Energy harvesting in aircraft with special focus on thermoelectrics

Abstract

Energy Harvesting bezeichnet das Verfahren, ungenutzte Umgebungsenergie für Anwendungen nutzbar zu machen. Einhergehend mit dem Fortschritt in der Mikroelektronik und der Mikrosensorik, insbesondere bezüglich Miniaturisierung und Stromverbrauch, bietet Energy Harvesting somit eine echte Realisierungsmöglichkeit für autonome, energieunabhängige Sensor Systeme. Im Zuge der Einführung von Health Monitoring Systemen (HMS) in Flugzeugen scheinen Energy Harvesting betriebene Funknetzwerksensoren besonders geeignet größeren Installationsaufwand zu vermeiden. In diesem Zusammenhang werden die Energy Harvesting Optionen in einem Flugzeug betrachtet und bewertet, wobei besonderes Augenmerk auf thermoelektrisches Energy Harvesting gelegt wird. Zusätzlich zum Energy Harvesting werden auch verschiedene Aspekte einer effizienten Powermanagementelektronik zur Umwandlung niedriger Eingangsspannungen sowie mit Energiespeicherfähigkeit, welches für Energy Harvesting betriebene niedrig Energiesensoren obligatorisch ist, betrachtet und analysiert. Als erste Anwendung von Energy Harvesting betriebenen Sensoren wird eine Energiequelle im Zusammenhang mit einer flexibelen, kabellosen Passagiersitzüberwachung vorgestellt. Ferner wird auch ein spezieller 'Wärmeenergiespeicher', der den Phasenübergang von Wasser zwischen dem flüssigen und dem festen Aggregatszustand ausnutzt, für thermoelektrisches Energy Harvesting als Energiequelle für Sensorknoten zur Strukturüberwachung der Flugzeughülle entwickelt, simuliert, experimentel getestet und optimiert. Die Funktionalität der Energiequelle wird durch einen Flugversuch nachgewiesen.<br />

Energy harvesting is the principle of extracting unused energy from the environment for an application. Especially with the progress of miniaturization and reduction of power consumption for micromachined devices, energy harvesting enables true autonomous power supply for wireless sensor systems. Thus, to introduce a health monitoring system (HMS) in aircraft an energy harvesting powered wireless sensor network seems to be the perfect solution to avoid large installation efforts. In this context the energy harvesting options within an aircraft structure are evaluated, focusing on thermoelectric energy harvesting.<br />Additionally, aspects of an efficient power management circuit board for low input voltage conversion and energy storage, which is mandatory for the energy harvesting powered sensors, are analyzed. A low power wireless sensor node (WSN) is also presented. As a first energy harvesting application an energy source for a wireless and flexible passenger surveillance seat sensor system is introduced. Finally, a special 'phase change heat storage device' for thermoelectric energy harvesting for aircraft HMSs is developed, simulated and experimentally tested. The feasibility of the later harvesting concept is proven in a flight test.