Energieversorgung von Mikrosensor-Systemen

Type: Semester thesis
Students: Beat Krähenmann
Advisor: Thomas von Büren, Marc von Waldkirch

Aktuelle Mikrosensor-Systeme müssen entweder an ein elektrisches Netz angeschlossen oder mit einer Batterie betrieben werden. Während ersteres auf Kosten der Portabilität geht, ist zweiteres schlecht für die Umwelt und mühsam für die Wartung. In den letzten Jahren begannen sich die Forschungen auf einem neuen Gebiet zu intensivieren: Die Nutzung von Umgebungsenergien soll die beiden oberen erwähnten Probleme für die Energieversorgung dauerhaft lösen. Das Mikrosensor-System würde also durch eine nie versiegende Energiequelle betrieben werden.

Ziel dieser Semesterarbeit war es, eine Auflistung sinnvoller Ansätze zu liefern und eine Übersicht über den aktuellen Stand der Forschung zu geben, sowie einen Ansatz genauer zu untersuchen.

Nutzbare Umgebungsenergien

Welche möglichen Umgebungsenergien kommen für ein autonomes Mikrosensor-System überhaupt in Frage?

• Strahlungsenergie: Sonnenlicht, Licht einer Lampe
• Thermische Energie: Temperaturdifferenz
• Mechanische Energie: Vibrationen, Druck

Mögliche Konvertierungsmethoden

Aktuell werden folgende Ansätze zur Konvertierung der diversen Umgebungsenergien benutzt

• Strahlungsenergie
  Konvertierung mittels Solarzellen: Diese Konvertierungsart ist von der grossflächigen Energiegewinnung her gut erforscht und auch für Mikrosensor-Systeme anwendbar. Problematisch bleibt die starke Orts- und Wetterabhängigkeit.
• Thermische Energie
  Konvertierung mittels des Seebecks-Effekts: Für diese Konvertierung braucht es Materialien, die einen hohen Seebeck-Koeffizienten haben. Wenn zwischen den Enden des Materials eine Temperaturdifferenz anliegt, so entsteht eine Spannung zwischen den Enden die Proportional zum Seebeck-Koeffizienten des Materials ist.
• Mechanische Energie
  Konvertierung mittels Induktion: Bewegen sich eine Spule und einen Magneten relativ zueinander, so entsteht in der Spule eine induzierte Spannung. Genau dieses Prinzip wird in einem sehr kleinen Massstab ausgenutzt, damit Vibrationsenergie konvertiert werden kann.
  Konvertierung mittels Kapazität: An einem Plattenkondensator wird zu Beginn einer Vibration eine Ladung plaziert. Verändert sich der Plattenabstand, so ändert sich auch dessen Kapazität und die Spannung über der Platte. Diese Spannungsdifferenz zum Eingangszustand ist die konvertierte Energie.
  Konvertierung mittels Piezoelektrizität: Piezoelektrische Materialien wandeln eine mechanische Spannung in elektrische Energie um. Dies wird bei der Energiekonvertierung von Vibrationen und Druck ausgenutzt.

Genaue Betrachtung der Konvertierung mittels Induktion

Mittels eines einfachen Modells, welches mit Matlab erstellt wurde, wurden einige weitere Untersuchungen über einen induktivern Vibrationskonverter gemacht. Ziel war es, aus einem gemessenen Beschleunigungssignal von Vibrationen einer Körperstelle Parameter zu finden, die für eine maximale Ausgangsleistung sorgen. Leider waren die Lösungen innerhalb des Modells zwar richtig, auf ein reales Modell sind sie jedoch nicht übertragbar. Das Modell sollte deshalb verbessert werden.