspannungen des Konverters
17Abschließend die Eingangsspannung auf 0 V herunterregeln, das Netzgerät ausschalten und
alle Verbindungen von der Platine trennen.
4.2.4 Maximaler Strom bei Eingangsgleichspannung
Bei dieser Messung soll ermittelt werden, wie viel Strom der Konverter bereitstellen kann.
Hierfür ist eine Gleichspannung von zunächst von 5 V und nachfolgend von 10 V an den
Eingang Vin anzulegen und Vout (Jumper D0 = D1 = 0, Vout=1,8 V) sowie der Strom Iout zu
messen. Als Last werden die Widerstände der Messschaltung für Solarzellen (Abbildung 3)
eingesetzt. Der Eingang Solarzelle dieser Platine ist deshalb mit Vout und GND der Piezo-
Konverterschaltung (vgl. auch Abbildung 13, 17) zu verbinden.
Die DIP-Schalter für die Widerstände sind zunächst alle in die OFF-Stellung zu setzen. Dann
werden die Widerstände vom höchsten Wert beginnend einzeln eingeschaltet (nachdem für
Widerstand 8 gemessen wurde, diesen auf OFF setzen und dann Widerstand 7 auf ON setzen
usw.). Für eine Eingangsspannung von 5 V sind mindestens 6 Messungen über den möglichen
gesamten Bereich durchzuführen und die Widerstandswerte, Vout , Iout sowie die Leistung in
eine Tabelle einzutragen. Die Messung ist für eine Eingangsspannung von 10 V zu
wiederholen.
4.3 Energiegewinnung mit Piezo-Element
Bei diesem Versuch wird ein Piezoelement zur Energiegewinnung mit der
Konverterschaltung verbunden, um damit beispielsweise eine nachgeschaltete Elektronik
versorgen zu können. Das Piezo-Element besteht aus zwei parallelgeschalteten Elementen und
ist als Biegebalken (Balkenschwinger) auf einer Metallplatte montiert. Dieses System wird
zunächst auf das Blech eines vibrierenden Lüfters gesetzt (Vorsicht: magnetische Haftung),
der als Anregungsquelle dient.
Das Piezoelement ist mit dem Eingang PZ der Platine zu verbinden und der Lüfter an das
Netzteil anzuschließen. Das Multimeter 3 wird an die roten Buchsen PZ1 und PZ2 der Platine
(Abbildung 13) angeschlossen, um die erzeugte Wechselspannung des Piezoelementes zu
messen. Am Ausgang wird zunächst keine Last angeschlossen.
Durch die Spannungseinstellung am Netzteil soll diejenige Spannung (Frequenz) ermittelt
werden, bei der die Piezospannung maximal wird. Die drei Muttern, die als Gegengewicht des
Schwingers dienen, können so abgestimmt werden, dass bei konstanter Lüftereingangs-
spannung ein Maximum in der Amplitude erreicht wird.
Abbildung 15: Prinzip des Balkenschwingers mit den Muttern zur Abstimmung
Die Abhängigkeit der Piezospannung von der Versorgungsspannung des Lüfters – d.h. von
seiner Umdrehungszahl und damit der Anregungsfrequenz – ist in einem Diagramm
aufzutragen. Der Zusammenhang zwischen der Versorgungsspannung des Lüfters und der
Frequenz ist in der Abbildung 16 angegeben.
18Abbildung 16: Zusammenhang zwischen der Versorgungsspannung des Lüfters und der
Anregungsfrequenz
4.3.1 Bestimmung der maximalen Leistung
Als nächstes ist der maximale Ausgangsstrom bei einer Ausgangsspannung von 1,8 V zu
ermitteln. Dabei ist der Pegel des Power-Good-Ausgangs stets zu kontrollieren. Die Messung
ist analog zu 4.2.4 (Maximaler Strom bei Eingangsgleichspannung), jetzt jedoch mit dem
angeschlossenen Piezoelement (Abbildung 17), auszuführen. Hierfür ist das Netzteil des
Lüfters einzuschalten und damit diejenige Spannung einzustellen, bei dem das Piezoelement
die höchste Spannung abgibt. In einer Tabelle sind die verwendeten Widerstandswerte
(typisch 6 verschiedene), die Piezospannung, Vout und Iout sowie die Leistung einzutragen.
Abbildung 17: Verschaltung für die Strommessung beim Einsatz des Piezoelementes
195 Thermogeneratoren
Eine vergleichsweise hohe Leistungsabgabe liefern Thermogeneratoren, was unter
Ausnutzung des Seebeck- oder Peltier-Effektes erfolgt. Zur technischen Anwendung sind
zwei elektrische Leiter notwendig, die sich in ihrem Seebeck-Koeffizienten (Thermokraft: α)
unterscheiden. Werden diese beiden Leiter verbunden, liegt die Funktion eines
Thermoelementes oder Thermopaares vor. Typische Materialpaarungen sind Nickel-
Chrom/Nickel oder Platin-Rhodium/Platin.
Thermoelektische Generatoren bestehen aber meist aus p- und n- dotierten
Halbleitermaterialien, die zwischen zwei metallisierten Keramikplatten geschichtet werden.
Die Keramik dient der Festigkeit und der elektrischen Isolierung des Systems. Die Halbleiter
sind elektrisch in Serie und thermisch parallel geschaltet. Um eine signifikante
Ausgangspannung zu erhalten, muss der Seebeck-Koeffizient des Materials (z.B. Bismut-
Tellurid, Bi2Te3) sehr hoch sein.
Abbildung 18: Die Effizienz eines Thermogegerators hängt stark vom Seebeck-Koeffizienten
des verwendeten Materials ab.
Der Wirkungsgrad von Thermogeneratoren liegt bisher nur bei 5-10%. Ein Grund dafür ist die
ungewollte Wärmeleitung zwischen den Metallen bzw. den Halbleitern. Bei einer Leiter- oder
Halbleiterstruktur, die eine Temperaturdifferenz ΔT zwischen den Enden aufweist, wird das
Auftreten einer elektrischen Spannung nach Seebeck beschrieben als:
Während Seebeck den gleichnamigen Effekt mit dem ersten Thermoelement präsentierte,
gelang Peltier der umgekehrte Vorgang, in dem Temperaturdifferenzen durch das Anlegen
einer Spannung an das Element erzeugt wurden. Peltier-Elemente werden traditionell zur
Kühlung, etwa bei Prozessoren verwendet und verfügen über eine „heiße“ und eine „kalte“
Seite. Gleichwohl können aber auch Peltier-Elemente umgekehrt aus Temperaturdifferenzen
elektrischen Strom erzeugen, sofern sie aus geeigneten Materialien aufgebaut sind.
205.1 Vergleichsmessung Thermogenerator und Peltier-Element
Für die Durchführung der Messungen werden die folgenden Geräte nebst Zubehör benötigt:
Peltier-Element (TEC1-Serie)
Thermogenerator (eingebaut im Block mit Kühlkörper)
Multimeter
Laborkabel
Hirschmann-Klemmen
Regelbare Heizplatte (Omnilab MR2002)
Temperaturmessgerät (evtl. im Multimeter integriert)
Thermogenerator (TE Power Node von Micropelt, PN751-566)
Computer mit installierter TE-Power-Scope Software (Notebook)
USB-Transceiver (Micropelt 2.5)
Bei diesem Versuch sind die Leerlaufspannungen von einem Thermogenerator und einem
klassischen Peltier-Element in Abhängigkeit von der Temperatur zu ermitteln.
Achtung: Die Top-Temperatur des Thermogenerators von 65 °C darf nicht überschritten
werden!
Das Peltier-Element wird über die Anschlussleitungen mit einem Multimeter verbunden. Im
Block des Thermogenerators befinden sich zwei Temperatursensoren (Pt100), die die
Temperatur auf der Oberseite (Top) und der Unterseite (Base) detektieren. Sowohl die
Ausgangsspannung des Thermogenerators als auch die der beiden Sensoren werden über
einzelne 4 mm-Stecker herausgeführt, die an ein Multimeter anzuschließen sind. Anhand
einer Widerstandstabelle (siehe Anhang Pt100-Tabelle) ist die dazugehörige Temperatur zu
bestimmen.
21Abbildung 19: Der Thermogenerator und das Peltier-Element.
Beide Elemente sind auf die Heizplatte zu legen und es ist ein Messzyklus (6 Messungen) bis
zu einer maximalen Top-Temperatur von 65 °C auszuführen. In einer Tabelle sind die beiden
Leerlaufspannungen in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur der Heizplatte
einzutragen.
5.2 Thermogenerator-gespeister Sensorknoten
Der TE Power Node der Firma Micropelt wird im letzten Teil des Versuches als drahtloser
Sensorknoten eingesetzt, der allein durch Thermoenergie versorgt wird. Auf dem Modul
werden damit ein Mikrocontroller für die Signalverarbeitung und Steuerung sowie ein
Transceiver (2,4 GHz) für die Datenübertragung betrieben.
Achtung: Der TE Power Node darf grundsätzlich nicht in Umgebungen über 100°C
eingesetzt werden. Zudem muss elektrostatische Entladung unbedingt vermieden werden.
Die Entfernung zwischen Sender- und Empfängereinheit sollte 5 m nicht überschreiten.
5.2.1 Funktionstest
Zunächst ist der USB-Empfänger an den Computer anzuschließen. Eine grüne LED am USB-
Stick beginnt zu leuchten, sobald der Empfänger bereit ist. Eine rote LED blinkt bei jeder
Datenübertragung zwischen dem Sensorknoten und dem USB-Empfänger.
Für die grundsätzliche Funktion des Thermogenerators (TEG) reicht es aus, wenn er auf einer
Fläche platziert wird, dessen Temperatur mindestens 12 °C höher ist als die der Umgebung.
Aufgrund der Magnete an der Grundplatte kann das Modul beispielsweise an einen warmen
Heizkörper „geklebt“ werden. Andernfalls wird das Modul auf die Heizplatte gesetzt, die auf
eine entsprechende Temperatur einzustellen ist, bis die grüne LED am Modul anfängt zu
blinken. Diese Mindesttemperatur ist mit dem Temperaturmessgerät (Multimeter mit Fühler)
zu kontrollieren und zu notieren.
22Abbildung 20: Die Software funktioniert und empfängt Messdaten.
Daraufhin kann die Software TE-Power-Scope (Abbildung 20) gestartet werden. Im Menü
„Settings“ ist ein COM-Port auszuwählen und mit „Run“ startet die Datenerfassung mit der
Übertragung der Temperaturmesswerte. Bei erfolgreicher Übertragung werden entsprechende
Datenpunkte in das Diagramm geschrieben. Sollte dies nicht funktionieren, muss unter
„Settings“ ein anderer COM-Port ausgewählt werden (siehe auch die Datei TE Power Scope
Readme auf dem Notebook).
5.2.2 Ermittlung der Leistungsabhängigkeit
Im letzten Teil soll die Temperatur des Thermogenerators verändert und die daraus
resultierende Abhängigkeit zur Leistung ermittelt werden, was (wieder) mithilfe der
Heizplatte erfolgt. Nach Erreichen einer Temperatur von ca. 60 °C kann die Heizplatte
abgeschaltet (sie heizt nach), die Datenaufzeichnung gestartet und bis zum Abbruch der
Funkübertragung aufgezeichnet werden. In der Abbildung 21 ist beispielhaft gezeigt, wie dies
am Bildschirm aussehen kann. Die einzelnen Farben der Kurven haben dabei die folgenden
Bedeutungen:
Blau: T1, heat sink temperature (oben, Top)
Rot: T2, heat source temperature (unten, Base)
Grün: DT, effektive Temperaturdifferenz über dem TEG
Orange: TEG Voltage, Ausgangsspannung des Thermogenerators (rechte y-Achse)
23Abbildung 21: Aufzeichnung der wichtigen Parameter, die für Excel exportiert werden
können.
Achtung: Der USB-Transceiver darf nicht im laufenden Betrieb vom Notebook
abgezogen werden!
Die Ausgangsleitung des Thermogenerators wird im Modul über einen transformatorischen
DC/DC-Wandler in eine höhere Spannung (bei kleinerem Strom) umgesetzt, die in einem 100
µF-Kondensator gespeichert wird, was unter Storage (Abbildung 20) zu sehen ist.
Unter den Temperaturwerten (Thermal) findet sich außerdem eine Angabe für heatflux, den
Wärmefluss (Q) oder Wärmestrom. In Analogie zur Elektrotechnik entspricht Q dem Strom I,
die Spannung wird durch den Temperaturgradienten (ΔT) repräsentiert und der thermische
Widerstand (RTH) steht für den elektrischen Widerstand. Die Werte für Q und ΔT sind bei
eingeschwungenem Zustand des Systems zu notieren.
Die aufgenommenen Kurven können über Save Diagramm als CSV-Datei exportiert und in
Excel importiert werden. Damit ist ein Diagramm (im XLSX-Format) anzufertigen, welches
die Temperaturdifferenz, den Wärmestrom und die Leistung des TEG über der Zeit darstellt.
Literatur
J. Müller: Vorlesungsskript Photovoltaik, Physik der Solarzelle und Herstellung, 2009
http://www.tu-harburg.de/mst/lehre-intern/photovoltaik.html
K. Dembowski: Energy Harvesting für die Mikroelektronik, VDE-Verlag, 2011
http://www.vde-verlag.de/buecher/483234/energy-harvesting-fuer-die-mikroelektronik.html
24Anhang
Datenblatt Peltier-Elemente
25Pt100-Tabelle
26Versuchsprotokollvorlage: Energy Harvesting 793
Master ET, Interdisziplinäres Laborpraktikum
Gruppe:
Datum der Durchführung:
Namen der Teilnehmer, Matrikelnummer:
Solarzellen
A) Ermittlung der Kennlinie und des MPP
Solarzelle 1, Typ:
Bestrahlungsstärke in Lux:
Tabelle (V, I, P)
Diagramm (V, I, P)
MPP:
Solarzelle 2, Typ:
Bestrahlungsstärke in Lux:
Tabelle (V, I, P)
Diagramm (V, I, P)
MPP:
B) Stromfluss in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Spannung
Solarzellentyp:
Bestrahlungsstärke in Lux:
Tabelle (V, I)
Diagramm (V, I)
Fragen:
1. Inwieweit unterscheidet sich die aufgenommene Stromkennlinie (A) von der in
Abschnitt 3.2 (B) aufgenommenen?
2. Welches Verhalten des Stromes ist im negativen Spanungsbereich (Rückwärtsstrom)
zu erwarten?
3. Was ist beim Zusammenschalten von Solarzellen zu beachten?
27C) Messung der Intensitätsabhängigkeit
Solarzellentyp:
Lastwiderstand:
Diagramm (lx, V)
D) Temperaturabhängigkeit
Solarzellentyp:
Bestrahlungsstärke in Lux:
Tabelle (°C, V)
E) Leistung in Abhängigkeit von bedeckten Teilflächen
Solarzellentyp:
Lastwiderstand:
Tabelle (V, mA, mW, %)
Fragen:
1. Wie verhält sich der Leistungsverlust zur abgedeckten Fläche?
2. Was sind die optimalen Betriebsbedingungen für Solarzellen ?
Piezoelemente
A) Grundlegender Funktionstest
Maximaler Eingangsstrom:
B) Funktionstest der Piezo-Eingänge
PZ1
maximaler Eingangsstrom:
Ausgangsspannung Vout:
PZ2
maximaler Eingangsstrom:
Ausgangsspannung Vout:
C) Funktionstest des Wandlers
Tabelle mit den gemessenen Ausgangsspannungen
D) Maximaler Strom bei Eingangsgleichspannung
Tabelle (Eingangsspannungen 5 V und 10 V, R, Vout , Iout , P)
28E) Energiegewinnung mit Piezo-Element
Diagramm: Piezospannung in Abhängigkeit von der Lüfter-Versorgungsspannung und der
Anregungsfrequenz
F) Bestimmung der maximalen Leistung
Tabelle (R, Vout , Iout , P)
Fragen:
1. Warum ist die Überprüfung der Eingangsströme IIN, IPZ1 und IPZ1 von Bedeutung?
2. Bei welcher Ausgangsspannung Vout liegt am Power-Good-Pin erstmalig eine logische
Null an?
3. Wie hoch ist die maximale Spannung am Piezo-Eingang beim Betrieb mit dem
Balkenschwinger?
4. Gibt es einen Zusammenhang zwischen VIN und der maximalen Abgabeleistung?
5. Warum unterscheidet sich die Abgabeleistung bei Einspeisung an Vin von der bei der
Verwendung des Piezoelementes?
6. Was passiert mit der Ausgangsspannung, wenn das Piezoelement nicht oben, sondern
seitlich am Blech positioniert wird?
7. Welchen Einfluss hat das Gegengewicht beim Balkenschwinger?
Thermogeneratoren
A) Vergleichende Messung Peltier-Element und Thermogenerator
Tabelle (°C, VPeltier, VThermo)
Fragen:
1. Wie lassen sich die unterschiedlichen Messergebnisse der beiden Elemente erklären?
2. Was ist für eine möglichst hohe Energieausbeute bei einem Thermogenerator und
einem Peltier-Element wichtig ?
B) Sensorknoten
Funktionstest
Ermittlung der Leistungsabhängigkeit, Diagramm: Temperaturdifferenz, Wärmestrom und
TEG-Leistung über der Zeit dargestellt.
Fragen:
1. Wie groß ist der Wärmewiderstand des Thermogenerators?
2. Zu welcher Größe ist der Wärmefluss proportional?
3. Wann wird das Maximum der TEG-Leistung erreicht?
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