Energy Harvesting für die Versorgung von Sensorik in einem Windkraftanlagen-Rotor

Behnke, Christopher; Schomburg, Werner; Schröder, Kai-Uwe

doi:37498

Energy Harvesting für die Versorgung von Sensorik in einem Windkraftanlagen-Rotor = Energy Harvesting for the Supply of Sensors in a Wind Turbine Rotor

Behnke, Christopher^RWTH*

2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christopher Behnke

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (126 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schomburg, Werner (Thesis advisor)^RWTH* ; Schröder, Kai-Uwe (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-09-25

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-228806
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/742904/files/742904.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/742904/files/742904.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Konstruktion und Entwicklung von Mikrosystemen (417420)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der Begriff Energy Harvesting beschreibt die Umwandlung von freier Umgebungsenergie, z.B. kinetische Energie in Form von Vibrationen, in elektrische Energie. Es folgt dem Prinzip der regenerativen Energien, etwa Photovoltaik oder Windkraft, jedoch in einem wesentlich kleineren Maßstab. Während typische Anlagen regenerativer Energie in Bereichen von Kilowatt bis einigen Megawatt skalieren, liegt das Niveau bei dem Energy Harvesting häufig nur im Bereich von Mikrowatt bis einigen Milli-watt. Zustandsüberwachungssysteme erlauben eine Bewertung der strukturellen Integrität von Maschinen und Bauwerken. Die Überwachung erfolgt durch Sensoren, welche physikalische Parameter erfassen und anschließend per Funk an eine Zentraleinheit übermitteln. Die Sensoren sind häufig in schwer zugänglichen Bereichen verbaut, so dass die Energieversorgung mittels Batterien, welche regelmäßig gewartet werden müssen, wenig Sinn macht. Energy Harvester stellen eine sinnvolle Alternative dar, sie werden mit den Sensoren verbaut und stellen für einen langen wartungsfreien Zeitraum Energie zur Verfügung. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines Energy Harvesters für die energieautarke Versorgung von Sensorik in Windkraftanlagen-Rotorblättern. Im Rahmen dieser Arbeit wurden unterschiedliche Ansätze der Energiewandlung verfolgt und mehrere Prototypen konstruiert und spezifiziert. Die Energiewandlung erfolgte dabei entweder piezoelektrisch oder elektromagnetisch. Die piezoelektrischen Harvester basierten auf der Geometrie eines Biegebalkens, in den Varianten Unimorph oder Bimorph. Der schmale Frequenzbereich dieser Strukturen, in dem ein effektiver Betrieb möglich ist, konnte durch Magnete deutlich erweitert werden. Die relativ geringe Energieausbeute erfordert jedoch eine mehr oder weniger konstante Anregung, womit diese Geometrie weniger für den Betrieb in Rotorblättern geeignet ist. Bei den elektromagnetischen Harvestern kamen nur Lösungen in Frage, welche eine Frequenzerhöhung von mechanischer zu elektrischer Domäne durchführen, um eine ausreichend große elektrische Ausgangsspannung zu erhalten. Abweichend von den piezoelektrischen Harvestern wurde die Mehrzahl der elektromagnetischen Harvester nicht resonant betrieben. Das heißt der Betrieb erfolgt im Randbereich einer Resonanz. Der Betrieb setzt zwingend voraus, dass sich die Flanken der Resonanz über einen größeren Frequenzbereich erstrecken. So wurden im Vergleich zu den piezoelektrischen Harvestern deutlich größere Arbeitsbereiche erreicht. Die ersten Prototypen erreichten trotz der Frequenzerhöhung zu geringe Ausgangsspannungen, weshalb final ein Gleichricht-Getriebe Harvester entwickelt wurde, dessen Arbeitsbereich auf die erste Eigenresonanzfrequenz eines Rotorblatts abgestimmt wurde. Das Getriebe überträgt die Energie eines schwingenden Pendels, mit 4-facher Frequenzerhöhung, auf ein Magnetrad. Dieses Magnetrad enthält 36 Magnete und ist von 18 Spulen umgeben. Die Ausgangsspannung liegt bei Impedanzanpassung (Innenwiderstand der Spulen gleich dem angeschlossenen Lastwiderstand) bei 12 V und die maximale Ausgangsleistung bei 114 mW.

Energy harvesting is the conversion of free ambient energy, e.g. kinetic energy in appearance of vibrations, into electrical energy. It follows the concept of renewable energy plants, like photovoltaic or wind power, but in a smaller scale. The level of energy harvesting ranges often between microwatts to a few milliwatts. Condition monitoring systems provide information about the structural integrity of machinery or structures. The monitoring is carried out by sensors measuring physical parameters and transmit them by radio frequency to a central processing unit. The installation sites are often located in hard to reach areas, which makes the energy supply with batteries not useful, because of the high demand of maintenance. Energy harvesters are a reasonable option; they get installed with the sensors and provide energy over a long maintenance-free period. The aim of this dissertation was the development of an energy harvester, which supplies energy for sensors in rotor blades of wind power stations. Different approaches of energy conversion were pursued and several prototypes were constructed and specified. The energy conversion was carried out either piezoelectrically or electromagnetically. The piezoelectric harvesters were bending beams, in the variants unimorph or bimorph. The narrow frequency range of these structures, in which an effective operation is possible, could be significantly extended by magnets. The low energy yield requires a constant excitation, which makes this kind of harvester less suitable for operation in rotor blades. The electromagnetic harvesters based on solutions with frequency up conversion from mechanical to electrical domain to reach sufficiently large output voltages. Unlike the piezoelectric harvesters, the majority of electromagnetic harvesters were not operated resonantly. The operation takes place in the edge regions of a resonance. It is crucial that the edges of the resonance extend over a large frequency range. Compared to the piezoelectric harvesters significantly larger work ranges have been achieved. However first prototypes reached too low output voltages, therefore a rectifier gear harvester, whose operating range was tuned to the first natural resonance frequency of a rotor blade, was developed. The gear transmits the energy of a swinging pendulum with fourfold trans-mission to a magnetic wheel. This magnetic wheel contains 36 magnets and is surrounded by 18 coils. The impedance matched output voltage (internal resistance of the coils is equal to the connected load resistance) is 12 V and the maximum output power is 114 mW.

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