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Energy Harvesting

 

Weltrettung durch Rumliegen

Vereinfachtes Aufbauschema des Boost-Converter (im Text: Fig. 1)


[…] The two main improvements of the presented step- up converter over the classical step-up converter are the transformer instead of the single coil and the parallel connection of transistors T1 and T2 [5]. In the presented design a transformer is needed because a secondary winding decreases the minimum input voltage. With input voltages below 500 mV, an active circuit for controlling the switching transistor cannot be built. Hence, the converter has to be self oscillating, which needs a secondary winding for driving the mentioned transistor.

The second improvement consists in the use of two switching transistors in parallel. One transistor is only employed for starting the converter and the other one is used during steady state operation. A junction field effect transistor, JFET T1, is chosen as starting transistor because it is already conducting with a zero gate voltage and has also a low gate threshold voltage. Nevertheless, it can not be used as the main switching transistor since its on-resistance is generally in the order of some tens of Ohms which would produce high conduction losses and thus a decrease in the efficiency of the converter. Therefore, the NMOS transistor T2 becomes the switching element after the start-up phase. The parallel connection of both transistors allows having a switch with low on resistance (5 Ω) during steady state and zero threshold gate voltage for start-up.
[…]
At startup, JFET T1 conducts with positive input voltages. […] When the supply voltage Vin is rising, the current over the JFET T1 IT1 is increasing too. As the current on the primary winding of the transformer L1 is rising, a small voltage is induced in the secondary winding, L2. Because of the conducting pn-junction of the JFET, C1 is charged to a slightly negative voltage. When Vin reaches its maximum value, the current over the inductor L1 gets constant, the voltage over L2 turns to zero and then the negative voltage stored on C1, VC1, is on the gate of T1. If this voltage is near the pinch-off voltage of the JFET, the current through L1 starts to decrease. The current decrease on L1 induces a positive voltage over L2 and therefore a negative voltage at the gate of T1. The JFET T1 now switches off. When the voltage pulses over the secondary winding are big enough, T2 switches on. The dc voltage on the capacitor C1 gets more and more negative so that, the JFET T1 is not conducting anymore and only T2 is switching. […] The voltage value on the gate of T2, Vreg, modifies the value of the on-resistance of the NMOS transistor and therefore the time that it is switched on, keeping the switch off time almost constant. Thus, the value of Vreg regulates the output voltage of the converter, Vout, basically modifying the switching frequency of the converter. The converter works in the boundary between continuous and discontinuous conduction mode, see ID1 and IT2 waveforms in Fig. 4, due to the self oscillation caused by the employment of the transformer. The freewheeling diode D1 (see Fig. 1) was replaced by a PMOS transistor which is switching on when the MOSFET T2 is not conducting. The PMOS transistor is controlled by a simple inverter circuit connected to the drain of T2. In that way the boost converter becomes a synchronous converter. This change causes a reduction on the forward voltage of the component and consequently an enhancement in efficiency of up to 5 %, depending on the output current of the converter.
[…]
The regulation loop circuit, see Fig. 4, is composed by a starting aid circuit, a MOSFET gate protection circuit and an output voltage regulation circuit.
The starting aid circuit consists of two capacitors connected in parallel: C3 (22 nF) and C4 (470 pF). C3 is connected in series with a JFET T3. At startup, the gate-source voltage on T3 is 0 V and thus C3 is connected in parallel to C4. This parallel connection helps the converter to begin the oscillation at low input voltages. The turns ratio between the secondary inductor, L2, and the primary inductor, L1, is 17 in order to have a minimum start-up voltage of 70 mV and a low ohmic resistance of the primary winding that does not affect the efficiency of the converter. Nevertheless, this causes an excessive gate-source voltage of MOSFET T2 which originates high switching losses. However, JFET T3 is switched-off during steady state operation and therefore only capacitor C4 (which has a lower capacitance than C3) is active which motivates a reduction in the gate-source voltage of T2. Hence, the parallel connection of capacitors C4 and C3, through T3, accomplish a low start-up voltage and a reduction in the switching losses.
The MOSET gate protection circuit preserves T2 against high gate-source voltages that can damage the transistor. The circuit consists of a signal diode D2 and a zener diode D3 with a breakdown voltage of 6.8 V. Resistor R2 is connected in parallel to D3 for starting up the converter. The third circuit of the regulation loop is the output voltage regulator itself which consists of two diodes, D4 and D5, a transistor, T4, and a potentiometer, R4. This circuit controls the positive value of the gate-source-voltage of the switching MOSFET T2. Because of its simplicity, it is not as accurate as a complex loop, but it has a very low current consumption, which is more important in the design of a converter to be employed in an energy harvesting system. […]
A solution for up-converting extremely low voltages coming from energy harvesting power supplies like thermogenerators, inductive generators or solar cells is presented. The minimum start-up voltage achieved is 70 mV and for input voltages of 300-500 mV the efficiency is greater than 70 % for 2 V output voltage.

Deepwater Horizon, Fukushima und die stark unterbeachteten, teilweise schon tausende Jahre andauernden Kohlebrände – auffällig viele Katastrophen lassen sich direkt mit der Energiegewinnung in Verbindung bringen. Und man muss weder Verschwörungstheoretiker noch Weltpolitikexperte sein, um bei verschiedenen kriegerischen Konflikten die Gründe auch im Bereich der Energieversorgung zu suchen.

Wenn man dann auch noch – nicht eindeutig geklärt, aber qualifiziert vermutet – verschiedene Klimaturbulenzen und angrenzende Naturkatastrophen mit dem CO2-Ausstoss der Welt in Zusammenhang bringt, dann muss man, mal abgesehen von Eurodance, lange nach einer Katastrophe grübeln, die nicht verquickt ist mit dem Energiedurst der Zivilisation.

Vom superrelevanten, energie-geopolitischen Großgetöse hinunter in die kleinsten und scheinbar unwichtigsten Zusammenhänge, die mit bloßem Auge noch erkennbar sind: in das feine Gewebe des eigenen Schlafanzugs hinein. Auf den ersten, zweiten und für viele Leute auch dritten Blick hat die wunderbare, von den weitaus meisten Leuten ausgeübte Tätigkeit des Herumliegens wenig mit, sagen wir, einem garstigen Krieg um Öl zu tun. Diese Betrachtungsweise täuscht. Tatsächlich könnten sich viele Probleme und Katastrophen der Welt durch Herumliegen lösen lassen.

Weil sich die kausale Verkettung dahinter nicht jedem sofort erschliessen mag, sei hier etwas ausgeholt. 1821 entdeckte Thomas Johann Seebeck an der Berliner Universität den Seebeck-Effekt. Dabei fliesst ein Strom zwischen zwei elektrischen Leitern, wenn zwischen ihnen ein Temperaturunterschied besteht. Dieser Stromfluss ist allerdings so winzig klein, im Millivoltbereich, dass er lange nichts weiter war als bloß interessant. So geht es nicht nur mit dem Seebeck-Effekt, sondern mit einer Reihe von Alltags-Energien, von denen jeder weiss, dass sie anfallen, die sich aber kaum sinnvoll ernten lassen.

Kleine Flächen von Solarzellen, in die Kleidung eingearbeitete Bewegungsgeneratoren, die die Herumlauf-Energie in Strom verwandeln, been there, done that, keine Überraschung. Durch die schiere Zahl der Menschen und die vielen Gelegenheiten, zu denen sich theoretisch Energie abschöpfen liesse, kommt in der Masse eine durchaus relevante Menge zusammen – erst recht, weil gleichzeitig durch die Effizienzbemühungen die von Geräten benötigte Energie immer weiter sinkt (je Gerät).

Das Problem bisher war, dass man die winzigen Spannungen kaum effizient umwandeln konnte in ausreichend große Spannungen, die sich abernten lassen, zum Beispiel in einen Akku hinein. Die nebenstehende Neuentwicklung eines Boost-Converters ändert das, und zwar mithilfe einer intelligenten Verschaltung von bereits vorhandenen Bauteilen.

Man kann sich das ungefähr vorstellen wie die Erfindung der Dachrinne, die die einzelnen Tropfen, die vorher unverwertbar aufs Dach fielen, geschickt zusammenführt und schliesslich in die Regentonne leitet, wo sie zentral abgeschöpft werden können. Zuviel sollte man auf diese volksnahe Metapher natürlich nicht geben, aber freuen kann man sich trotzdem, denn ein solcher Boost-Converter macht die Gewinnung der thermodynamischen Energie beim Herumliegen möglich.

Der beschriebene Seebeck-Effekt funktioniert natürlich auch dann, wenn ein Thermogenerator in den Schlafanzug eingewoben ist und den Temperaturunterschied zwischen dem liegenden Körper und der Umgebungsluft in Strom verwandelt.

Dieser Temperaturunterschied beträgt in der Regel drei bis fünf Grad Celsius und das reicht für den Thermogenerator “Peltron module 128A1030″, um eine Spannung von 150 bis 250 Millivolt zu erzeugen. Diese ließe sich mit dem Boost-Converter mit knapp 70% Effizienz wandeln in eine 2-Volt-Spannung und dann zum Beispiel in einen Akku im Schlafanzug einspeisen.

Da das Hauptproblem beim Ernten kleinster Energiemengen nun gelöst scheint und auch die Akkus (das zweitgrößte Problem bisher) immer besser werden, steuern wir geradewegs auf eine Welt zu, die einen immer größeren Teil der benötigten Energie durch den Temperaturunterschied beim Herumliegen erzeugt. Es hört sich an wie ein Märchen, aber Kleidung mit Akkusladegeräten, Liege-Farmen zur Energiegewinnung – aus “Krieg für Öl” wird “Lieg’ für Öl”, okay, das war ein Wortspiel zu viel.

Aber allein angesichts der nicht besonders realistischen, aber doch technisch möglichen Perspektive, in Zukunft professioneller Herumlieger zu werden und damit durch die Sicherung der Energieversorgung die Katastrophen und Konflikte der Welt helfen zu lösen, kann man schon mal etwas ins Schwärmen geraten.



Vereinfachtes (aber nicht unbedingt einfaches) Aufbauschema des Regelungsschaltkreises für den Boost-Converter (im Text: Fig. 4)

(Download des wiss. Paper)