Lothar Göde (Duitsland)

Een tijdje terug las ik een artikel over energy harvesting (letterlijk: het oogsten van energie). Ik kende deze technologie nog niet en vond het tegelijkertijd interessant en opwindend. Ik ontving een energy harvesting-kit van een vereniging die onder andere bouwpakketten aan jongeren ter beschikking stelt om hen zo kennis te laten maken met elektronica, als onderdeel van hun schoolopleiding. Het hart van deze kit is de LTC3108 van Linear Technology (nu Analog Devices). Ik vond het fascinerend dat dit IC uit een gelijkspanning van slechts 20 mV (normaliter te weinig om een transistor of MOSFET te laten werken) een veel hogere spanning kan genereren waarmee bijvoorbeeld een microcontroller kan worden gevoed. De LTC3108 is ontworpen om zijn ingangsspanning te halen uit het temperatuurverschil van een thermo-elektrische generator (TEG).

Thermo-elektrische generator

Een thermo-elektrische generator kan elektrische energie opwekken uit een warmteverschil, of een warmteverschil genereren bij toevoer van elektrische energie. Een TEG bestaat uit twee isotrope, homogene halfgeleidermaterialen met verschillende dotering (p, n), zie figuur 1. De bekendste toepassing van het thermo-elektrische of Peltier-effect zijn die goedkope koelboxen die u in de sigarettenaansteker van uw auto prikt en die vervolgens de accu binnen de korste keren leegtrekken (zonder dat het bier echt koud wordt).
 

Maar het werkt ook andersom: het omgekeerde van het Peltier-effect is het Seebeck-effect. Een voorhanden warmteverschil wordt omgezet in elektrische energie. De opgewekte spanning is afhankelijk van de eigenschappen van de thermo-elektrische materialen en natuurlijk van het temperatuurverschil. Overigens wordt een thermo-elektrische generator net zo gebruikt als een thermo-voltaïsche generator: de opgenomen stroom wordt zo gekozen dat de klemspanning slechts weinig daalt, maar het vermogen maximaal is (Maximum Power Point, MPP).

Hete thee, koude thee?

Terwijl ik experimenteerde met het interessante pakket, dronk ik regelmatig een kop thee. Maar zoals dat gaat: als het spannend wordt, wordt de thee vergeten en die is dan later bitter en koud. En toen vroeg ik me af: "Is het mogelijk uit het temperatuurverschil tussen een theeglas met kokend water en zijn omgeving zoveel energie te winnen c.q. om te zetten dat een zuinig elektro(mecha)nisch apparaat het theezakje uit het theeglas haalt als de thee sterk genoeg is? "

Om deze vraag te beantwoorden, moest ik eerst experimenteren met de TEG. Voor een effectieve afvoer van de warmte van de koude plaat van de TEG is een aluminium koellichaam van een CPU-koeler uit de rommeldoos gebruikt. Aan de warme kant zijn verschillende theeglazen en warmtegeleidende materialen uitgeprobeerd om een optimale warmteoverdracht te bereiken. Na oplossing van deze problemen kunt u binnen vijf minuten na het opgieten zoveel energie uit een theeglas kokend water oogsten dat de LTC3108 een elco van 2200 μF (CSTORE in figuur 2) voldoende kan opladen om de stuurelektronica zijn taken kan uitvoeren.
 

Transportmechanisme

Wat kunnen we met de geoogste energie aanvangen? ‘Stroomvretende’ functies zijn natuurlijk uitgesloten, alle delen van de theetimer moeten zeer spaarzaam met energie omgaan. Allereerst de mechanica: zet het theeglas op de TEG, dompel het theezakje (of thee-ei) handmatig in het glas geplaatst en klem het theezakje dan vast aan de draad van een ‘hefmechanisme’.

Bij een normaal gevoede schakeling kunt u het hefmechaniek nu eenvoudig met een motor uitrusten die het theezakje uit het brouwsel trekt. Dat heeft hier natuurlijk geen zin. In plaats daarvan wordt, zoals te zien in figuur 3, de draad door een U-vormige buis geleid en aan het andere einde voorzien van een klein tegengewicht (iets zwaarder dan een theezakje). Op deze manier oogsten we nog meer energie, namelijk die van de zwaartekracht. Omdat het tegengewicht zwaarder is dan het theezakje, moet het met een boutje worden geborgd; met behulp van een veer houdt het boutje het gewicht tegen. De bout wordt elektromagnetisch ontgrendeld (teruggetrokken) met een enkele stroompuls – er hoeft dus niet gedurende langere tijd een relatief grote stroom te worden geleverd.
 

Hiervoor heb ik een relais omgebouwd en de bout aan de contactset van het relais bevestigd. Er zijn ook speciale hefmagneten verkrijgbaar die hier ook gebruikt kunnen worden. Om te zorgen de thee niet spat bij het optillen van het zakje,heb ik het gewichtje voorzien van een rubber ‘schokdemper’.

De microcontroller als timer en driver

Omdat we de energie voor het mechanisme zo spaarzaam gebruiken, kunnen we ons bij de stuurcentrale van de theetimer, een ATmega169PA van Atmel, enige luxe veroorloven. De ATmega169PA heeft een ingebouwde LCD-controller, waardoor probleemloos een display kan worden aangesloten waarop de tijd wordt getoond gedurende welke de thee trekt. Overigens is het inderdaad zuiniger hiervoor een hardwarefunctie van een controller te gebruiken in plaats van deze softwarematig te emuleren.

In het theeglas wordt kokend water gegoten, zodat de TEG elektrische energie gaat leveren. Zodra de energy harvesting-schakeling de voedingsspanning voor de microcontroller levert, wordt de ‘trekduur’ van de thee knipperend weergegeven op het display. Het duurt ongeveer 30 seconden voordat het display actief wordt. De meeste theesoorten moeten 5 minuten trekken, dus de defaultwaarde is 4:30 minuten.

Op de microcontroller zijn twee druktoetsen aangesloten, die (onder andere) kunnen worden gebruikt om de trekduur in te stellen. Als gedurende 12 seconden geen van de knoppen wordt ingedrukt, stopt het display met knipperen en wordt de ingestelde per seconde afgeteld.

Enkele seconden voor het einde van de brouwperiode klinkt het akoestische signaal van een piëzo-buzzer. Dit is een teken dat de bijna thee klaar is. Wanneer de thee helemaal is getrokken, stuurt de microcontroller een kort signaal naar de relaisspoel die de borgpen vrijgeeft zodat het contragewicht het theezakje met een licht gedempte beweging uit het theeglas trekt.

De piëzobuzzer moet iets vóór het einde van ingestelde tijd worden geactiveerd, om de energie die de buzzer heeft geconsumeerd te compenseren. Op die manier is er voldoende elektrische energie beschikbaar om de relaisspoel te bekrachtigen. Als het akoestische signaal wordt genegeerd, laat de theetimer ons niet met rust; elke minuut piept de buzzer eventjes. Dit alarm kan worden uitgeschakeld door op een knop te drukken. Maar dat is waarschijnlijk niet nodig omdat kort nadat u het glas hete thee van de TEG hebt gehaald de voedingsspanning tot nul inzakt.

Conclusie

Het ontwerpen van een schakeling die genoeg heeft aan de beperkte hoeveelheid energie die met Energy Harvesting kan worden geoogst, is een grote uitdaging. Dat betreft niet alleen het hardware-ontwerp, maar vooral met het energiemanagement bij het opzetten van de firmware. Die moet bijvoorbeeld zo worden geoptimaliseerd dat bij het instellen van de tijdsduur met de druktoetsen slechts een minimale stroom nodig is zodat de voedingsspanning voor de microcontroller niet inzakt. Maar dat is nou net het doel van zulke experimenten!

De thermo-elektrische theetimer kan nog worden uitgebreid met een Bluetooth Low Energy-module (BLE) om een bericht naar een smartphone te sturen wanneer de thee klaar is. Ook kan voor het optillen van het theezakje uit het theeglas een zuinige stappenmotor worden gebruikt.

Hoewel het prototype (figuur 4) er niet naar uitziet, is de thermo-elektrische theetimer (in tegenstelling tot veel commerciële producten die hetzelfde doen, maar dan op een ouderwetse manier) dankzij de toepassing van geavanceerde energy harvesting-technologie een uitgesproken high-tech apparaat. Vervelende klussen zoals het vervangen van de batterij of het opladen van de accu vervallen. En omdat geen batterijen of accu’s worden gebruikt, kunnen er geen nare chemische stoffen vrijkomen. Het apparaat is onderhoudsvrij (afgezien van schoonmaken). Er komen geen gevaarlijke elektrische spanningen voor,hoeft het geheel niet aanraakveilig te worden ingekast. De thermo-elektrische theetimer is uniek!
 

(180211-04)

Dit project is ook gepubliceerd in Reichelt Elektronik Magazine.

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Wilt u meer van die fantastische Elektor-artikelen?

--> Neem vandaag nog een abonnement op Elektorlabs - u mist nooit meer een artikel, project of handleiding!

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------