TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Mechanische Systeme

Vibration (I)

Zur Umwandlung von Vibrationen und Erschütterungen in elektrischen Strom gib es drei grundlegende Techniken: den Elektromagnetismus, die Piezoelektrizität und die Elektrostatik. Die beiden letzteren Techniken wurden weiter oben bereits ausführlich beschrieben. Elektromagnetische Systeme, die mit größeren mechanischen Schwingungen betrieben werde, habe ich im Kapitel Muskelkraft vorgestellt.

Als Spin-off der Southampton University wird 2004 das Unternehmen ebenfalls in Southampton angesiedelte Perpetuum Ltd. gegründet, das sich schon bald als das weltweit führende Unternehmen für das Ernten von Vibrationsenergie bezeichnet.

Die Schwingungsenergie-Ernter der Firma sind im Jahr 2001 von dem späteren Prof. Peter Glynne-Jones im Zuge seiner Doktorarbeit an der University of Southampton entwickelt worden. Die ersten piezoelektrische Wandler der Welt haben damals bei einer Schwingung von 80 Hz etwa 3 μW erzeugt.

Ab 2006 werden die Mikrogeneratoren in drei Größen und verschiedenen Versionen angeboten. Der beispielsweise speziell für den Einsatz in Hubschraubern entwickelte PMG 27 wiegt 400 g, hat die Maße 53 x 53 mm und liefert bei 7,5 V eine Leistung von 2 mW.

Andere elektromechanische Sensoren, die ihre Energie aus den Vibrationen einer Maschine gewinnen, werden direkt am Gehäuse dieser Maschine befestigt und schlagen über Funk Alarm, wenn diese nicht rund läuft.

Im Juni 2011 stellt Perpetuum auf der Messe Sensors Expo fünf Kunden von, die in ihre Energiegewinnungslösungen Produkte des Unternehmens integriert haben. Dies sind die Firmen GE Bently Nevada, Siemens, Emerson, Honeywell und National Instruments.

Unter dem Namen Intelligent Power Module (IPM) wird im Dezember 2012 ein neues System präsentiert, das es Benutzern ermöglicht die Vibrations-Harvester (Vibration Energy Scavenger) von Perpetuum in eigene Geräte zu integrieren und erhebliche Einsparungen zu erzielen, indem die Notwendigkeit vermieden wird, immer wieder Batterien zu ersetzen.

Im Juli 2014 gewinnt Perpetuum zusammen mit den Southeastern Railways (London) den Railway Industry Innovation Award für Technik und Sicherheit. Die beiden Unternehmen werden für ihre Zusammenarbeit ausgezeichnet, bei der ein neues System entwickelt wird, welches das Wartungsprogramm Condition Based Maintenance (CBM) des Bahnunternehmens Southeastern Railway unterstützt. Die Perpetuum-Technologie, bei der die geerntete und umgewandelte Schwingungsenergie verwendet wird, um den Verschleiß der Radlager zu messen, bildet ein Novum in der Branche.

In einem Vertrag mit Network Rail vereinbart Perpetuum im Oktober 2015 laufende Dienste zur Spurzustandsanalyse. Diese wird unter Verwendung von Schwingungsdaten aus den Tausenden von Radsätzen der C375- und C376-Zugeinheiten von Southeastern Railways ermittelt, die mit den Harvestern der Firma Perpetuum ausgestattet sind und so konzipiert sind, daß sie über 100 Jahre ohne Wartung auskommen.

An der University of Southampton wird bereits im Juli 2007 ein weiterer Vibrationsgenerator vorgestellt, der in Zukunft Herzschrittmacher mit Strom versorgen soll. Der seit Anfang 2004 und eigentlich für den Einsatz innerhalb von Luftkompressoren entwickelte Generator ist kleiner als ein Kubikzentimeter. Sein Erschaffer Prof. Stephen ,Steve’ Beeby behauptet, daß er außerdem 10 mal effizienter sei als alle bislang bekannten Modelle.

Der Generator nutzt die in der Umwelt vorhandenen Vibrationen, um Magnete, die auf einem Träger im Zentrum des Gerätes liegen, in Schwingung zu versetzten und Strom im Mikrowattmaßstab zu erzeugen. In einem Herzschrittmacher ist der menschliche Herzschlag stark genug, um die Magneten im Gerät in Schwingung zu halten.

Gefördert wird die Entwicklung durch die EU – im Rahmen des mit 4,13 Mio. € ausgestatteten Projektes ,Vibration Energy Scavenging’ (Vibes), an dem sich folgende Partner beteiligt haben: Tima – Techniques of Informatics and MicroElectronics for Computer Architecture (Frankreich), 01dB-Metravib (Frankreich), Phillips Applied Technologies (Belgien), MEMSCAP (Frankreich), Femto-st, LPMO – Laboratory of Physics and the measurement of oscillator (Frankreich), Phillips Research, Eindhoven (Niederlande), EPFL – Federal Polytechnical School of Lausanne, Laboratoire de Céramique (Schweiz).

Im Februar 2005 präsentiert das Centre for Energy & Greenhouse Technologies (CEGT) im australischen Churchill, Victoria, eine Technologie namens Kinetic Energy Cell (KEC), mit der jegliche Form von Vibration in Elektrizität umgewandelt werden kann. Das CEGT ist ein privates Unternehmen, das als eine Initiative der Regierung von Victoria eingerichtet wurde, um in die Entwicklung und Demonstration neuer nachhaltiger Energie- und Treibhausgas-Minderungstechnologien zu investieren.

Entwickelt wurde die neue Technologie in Zusammenarbeit mit dem Research Centre for Microtechnology in Melbourne. Zu diesem Zeitpunkt hat die KEC die Größe einer 9 V Batterie – Ziel ist es, auf die Größe einer AA-Batterie zu kommen.

Im Kern besteht das System aus einer Reihe sehr kleiner Spulen nebst einigen Magneten. Technisch ist eine Anpassung des aus nur sieben Bauelementen bestehenden Systems an unterschiedliche Frequenzen möglich, womit sich ein sehr breites Einsatzfeld auftut, angefangen von der Lauffrequenz von Fußgängern bis hin zu Vibrationsfrequenzen des Straßenverkehrs, von Brücken oder sogar von Gebäuden. Als Speichermedium zur Kulminierung der vielen kleinen Energieimpulse bieten sich Superkondensatoren an.

Das Unternehmen arbeitet zudem an einem LED-Licht mit eigenem Mikrogenerator. Die Umwandlung der Vibrationen vorbeifahrender Züge, Lastwagen usw. erlaubt eine dauerhaft nutzbare Lichtquelle, ohne daß hierfür Kabel verlegt werden müßten.

Das CEGT wiederum gibt bekannt, daß es 125.000 $ in ein neues Unternehmen namens Kinergi Pty Ltd. investieren wird, das mit Sitz in Sydney speziell dazu gebildet wurde, um die KEC zu kommerzialisieren. Mittelfristig werden sogar bis zu 1 Mio. $ in Aussicht gestellt. Tatsächlich läßt sich inzwischen nur noch feststellen, daß die Firma im Juni 2013 gelöscht wurde.

Ende 2005 präsentiert ein gewisser Timothy Mijal das Konzept eines Reifens, der mit einer Reihe von Spulen und Neodym-Magneten ausgestattet ist, welche die beim Fahren entstehenden Vibrationen in Strom umwandeln. Sie sollen einen Beitrag zum Nachladen von Elektromobilen während der Fahrt leisten. Über eine Umsetzung ist nichts bekannt - auch nähere Details darüber sind nicht mehr zu finden.

Im Mai 2006 erfährt die Öffentlichkeit aus einem Bericht der BBC, daß es seit rund 10 Jahren militärisch motivierte Bemühungen gibt, die Vibrationsenergie marschierender Soldaten in Strom umzuwandeln, um die zunehmende Last an Batterien zu reduzieren, mit der sich die Kämpfer abplagen müssen (sie dürfen ja nicht einmal die leeren wegwerfen, da diese dem ‚Feind’ bei der Spurensuche helfen würden...).

Neben Funkgeräten müssen Nachtsichtgeräte, GPS-Empfänger, diverse drahtlose Sensoren, Zielgeräte, Mobiltelephone, Laptops und anderes mehr mit Strom versorgt werden. Forschungen auf diesem Sektor bilden in den USA daher einen der Schwerpunkte der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Einige der Entwicklungen sind bereits an verschiedenen Stellen im Kapitel Muskelkraft dokumentiert worden.

Ein wichtiges Einsatzgebiet von Vibrationsgeneratoren ist die Stromversorgung von Sensoren an Straßen- und Eisenbahnbrücken, um eine kontinuierliche Überwachung des Tragwerks und der Festigkeit dieser Konstruktionen zu gewährleisten, denn die Zusammenbrüche von Brücken erfolgen nicht vorhersehbar und plötzlich, und oftmals resultieren daraus Todesfälle.

Die Federal Highway Administration veröffentlicht 2006 eine Analyse, der zufolge 25,8 % der USA-weit bestehenden 596.842 Brücken Strukturdefizite aufweisen bzw. nicht mehr verkehrssicher sind. Da viele dieser Brücken jedoch noch für Jahre in Gebrauch sein werden, ist ihre ständige Überwachung dringend geboten. Diese erfolgt bislang nur turnusmäßig und auch nur rein visuell durch die entsprechenden Experten.

Konventionelle, mit Batterien betriebene Sensoren, von denen pro Brücke stets mehrere, und z.T. an nur schwer zugänglichen Positionen eingesetzt werden müßten, würden den kontinuierlichen Austausch von Millionen Batterien erforderlich machen - was für die betroffenen Verwaltungen und Ämter ein Ding der Unmöglichkeit ist. Die Harvester könnten dagegen die Brückensensoren autonom mit Energie versorgen, um die Behörden auf Risse und korrodierte Stellen aufmerksam zu machen, lange bevor diese vom menschlichen Auge als problematisch wahrgenommen werden.

Einem Bericht vom Juli 2010 zufolge werden die Kosten der notwendigen Reparaturen in den USA über die kommenden 50 Jahre auf eine Summe von 650 Mrd. $ geschätzt.

In Deutschland ist die Situation sogar noch schlimmer. Eine Studie der Bundesanstalt für Straßenwesen aus dem Jahr 2009 kommt zu alarmierenden Ergebnissen: Zwischen 2001 und 2007 ist der Anteil der Bücken mit Schäden von 38,7 % auf 46,1 % angewachsen. Auch fast jede zweite deutsche Autobahnbrücke weist ernstzunehmende Mängel auf. Bei einer Vielzahl der Spannbetonbrücken, die vor 1979 gebaut wurden, sei mangelhafter Stahl zum Einsatz gekommen, sodaß diese theoretisch zusammenbrechen können, ohne daß man zuvor etwas erkennen kann.

Unter anderem an der Clarkson University in Potsdam, New York, wird daher eine Technologie entwickelt, mit der die Vibration des Straßenverkehrs zur Versorgung von drahtlosen Kontrollsensoren an diesen Brücken genutzt werden kann.

Im Oktober 2007 präsentieren die Professoren Pragasen Pillay und Edward S. Sazonov ein vollständig verkapseltes System, das für eine Lebensdauer von mehreren Dekaden ausgelegt ist. Aufgrund einer früheren Präsentation im Januar des Jahres beim Transportation Research Board in Washington D.C. hatten die Forscher Fördermittel erhalten, um ihre Entwicklung fortzuführen.

Es werden zwar praktische Versuche an einer Brücke der Route 11 in Potsdam durchgeführt, bei denen die Generatoren im Resonanzmodus bei 3,1 Hz eine Leistung von 12,5 mW erzielen, doch nach dem entsprechenden Abschlußbericht im November 2009 scheint es auch in diesem Fall nicht weitergegangen zu sein.

Ein weiteres Einsatzfeld der Vibrations-Energiewandler bilden die diversen Sensoren in Kraftfahrzeugen, die dann autonom agieren und ohne Verdrahtung auskommen können. Wesentliches Element dabei sind die ‚AmbioMote24 Funksensor-Plattformen’ der 2006 gegründeten und ebenfalls in Potsdam, New York, ansässigen Firma AmbioSystem LLC, die für 200 $ angeboten werden. Das Unternehmen verkauft zudem piezoelektrische Harvester für 99 $.

Über das Biomechanik-Start-Up M2E Power aus Boise, Idaho, habe ich bereits im vorangegangenen Kapitel Muskelkraft berichtet.

Die Ende 2007 vorgestellten Schüttel-Mikrogeneratoren sind insbesondere für den Militärmarkt entwickelt worden, wo sie den Einsatz von Batterien reduzieren sollen. Aus diesem Grund werden die Prototypen entsprechend der üblichen Batterieformen und -größen gestaltet.

Olfa Kanoun, Professorin für Meß- und Sensortechnik an der Technischen Universität Chemnitz, arbeitet in den Jahren 2007 und 2008 wiederum an einem Generator, der die beim Sprechen und Kauen erzeugten Vibrationen des Wangenknochens in Strom umwandelt, um damit Knopfzellen in Hörgeräten nachzuladen. Auch darüber habe ich bereits ausführlich berichtet - unter den muskulären Systemen (s.d.).

Auf eine äußerst interessante Umsetzung der Vibrationsenergie in einem etwas größeren Maßstab macht mich der Segelflieger Robert Friebe aufmerksam.

Schon lange wird über die Technologie der Grenzschichtabsaugung an Segelflügeln diskutiert, da eine länger anhaftende laminare Grenzschicht (bevor ein Strömungsabriß entsteht) auch das Flugverhalten wesentlich verbessert. Bei großen Transportflugzeugen wird diese Technik teilweise schon seit den 1960er Jahren eingesetzt, nachdem das Prinzip selbst in der 1920ern von deutschen Aerodynamikern entdeckt worden war.

Im Bereich des Segelflugs wurden die entsprechende Versuche jedoch schnell beendet, da es noch keine ausreichend leistungsfähigen Pumpsysteme gab – und weil die Regeln des FAI besagen, daß alle für den Flug eines Segelflugzeugs benötigte Energie ausschließlich aus dessen Vorwärtsbewegung hergeleitet sein darf. Selbst der Einsatz von Solarzellen ist verboten.

Wie der Segelflieger Tillman Steckner in einem Anfang 2008 im Fachmagazin segelfliegen veröffentlichten Bericht beschreibt, ist jedoch die Energie des Flügelschlags (d.h. der Oszillation der Flügel) ausreichend, um eine Saugpumpe für einen einfachen, durchgehenden Saugschlitz bei ca. 70 % der sogenannten Profilsehne anzutreiben, in Form einer mit einem Elektromotor angetriebenen mehrblättrigen Kleinturbine.

Umgesetzt wird die Energie von einem hydraulischen bzw. mechanischen System durch einen linearen AC-Generator (Magnetanker und Induktionsspulen), welcher über die kleine Längenänderung des Holms zwischen Ober- und Unterseite des Flügels betätigt wird, dessen Oszillation ca. 130 Hz beträgt.

Über das im Jahr 2006 gegründete japanische Startup-Unternehmen Soundpower Corp., das 2008 mit Test seiner stromerzeugenden Böden beginnt, habe ich bereits ausführlich im Kapitel Muskelkraft unter Treten und Tanzen berichtet (s.d.). Daneben will die Firma zwei weitere neue Energiequellen erschließen: Die Schallleistung und die Vibrationskraft.

Zwecks Nutzung der letzteren Quelle installiert Soundpower im April 2009 auf der Goshiki-zakura Ohashi-Brücke der Tokyo Metropolitan Schnellstraße zehn Vibrationsstrom-Erzeuger, piezoelektrische Vorrichtungen, die jeweils mit einem Pendel ausgestattet sind, welches durch Vibrationen von vorbeifahrenden Fahrzeugen in Schwingung versetzt wird. Mit der geernteten Elektrizität werden die insgesamt 108 LEDs versorgt, welche die Brücke Nachts beleuchten. Über weitere Umsetzungen verlautete bislang noch nichts.

Im Mai 2009 berichtet die Fachpresse über das Londoner Start-up Solar Botanic Ltd., das den Einsatz künstlicher Bäume vorschlägt, dessen Blätter-Imitate im Wind flattern und die Sonnenenergie auffangen, um sauberen Wind- und  Solarstrom zu erzeugen.

Auf die Idee dazu kommt der Firmengründer Alex van der Beek, dem während einer Zugfahrt im Jahr 2002, um seine Schwester in den Niederlanden zu besuchen, auffällt, wie sehr die monströsen Windturbinen wunderschöne Aussichten verschandeln. Beeks Vorstellungen zufolge sollen Tausende sogenannter Nanoblätter an einem natürlich aussehenden, wenn auch gefälschten Plastikbaum, ein gleiches Maß an Stromproduktion ergeben, ohne dabei Naturlandschaften zu verderben.

Die künstlichen Blätter besitzen in ihren Stielen, mit denen sie an den Ästen befestigt sind, Nanogeneratoren, welche aus den Vibrationen durch wehenden Wind oder fallende Regentropfen geringe Mengen von piezoelektrischem Strom erzeugen, während gleichzeitig die Sonne mittels Photovoltaik sowie thermoelektrischen Wandlern genutzt wird.

Die Firma erforscht mehrere Entwürfe, von breiten Palmblättern bis zu Blumen und Sträuchern. Ein Baum mit einer 6 m durchmessenden Krone, die eine Fläche von rund 110 m² bietet, soll ein durchschnittliches Hause versorgen können. Der voraussichtlich zwischen 12.000 $ und 20.000 $ kostende Baum könne über eine 20-jährige Lebensdauer etwa 120.000 kWh erzeugen.

Technische Unterstützung bekommt Solar Botanic von dem britischen Non-Profit Center for Sustainable Engineering sowie vom Biomimetics Network for Industrial Sustainability (BIONIS) der University of Reading. Die Umsetzung soll nun in Zusammenarbeit mit der renommierten Engineering-Abteilung der Londoner Brunel University erfolgen, wobei das Unternehmen hofft, in etwa drei Jahren einen funktionierenden Prototyp vorweisen zu können.

Doch obwohl in verschiedenen Ländern Patente angemeldet werden und in Kalifornien ansässige Investoren auch (nicht bezifferte) Mittel zur Verfügung stellen, ist später nichts mehr davon zu hören. 0986

Eine künstlerische Auseinandersetzung mit dem Thema Micro Energy Harvesting bilden die pilzartigen Strukturen, die der Künstler Peter Dalton im September 2009 unter dem Titel ,Touch Powered By Intrigue Concept’ in einem stark frequentierten Fußgängerbereich aufstellt.

Die durch Berührung entstehende Schaukelbewegung - also eine langsame Vibration - wird von einem piezokeramischen Kern in Strom umgesetzt, welcher die Leuchtfasern im Kopf des ‚Pilzes’ zum Strahlen bringt.

Ebenfalls im September 2009 wird in den Blogs die interessante Konzeptstudie des global agierenden Innovations- und Design-Beratungsbüro Continuum vorgestellt, Snowboards mit E-Ink-Displays zu laminieren, da deren Oberseite einen perfekten Ort für eine sich verändernde Grafik darstellt.

Gianfranco Zaccai zufolge, der Büros auf drei Kontinenten besitzt, sollen die Displays über ebenfalls eingebaute Sensoren die von Fahrer erwünschten Echtzeitinformationen zur Umgebungstemperatur, Geschwindigkeit, Himmelsrichtung, Höhe und/oder Zeit zeigen. Eine besondere Funktion könnte ein grafischer Annäherungsalarm sein, der durch den Eigentümer des Boards festgelegt wird und ein großes ,Stolen’,-Zeichen aktiviert (= geklaut), das blinkt, wenn das Board zu weit von seinem Besitzer ist.

Mit Strom versorgt werden sollen die Displays und Sensoren mit Piezogeneratoren, die auch in das Brett eingearbeitet sind. Dabei reicht es, das Brett vor dem Losfahren ein paar Mal leicht zu biegen, der weitere Strom wird dann durch die Erschütterungen während der Fahrt erzeugt. Zu einer Umsetzung ist es bislang nicht gekommen.

Ein Team der Duke University veröffentlicht im Oktober 2009 die Ergebnisse seiner Versuche, durch den Einsatz von Magneten ein breiteres Spektrum von Vibrationsfrequenzen zu nutzen.

Bei dem Gerät handelt es sich um einen kleinen Freischwinger aus piezoelektrischen Material - mehrere Zentimeter lang und einen halben Zentimeter breit -, an dessen einem Ende ein Magnet befestigt ist, der mit anderen, fest installierten, Magneten interagiert.

Durch die Veränderung der Entfernung des beweglichen Magneten ist es möglich, die Wechselwirkungen des Systems mit seiner Umgebung zu ‚stimmen’ und dadurch Elektrizität über ein breiteres Spektrum von Frequenzen zu erzeugen.

Ein ausführlicher Bericht erscheint im Juli 2010 unter dem Titel ,On the nonlinear electromagnetic coupling between a coil and an oscillating magnet’.

Über weitere Schritte wird erst im Februar 2012 berichtet, als das Team um Prof. Brian Mann die Ergebnisse seiner neuesten Experimente veröffentlicht. Demzufolge konnte im Labor belegt werden, daß der neue nichtlineare Ansatz die herkömmlichen linearen Geräte übertrifft. Aus dem sehr wissenschaftlichen Endbericht vom April 2015 ist zu entnehmen, daß die Arbeiten vom U.S. Army Research Office gefördert wurden. Doch auch in diesem Fall ist nichts über eine praktische Umsetzung zu finden.

Im März 2010 stellen Forschern der University of Michigan um Khalil Najafi (der sich auch mit der Energiegewinnung bei Insekten beschäftigt) mehrere Prototypen von kleinen Geräten vor, welche Umgebungsvibrationen aufnehmen und ausreichend Energie produzieren, um Uhren, Herzschrittmacher oder drahtlose Sensoren zu versorgen.

In zwei der Prototypen erfolgt die Energieumformung durch elektromagnetische Induktion, in der eine Drahtspule einem wechselnden Magnetfeld ausgesetzt wird. Die dritte und kleinste Einheit, die nur 1 cm³ mißt, verwendet dagegen piezoelektrisches Material und soll im Bereich der Gesundheitsüberwachung eingesetzt werden.

Die Parametric Frequency Increased Generators (PFIGs) fangen winzige Schwingungen ein, die durch den Verkehr auf Straßen oder Brücken entstehen, durch Menschen, die Treppen  hinauf- und hinabsteigen, oder auch durch Maschinen in Fabriken. Aus den typischen Schwingungsamplituden des menschlichen Körpers erzeugen die Generatoren bis zu 0,5 mW.

Die Universität verfolgt nun den Patentschutz für das geistige Eigentum, dessen Entstehung durch die National Science Foundation, die Sandia National Laboratories und das National Institute of Standards und Technologie gefördert wurde.

Bereits im Mai 2011 folgt die Meldung, daß die Forscher eines der Geräte so weit perfektioniert haben, daß es die 5- bis 10-fache Effizienz und Leistung der bisherigen Versionen erreicht. Das nur 27 mm³ große System paßt auf einen Cent und soll eine wartungsfreie Lebensdauer von 10 bis 20 Jahre aufweisen.

 

Weiter mit der Vibration...