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
ECC 20182
◼ 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
ECC 20184
◼ 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)
5. Juni 2018
Energy Harvesting im Lüftungskanal
[Bilder: Colourbox]
ECC 20186
◼ 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.)
• …
5. Juni 2018
Energieautarke Lüftungssteuerung
[Bild: Hekatron]
ECC 20187
Systemkonzept
5. Juni 2018ECC 20188
◼ Mögliche Lösungen Energy Harvester
5. Juni 2018
Energy Harvesting in Fluidströmungen
ECC 20189
◼ Windrad
• Vorteile: Etabliertes Konzept für grosse Anlagen, günstig, liefert mehr
Energie mit steigender Windgeschwindigkeit
• Nachteile: Propeller muss gelagert werden → Reibung in den Lager,
verschmutzungsanfällig
5. Juni 201810 ECC 2018
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
5. Juni 201811 ECC 2018
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
5. Juni 201812 ECC 2018
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
5. Juni 201813 ECC 2018
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
5. Juni 201814 ECC 2018
Auswahl Lösungsansätze
◼ Prototyp Galloping Harvester:
5. Juni 201815 ECC 2018
Prototyp Galloping Harvester
◼ Erste Messreihe:
5. Juni 201816 ECC 2018
Leistungsabgabe Galloping Harvester
◼ Verbesserte Flügelform:
• Nutzbare Leistungsabgabe ab 1,25m/s
• P > 3mW bei 3m/s Windgeschwindigkeit
5. Juni 201817 ECC 2018
Verbesserter Galloping Harvester
5. Juni 201818 ECC 2018
Systemkonzept
5. Juni 201819 ECC 2018
Blockschaltbild
5. Juni 201820 ECC 2018
Lösungsvorschlag
5. Juni 201821 ECC 2018
Windgeschwindigkeitsmessung
◼ Differenzdruckmessung über ein Pitotrohr
(Schnittdarstellung)
5. Juni 201822 ECC 2018
Windgeschwindigkeitsmessung
◼ Vergleich Messgerät testo405I und
Differenzdruckmessung
5. Juni 201823 ECC 2018
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
5. Juni 201824 ECC 2018
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.
5. Juni 201825 ECC 2018
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
5. Juni 201826 ECC 2018
Vorstellung Prototyp
5. Juni 201827 ECC 2018
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!
5. Juni 201828 ECC 2018
Forschungsschwerpunkt Autarke Systeme
Institute of Embedded Systems
Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften (ZHAW)
Technikumstrasse 20/22
8400 Winterthur
+41 (0) 58 934 72 48
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Web: https://www.zhaw.ch/de/engineering/institute-zentren/ines/autarkic-systems/
5. Juni 201829 ECC 2018