Energieautarke Lüftungssteuerung

Juan-Mario Gruber, Daniel Rieben

InES Institute of Embedded Systems

ZHAW

◼ Energieautarke Embedded Systeme

• Anwendungsorientierte Lösungen

• Energy Harvesting

• Power Management

• Low-power Technologien

• Sensorlösungen

• Aktuatoren und Antriebe

• Wireless communication

5. Juni 2018

Forschungsschwerpunkt

Autarke Systeme am InES

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◼ Energieautarke Embedded Systeme und Energy

Harvesting

5. Juni 2018

Forschungsschwerpunkt

Autarke Systeme am InES

ECC 20183

◼ Motivation: Lüftungstechnik

◼ EH basierte Lüftungssteuerung

• Energy Harvesting

• Systemkonzept

• Realisierung

• Energiebudget

◼ Vorstellung Prototyp

◼ Fazit

5. Juni 2018

Agenda

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◼ Lüftungskanäle

• Verkabelung sparen

• Wartungsfreie Aktorik / Sensorik

(kein Akkuwechsel notwendig)

• Einfach zum nachrüsten

◼ Herausforderungen

• Verschmutzungsresistenz

• Einfache Handhabung

• Verfügbarkeit

• Preis

5. Juni 2018

Motivation

[Bild: Hart Klimatechnik]

ECC 20185

◼ Bisherige Lösungen meist kabelbasiert

• Lange Kabel die viel kosten

• Nachrüstung von neuen Kabeln ist

aufwändig

• Batterien oder Akkus müssen gewechselt werden

◼ Vorteile von Energy Harvesting

• Keine Kabel, Wartungsfrei (Akku Aufladen, Batteriewechsel)

• Wasserdicht, Verschmutzungsresistent

• Funktioniert immer → kein leerer Akku

• Hohe Innovation (Marketing)

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Energy Harvesting im Lüftungskanal

[Bilder: Colourbox]

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◼ Anwendungen

• Überwachung von Differenzdruck

• Messen der Luftfeuchtigkeit, Luftqualität

• Steuern von Klappen oder Ventilen

• Intelligentes Sensornetzwerk um Strömung

zu Überwachen

◼ Einsatzgebiete

• System Überwachung

• Klimaregelung

• Qualitätsprüfung

• Sicherheit (Überdruck, etc.)

• …

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Energieautarke Lüftungssteuerung

[Bild: Hekatron]

ECC 20187

Systemkonzept

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◼ Mögliche Lösungen Energy Harvester

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Energy Harvesting in Fluidströmungen

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◼ Windrad

• Vorteile: Etabliertes Konzept für grosse Anlagen, günstig, liefert mehr

Energie mit steigender Windgeschwindigkeit

• Nachteile: Propeller muss gelagert werden → Reibung in den Lager,

verschmutzungsanfällig

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Vor- und Nachteile Energy Harvester

Lösungsansätze

◼ Differenzdruck Harvester

• Vorteile: Druckunterschiede steigen mit Windgeschwindigkeit, simpler

Aufbau, Piezo liefert hohe Spannung bei kleiner Auslenkung

• Nachteile: Ansammlung von Schmutz, Kräfte bei tiefen

Windgeschwindigkeit gering, zusätzliche Verjüngung des Kanals durch

Kammer

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Vor- und Nachteile Energy Harvester

Lösungsansätze

◼ Galloping Harvester

• Vorteile: simpler Aufbau, Energieertrag steigt mit

Windgeschwindigkeit, keine Lager, Platzbedarf, hohe Amplituden

durch Resonanzanregung, verschmutzungsresistent

• Nachteile: Sehr hohe Amplituden → Bruchgefahr

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Vor- und Nachteile Energy Harvester

Lösungsansätze

◼ Karman’sche Wirbel

• Vorteile: Einfacher Aufbau, Platzbedarf, verschmutzungsresistent

• Nachteile: Wirbelfrequenz von Windgeschwindigkeit abhängig →

wenig Energie ausserhalb der Resonanz, Änderung der

Strömungsverhältnisse haben grossen Einfluss auf Energieertrag

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Vor- und Nachteile Energy Harvester

Lösungsansätze

◼ Windrad:

• Lager altern/verschmutzen → Reibung steigt → Betriebsdauer sinkt

• Hermetische Abdichtung schwierig zu realisieren

◼ Differenzdruck Harvester:

• Geringer Energieertrag trotz hoher Windgeschwindigkeit

◼ Karman’sche Wirbel:

• Angeregte Frequenz von Windgeschwindigkeit abhängig → kleine

Änderung der Windgeschwindigkeit führt zu massiven

Energieeinbussen

◼ Beste Lösung → Galloping Harvester:

• Wenig mechanische Teile

• Einfach zu dimensionieren

• Guter Energieertrag

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Auswahl Lösungsansätze

◼ Prototyp Galloping Harvester:

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Prototyp Galloping Harvester

◼ Erste Messreihe:

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Leistungsabgabe Galloping Harvester

◼ Verbesserte Flügelform:

• Nutzbare Leistungsabgabe ab 1,25m/s

• P > 3mW bei 3m/s Windgeschwindigkeit

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Verbesserter Galloping Harvester

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Systemkonzept

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Blockschaltbild

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Lösungsvorschlag

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Windgeschwindigkeitsmessung

◼ Differenzdruckmessung über ein Pitotrohr

(Schnittdarstellung)

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Windgeschwindigkeitsmessung

◼ Vergleich Messgerät testo405I und

Differenzdruckmessung

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Leistungsbilanz der Schaltung

◼ Versorgungsspannung 3.3V

◼ Differenzdrucksensor

• Stromverbrauch ~ 6mA, Intervallzeit = 2s, Messdauer ~ 60ms

• Leistungsverbrauch ~ 600uW

◼ MEMS (Temperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit)

• Stromverbrauch ~ 1.25 mA, Intervallzeit = 2s, Messdauer ~ 17.2ms

• Leistungsverbrauch ~ 35uW

◼ BMD-300 mit Stepdown Konverter (LTC3588)

• Entladekurve eines Kondensators wurde gemessen und daraus die

verbrauchte Leistung ermittelt

• BMD-300 Connected mit Intervallzeit 200ms und Slavelatency von 78

→ Daten Update alle 200ms, Benutzer Inputs alle 15.6s

• Leistungsverbrauch maximal 160uW

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Leistungsbilanz der Schaltung

◼ Gesamter Leistungsverbrauch der Sensoren, des

LTC3588 und BMD-300 Modul ~ 800uW

• Mit Sicherheitsmarge und restliche Schaltung ~ 1.3mW

• Harvester Leistung ~ 3mW

◼ Strommessung 0…90° Klappenmotor:

• Mit 1.7mW Leistung

kann die Klappe somit

alle 4 Minuten um 90°

verstellt werden.

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App Interface

◼ Android App für einfachen Zugriff auf das System:

▪ Graph für Messdaten (Temperatur, Druck,

Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit)

▪ Energie im Speicherkondensator mit

Ein/Ausschaltknopf Messung

▪ Mittelwert Messgrösse mit Ein/Ausschaltknopf

Messung

▪ Klappenposition und Ein/Ausschaltknopf

Messung

▪ Benutzerdefinierter Anfahrtswinkel mit

Startknopf

▪ Disconnect Button

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Vorstellung Prototyp

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Fazit

◼ Energy Harvesting in Strömungen

• Energie aus Strömung mittels Galloping Harvesters

• Leistungsabgabe ab 1.25m/s; etwa 3mW bei 3m/s

• Kostengünstiger Energy Harvester (wenig mechanische Teile)

• Konzept ist übertragbar auf andere Fluide

◼ Anwendung des Prototyps im Lüftungskanal

• System arbeitet Energieautark

• Messdaten können alle 2 Sekunden zu einem Endgerät übermittelt

werden zur Weiterverarbeitung

• Lüftungsklappe kann alle 4 Minuten um 90° verstellt werden

Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

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Forschungsschwerpunkt Autarke Systeme

Institute of Embedded Systems

Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften (ZHAW)

Technikumstrasse 20/22

8400 Winterthur

+41 (0) 58 934 72 48

E-Mail: gruj@zhaw.ch

Web: https://www.zhaw.ch/de/engineering/institute-zentren/ines/autarkic-systems/

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