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Thermoelektrischer Generator gewinnt Energie aus der Umgebung

Vernetzung ist fr die Digitalisierung in einer Fabrik unabkmmlich. Intelligente Anlagen sollen in der Lage sein, Messdaten selbstndig zu erfassen, zu verarbeiten und weiterzugeben. Dazu werden Sensoren bentigt. Um diese mit Strom zu versorgen, entwickeln Wissenschaftler des IPH und PCI flexible thermoelektrische Generatoren, die Energie aus der Umgebung gewinnen knnen.

Ein automatisierter Produktionsprozess bedarf vieler Sensoren. Diese mssen mit Strom versorgt werden, damit sie Messdaten aufnehmen, verarbeiten und senden knnen. Bisher geschieht dies hufig per Kabel oder Batterie. Das ist jedoch nicht nur aufwendig, sondern auch teuer, da Kabel verlegt und Batterien regelmig ausgetauscht werden mssen. In einem gemeinsamen Projekt arbeiten deshalb Wissenschaftler des Instituts fr Integrierte Produktion Hannover gGmbH (IPH) und des Instituts fr Physikalische Chemie und Elektrochemie (PCI) der Leibniz Universitt Hannover daran, einen flexiblen, thermoelektrischen Generator zu entwickeln. Dieser soll nach dem Prinzip des Energy Harvesting in der Lage sein, selbststndig Energie aus der Umgebung zu generieren.

Dazu macht sich der Generator den thermoelektrischen Effekt nach SEEBECK zunutze. Dieser besagt, dass es in einem Leiter mit rtlich unterschiedlicher Temperatur durch Thermodiffusion zur Ausbildung eines elektrischen Feldes kommt. Zwischen der heien und der kalten Seite entsteht also eine elektrische Spannung, die genutzt wird, um einen Sensorknoten anzutreiben. Der Sensorknoten besteht wiederum aus einem Mikrokontroller, mehreren Sensoren und einem Sender. Wird der Mikrokontroller mit Strom versorgt, sind die daran angebrachten Sensoren in der Lage, Informationen aufzunehmen und durch den Sender weiterzugeben.

Jedoch ist die entstehende Spannung abhngig von der Materialkombination sowie der Geometrie und Verschaltung des Generators. Ein Ziel der Wissenschaftler ist es also, herauszufinden, welche Kombination sich am besten zur Stromerzeugung eignet. In kommerziellen thermoelektrischen Generatoren wird hufig Bismuttellurid verwendet, das sehr gute thermoelektrische Eigenschaften besitzt. Tellur ist jedoch toxisch und zhlt auerdem zu den seltenen Erden. Darum arbeiten die Wissenschaftler am IPH und PCI mit einem Material auf Basis von Calciumkobaltoxid, das ebenfalls gute thermoelektrische Eigenschaften aufweist und gleichzeitig unbedenklich ist.

Die Wissenschaftler haben zunchst das Ziel, eine Calciumkobaltoxid-Paste zu entwickeln, die sich gnstig und skalierbar in einem einfachen Siebdruckprozess verarbeiten lsst. Aus dieser Paste werden kleine Beinchen (engl. Legs) gedruckt. Ein zweites Material dient zur Kontaktierung. Beinchen aus Calciumkobaltoxid und Kontaktmaterial werden abwechselnd aufgebracht und bilden eine Reihe aus vielen Paaren (engl. Couple). Jedes dieser Paare erzeugt durch den Temperaturunterschied zwischen Ober- und Unterseite eine kleine Spannung. In Reihe geschaltet addieren sich diese zu einer Gesamtspannung, mit der die Sensorknoten betrieben werden knnen.

Im Anschluss prfen die Wissenschaftler, welche geometrische Auslegung sich am besten eignet, um einen maximalen Leistungsoutput zu erreichen. Auerdem untersuchen sie, wie viel Energie ein solcher Generator tatschlich bereitstellen kann und wie gro er dabei sein darf. Mit den Projektergebnissen leisten die Wissenschaftler einen weiteren Beitrag zur Industrie 4.0, indem sie drahtlose Sensornetzwerke in die Infrastruktur der Fabriken einpflegen, die sowohl zur Gebudeautomation als auch zur Anlagenberwachung dienen knnen.

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