Drahtlose Sensoren Miniatur-Thermogenerator gewinnt Leistung aus Abwärme

Verteilte Intelligenz verlangt geradezu danach, die notwendige Energie vor Ort zu gewinnen. Micropelt gelingt es inzwischen aus einer Temperaturdifferenz von 15 K eine Spannung von 3,3 V zu gewinnen. Dies erschließt unzählige Anwendungsmöglichkeiten vom Sammeln von Umweltdaten, über zustandsorientierte Instandhaltung bis hin zu intelligenter Kleidung und selbstversorgten Implantaten.

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Fast jede Maschine oder Anlage hat Verschleiß- und Schwachstellen, die früher oder später Stillstände oder Ausfälle verursachen, wenn sie nicht vorsorglich gewartet werden. Man nimmt bei dieser präventiven Instandhaltung notgedrungen in Kauf, dass oftmals Teile ausgetauscht werden, die noch völlig in Ordnung sind. Viel wirtschaftlicher ist deshalb eine zustandsorientierte Instandhaltung.

Dafür benötigt man jedoch laufend Informationen über den Zustand aller Schwachstellen und Verschleißteile, so dass genügend Vorwarnzeit zur Maßnahmenplanung bleibt. Das dazu erforderliche dichte Netz von Sensoren mit der entsprechenden Infrastruktur war allerdings bisher gegenüber der präventiven Wartung nicht konkurrenzfähig. Neue Kurzstrecken-Funkstandards mit leistungsfähigen Kommunikationsprotokollen und akzeptabler Batterielebensdauer haben das Bild inzwischen gründlich verändert.

Doch auch der laufende Austausch von Batterien ist ein kompliziertes und teures Geschäft. Energy-Harvesting ist hier das neue Stichwort, das Abhilfe verspricht: Mechanische Schwingungen oder Temperaturunterschiede nahe am Einbauort werden in elektrische Energie zum Betrieb des Funk-Sensors umgewandelt.

Während bereits einige auf Piezotechnik basierende Schwingungsgeneratoren für spezifische Frequenzbereiche angeboten werden, waren Thermogeneratoren, die — bei kompakten Abmessungen — aus moderaten Temperaturdifferenzen ausreichend Spannung generieren, bislang nicht realisierbar.

Das hat sich jetzt geändert: Winzige Dünnschicht-Thermogeneratoren erlauben es künftig, drahtlose Sensoren an Stellen und in Mengen zu platzieren, die bislang undenkbar waren. Anstatt Kabel zu verlegen, oder mit mehr oder weniger Aufwand die Batterien drahtloser Sensorik zu warten, ist nun Installieren-und-Vergessen in greifbare Nähe gerückt. Die Einsatzgebiete für die Miniatur-Generatoren sind fast nur durch die Fantasie des Anwenders eingeschränkt, solange nicht die 200 °C Grenztemperatur für die neuen Thermogeneratoren überschritten wird.

Thermoelektrische Generatoren nutzen den so genannten Seebeck-Effekt, die Umkehrung des Peltier-Effekts, der z.B. in der elektrischen Kühltasche für geregelten Frost sorgt. Der Seebeck-Effekt basiert auf der Tatsache, dass ein Wärmefluss durch thermoelektrisch aktive Materialien einen Stromfluss bewirkt. Die Thermoelektrik-Experten von Micropelt haben sich auf die Herstellung einer thermoelektrischen Dünnschicht spezialisiert. Mit Verfahren aus der Chipherstellung werden in den Freiburger Reinräumen miniaturisierte Kühlelemente und Thermogeneratoren genannt Micropelts, erzeugt, die diese Effekte besonders effektiv nutzen, weil die innere Struktur auf Bruchteile eines Mikrometers genau für den vorgesehenen Einsatzzweck designt wurde. Die neuesten Thermogenerator-Modelle sind nur ca. 6 bis 25 mm² groß, erzeugen aber aus Temperaturunterschieden von weniger als 20 °C mehrere mW Leistung.

Mikrostruktur erzeugt höhere Spannung

Die winzigen Thermogeneratoren bestehen aus einem Paar Siliziumchips, die jeweils eine Mikrostruktur aus entgegengesetzt dotiertem thermoelektrischen Wismut-Tellurit (Bi2Te3) tragen. Mittels eines speziellen Lötverfahrens werden diese beiden Hälften miteinander verzahnt und verbunden. Welche Spannung von einem thermoelektrischen Generator erzeugt werden kann, ist abhängig von der am Einsatzort vorherrschenden Temperaturdifferenz und der Anzahl der Beinpaare, mit anderen Worten, der Feinheit der thermoelektrischen Struktur.

Bei herkömmlichen Verarbeitungsmethoden dieses normalerweise in großen Einkristallen erzeugten Materials werden größere oder kleinere Blöcke zugeschnitten und inzwischen nahezu vollständig in Russland oder China manuell oder teilautomatisch montiert. Mit dieser Methode lassen sich die Beinchen aber nicht so klein gestalten, dass ein Quadratzentimerter Fläche eine verwertbare Spannung erzeugt.

Dank Wafertechnologie und MEMS-Herstellmethoden ist es den Thermoelektrik-Experten gelungen, bis zu 100 Beinpaare auf einem einzigen Quadratmillimeter unterzubringen. Das ist der entscheidende Fortschritt, weil ein einzelnes Beinpaar, nur wenig abhängig von seiner Größe, eine sehr geringe Spannung von wenigen Mikrovolt erzeugt. Schaltet man jedoch viele Beinpaare in Reihe, addieren sich die Spannungen. Ein einziger Micropelt-Generator erzeugt bei guter thermischer Ankopplung aufgrund seiner vielen Mikro-Beinpaare Spannungen im Batteriebereich um 1,5 V.

Was das konkret bedeutet, zeigt beispielsweise der Thermogenerator MPG-D602 mit seiner Grundfläche von 2,5 × 3,34 mm² und einer Dicke von 1050 μm. Dank 450 seriell geschalteter Beinpaare kann er bei einem Temperaturunterschied von 25 K eine Ausgangsspannung von 2,5 V liefern.

Einstieg leicht gemacht

Die effektive Nutzung des Seebeck-Effekts durch Mikostrukturen allein genügt allerdings noch nicht für diese hohe Leistungsausbeute. Nur bei optimaler Gestaltung des Wärmetransports ist mit maximalem Energieertrag zu rechnen, denn der verfügbare Strom hängt letztlich von der Größe des Wärmeflusses durch den Generator ab.

Da das erste Kriterium für eine Energiequelle zur Versorgung von elektronischen Schaltungen jedoch eine stabile Ausgangsspannung ist, haben die Freiburger Thermoelektrik-Experten einen speziellen DC-DC-Wandler entwickelt, der einerseits bei sehr niedrigen Eingangsspannungen startet, und dennoch mit sehr hohem Wirkungsgrad arbeitet. Damit ist der gesamte Energy-Harvester extrem tolerant gegenüber Temperaturschwankungen seiner Wärmequelle. So können bereits bei Temperaturunterschieden ab etwa 15 °C 3,3 V erreicht werden.

Thermogeneratoren, die aus Temperaturdifferenzen Energie gewinnen, bietet Micropelt schon seit einiger Zeit. Neu ist neben den deutlich gestiegenen Ausgangsspannungen bei kleiner Fläche nun aber auch, dass Anwendern der Einstieg in die Technologie deutlich erleichtert wird. Mit den neuen Evaluations-Kits TE-Power-Plus, die aus einem fertigen Harverster-Baustein mit thermischer Ankopplung und Konvektions-Kühlkörper sowie einem aufgesteckten DC/DC-Konverter bestehen, haben Entwickler und Anwender unmittelbar die Möglichkeit, praktische Designs zu testen bzw. die verfügbare Energie an in Frage kommenden Einsatzorten zu ermitteln. Das erfahrene Applikationsteam aus Freiburg steht dabei beiden Anwendergruppen mit Rat und Tat zur Seite.

Nur die Fantasie setzt Grenzen beim praktischen Einsatz

Dem thermoelektrischen Energie-Harvester erschließen sich zahlreiche Einsatzbereiche. Nicht nur die direkte Dauerversorgung von Kleinleistungs-Elektronik ist interessant; in Anwendungen mit Ruhepausen und zeitweilig höheren Energiebedarf können während der Pausen Akkus geladen werden. So werden nun echte autarke Sensornetzwerke denkbar, die untereinander ihre Daten gegebenenfalls auch mit höherem Energiebedarf austauschen.

Für Funkstandards wie ZigBee oder Wireless HART gibt es zahlreiche Funksensor-Lösungen die mit Hilfe von Thermogeneratoren vollkommen autark betrieben werden könnten. Typische Anwendungen wären dann zum Beispiel die Schwingungs- oder Temperaturüberwachung in Druckmaschinen oder Walzstraßen. Auch zur Strukturüberwachung eignen sich die Micropelts, z.B. bei Tragflächenstrukturen von Flugzeugen. Hier kann der beträchtliche Temperaturunterschied zwischen Innenraum oder Betriebswärme und Außenhaut ausgenutzt werden.

Daneben können die Winzlinge auch bei der Überwachung von Druckluft-, Öl- und Gas-Verteilnetzen für die nötige Energie sorgen und das auch in explosionsgefährdeten Bereichen. Oder sie finden Einsatz bei der Überwachung und Steuerung intelligenter Gebäudetechnik sowie beim Erfassen von Umweltdaten. Auch intelligente Implantate, also Sensoren und Aktoren für die aktive Patientenbetreuung, könnten sich diese Technologie längerfristig zu Nutzen machen ebenso wie intelligente Kleidung. Hier ist jedoch noch viel Power in Low-Power-Design zu investieren.

Zustandsorientierte Instandhaltung ist sicher im Zusammenhang mit den Micropelts ein wesentliches Schlagwort. Mit den winzigen thermoelektrischen Generatoren können nun völlig autarke Funk-Sensoren bereits im Maschinen- und Anlagendesign integriert werden. So gibt es im Hause Micropelt beispielsweise ein Konzept zur Energiegewinnung aus Kugellagern, um intelligente Lager direkt zu versorgen. Damit kann nicht nur auf den aktuellen Zustand wichtiger oder gefährdeter Lagerstellen geschlossen werden, sondern auch auf die sie umgebende Maschine. Zahnräder und Lager müssen also erst dann ausgetauscht werden, wenn es wirklich nötig ist und nicht nach fest vorgegebenen, statistisch mehr oder weniger begründeten Wartungszyklen.

Generell bieten die Micro-Thermogeneratoren überall da eine Alternative zu Batterien, wo mit wenigen Milliwatt dauerhafter Energie die erforderliche Arbeit verrichtet werden kann. Durch die Abstimmung zwischen Last- und Ladezyklus kann für kurze Zeit auch ein Vielfaches der Leistung des Mikrogenerators bereitgestellt werden. Wen das verlegen Müssen elektrischer Leitungen also in Verlegenheit bringt, aber wer dennoch wissen will was los ist, kann sich nun auf wirklich autarke Funksensorik verlegen.

Anschrauben und Ernten

Einen weiteren Schritt in Richtung Plug-and-Play Energy-Harvesting ist Micropelt mit der Entwicklung eines Schrauben-Generators (Bild 4) gegangen. Dieser Prototyp eignet sich als schnell verfügbare und in einem weiten Spektrum an bestehenden Anlagen einsetzbare Energiequelle. Dabei kann Wärme von Oberflächen und Strukturen ebenso abgenommen werden wie von heißen Flüssigkeiten, indem die Schraube in ein passendes Gewinde des betreffenden Behälters eingeschraubt wird. Laut Micropelt-Entwickler ist auf diese Weise ein wesentlich besserer Wärmeübergang zum eigentlichen Generator gewährleistet, was zu einer entsprechend höheren Leistungsausbeute führt. Für die Vermarktung dieser universellen Energiequelle sucht Micropelt potente Partner. Geschäftsführer Fritz Volkert dazu: „Das Konzept des Schraubenharvesters funktioniert hervorragend zur Versorgung von drahtlosen Sensoren und ähnlichen Geräten. Und die industriellen Anwender wollen dort keine Batterien. Wir suchen daher Lizenznehmer, die mit uns daraus ein echtes Produkt machen und weltweit vermarkten wollen.“

Burkhard Habbe, VP Buisness Development, Micropelt

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