Energietechnik
Die Beurteilung von Bauwerkszuständen wird an vielen Stellen noch händisch und mit langen Untersuchungsintervallen durchgeführt, kann jedoch durch geeignete Sensorik zumindest teilweise ersetzt werden. In Sensornetzwerken, die in schwer zugänglichen oder entfernten Gebieten eingesetzt werden, stellt die Energieversorgung eine erhebliche Herausforderung dar. Durch den Einsatz von piezoelektrischen Materialien im Brückenlagerbereich wird die aus der Fahrzeugüberfahrt entstehende dynamische Last in elektrische Energie umgewandelt. Theoretische Modellbildung im Zusammenspiel mit experimentellen Untersuchungen soll das Potential von piezoelektrischem Energy-Harvesting im Brückenkontext quantifizieren und Möglichkeiten zur Versorgung von Sensornetzwerken zur Zustandsüberwachung aufzeigen. |
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Im Kontext der Verkehrs- und Energiewende sind innovative Lösungen für die Ladeinfrastruktur gefragt, bedingt durch den steigenden Einsatz von Elektrofahrzeugen und erneuerbaren Energien. Um die Elektromobilität schnell voranzubringen, ist es notwendig, mobile Speicher direkt in die Ladeinfrastruktur zu integrieren und eine effiziente Koordination sowie Kommunikation sicherzustellen. Der Schwerpunkt liegt auf Lösungen zur Versorgung verschiedener Elektrofahrzeugtypen, deren Ladeinfrastruktur lokal über ein Gleichstromnetz (DC-Netz) verbunden ist. Innovative DC/DC-Wandler tragen wesentlich zur Effizienzsteigerung im Vergleich zu bestehenden Lösungen bei. Die Verknüpfung des DC-Netzes mit dem übergeordneten Wechselstromnetz (AC-Verteilnetz) erfolgt dabei unter Berücksichtigung sicherer Kommunikationstechniken sowie der Volatilität in den übergeordneten Stromnetzen. Zusätzlich kommt eine modellprädiktive Regelung zum Einsatz, die sowohl auf analytischen als auch KI-gestützten Modellen basiert und auf ein Kostenoptimum abzielt. |
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In Zukunft wird es immer mehr Funksensornetzwerke geben, deren Sensorknoten die Umgebung beobachten und Informationen über Funk mit anderen Geräten teilen, um die Sicherheit, den Komfort oder die Ressourceneffizienz zu steigern. Batterien als Energieversorgung der Sensorknoten müssen regelmäßig gewechselt werden und haben weitere Nachteile, so dass man auf sie gerne verzichten würde. Daher wird weltweit mit hohem Aufwand daran geforscht, Systeme wie Funksensoren netz- und batterieunabhängig („energieautark“) zu machen. Ein Ansatz hierfür ist Energy-Harvesting, also die „Ernte“ von Energie, sprich die Wandlung von kostenlos in der Umwelt verfügbarer Energie in elektrische Energie. Speziell kinetisches Energy-Harvesting basiert auf der Umwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie. Ein kinetischer Energy-Harvester besteht typischerweise aus einer mechanischen Struktur, die an einen sowieso rotierenden, rüttelnden, schwingenden oder sonstwie bewegten Körper angekoppelt ist. Die mechano-elektrische Energieumwandlung erfolgt dabei über einen physikalischen Effekt wie Induktion oder Piezoelektrizität. Der Lehrstuhl forscht in Kooperation mit dem ZET und der TAO an selbstadaptiven Energy-Harvestern, welche speziell für Vibrationsquellen mit veränderlicher Vibrationscharakteristik gebaut werden. Die Forschung umfasst u.a. die Entwicklung und Charakterisierung von Prototypen sowie elektromagnetische Simulationen. |
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Demonstrator eines selbstadaptiven kinetischen Energy-Harvesters.
Die aktuelle Forschung beschäftigt sich mit der Nutzung der elektrischen Energie zur Speisung eines oder mehrerer Teilnehmer eines Funksensornetzwerks. Dazu wird ein Energiemanagement benötigt, welche die Wechselspannung mit geringer Amplitude effizient in eine Gleichspannung umwandelt und diese in einen Kondensator als Energiespeicher leitet. Durch experimentelle Untersuchung konkreter Implementierungen sollen Entwurfskriterien und Grenzen von Funksensorknoten mit kinetischen Energy-Harvestern ausgelotet werden, um die Leistungsfähigkeit eines Funksensornetzwerks mit einem oder mehreren energieautarken Knoten beurteilen zu können. |
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Energiemanagement-Board zur Gleichrichtung, DC/DC-Wandlung mit integrierter Spannungsbegrenzung