Power Generation by Resonant Self-Actuation

Die Forschung im Bereich der Mikro-Energiegewinnung wurde durch den Bedarf an au-tarken sowie stabilen Energiequellen für vernetzte und drahtlose Sensoren vorangetrieben. Abwärme, insbesondere bei Temperaturen unter 200 °C, stellt eine vielversprechende, aber mit den derzeitigen Umwandlungstechnologien schwer zu gewinnende Energiequelle dar. Der Fortschritt von thermomagnetischen Generatoren (TMGs) mit hoher Leistung wurde durch den Mangel an Weiterentwicklungen von thermomagnetischen Materialien behindert. Diese Arbeit stützt sich auf frühere Forschungsarbeiten zu TMGs im kleinen Maßstab. ... mehrDie Hauptziele sind:
• Entwicklung eines LEM-Modells (Lumped Element Model) zur Simulation des TMG, um die Leistung zu analysieren und zu optimieren.
• Nutzung von LEM und Experimenten, um die Auswirkungen verschiedener De-signparameter zu verstehen.
• Die Hochskalierung des Volumens des aktiven Materials eines TMG, um die absolute Ausgangsleistung eines einzelnen Generators zu erhöhen.
• Die Hochskalierung des TMG durch Parallelbetrieb mehrerer TMGs zur Vergrößerung der lateralen Größe.
• Erweiterung des Betriebsbereichs der Wärmequelle auf Temperaturen nahe der Raumtemperatur, ohne die resonante Selbstaktivierung zu verlieren.
Zunächst werden mittels experimenteller Messungen und LEM-Simulationen TMGs, die auf verschiedenen Materialien wie dem Ni-Mn-Ga Heusler-Legierungsfilm, Gadolinium und La-Fe-Si-H basieren, grundsätzlich erforscht. Die Auswirkung verschiedener Designparameter auf die Leistung des TMGs wird untersucht. Dabei beschreiben LEM-Simulationen die gekoppelten dynamischen Eigenschaften von TMGs, die Filme aus magnetischen Formgedächtnislegierungen (MSMA) verwenden. Die TMG nutzen Selbstaktivierung, indem ein temperaturabhängige Magnetisierungsänderungen und einen schnellen Wärmetransfer durch thermomagnetische Dünnschichten ausgenutzt wird.
Detaillierte LEM-Simulationen zeigen die Temperaturänderung, die Magnetfeldänderung und die daraus resultierende Magnetisierung der TM-Filme über Zeit und Position. Opti-male Bedingungen für eine resonante Selbstaktivierung werden durch sorgfältiges Design der TMG-Parameter erreicht, was zu einer kontinuierlichen, ungedämpften Oszillation des TMG-Ausleger führt. In dieser Arbeit werden verschiedene Design-Parameter erörtert, die sich auf die resonante Selbstaktivierung im Falle von Ni-Mn-Ga-Dünnschichten auswirken, wobei die Bedeutung der Feinabstimmung jedes Parameters für eine maximale Ausgangsleistung hervorgehoben wird. Die Auswirkungen von Faktoren wie Magnet, Spulenwindungen, Auslegersteifigkeit, Lastwiderstand (RL), Curie-Temperatur (Tc), Wärmeübergangskoeffizient (hf) und Wärmewiderstand (Rb) werden untersucht, um ihren Einfluss auf die TMG-Leistung zu verstehen. LEM-Simulationen zeigen kritische Werte für hf und Rb, die eine stabile Energieerzeugung mit signifikantem Hub und Frequenz ermöglichen, was zu einer deutlichen Steigerung der elektrischen Leistung führt.
Die Hochskalierung des TMG mit Ni-Mn-Ga-Dünnschicht zeigt gegensätzliche Auswir-kungen auf die Leistungsabgabe und die Grundfläche, wobei eine verbesserte elektrische Leistung pro Grundfläche durch eine Erhöhung der Schichtdicke von 5 auf 40 µm erreicht wird. Bei einer Temperaturänderung von nur 3 °C und einer Frequenz von 146 Hz wer-den Werte von 50 µW/cm2 erreicht. Die parallelen Architekturen sind entscheidend für die Erzeugung ausreichender Energie für die direkte Anwendung. Die thermische Kreuz-kopplung beeinträchtigt die dynamische Leistung und die Leistungsabgabe von parallel betriebenen TMGs. Thermische Effekte machen sich vor allem bei geringen Abständen zwischen den Bauelementen und hohen Temperaturen der Wärmequelle bemerkbar, wobei jedoch keine magnetischen oder mechanischen Wechselwirkungen zwischen den parallel arbeitenden TMGs beobachtet werden.
Bei Verwendung von Gadolinium als aktiver TM-Schicht ist ein Betrieb bei einer niedrigen Wärmequellentemperatur (Tsource) von 40 °C möglich. Der TMG kann bei dieser Tsource eine Leistung von 1,3 µW bei einer Frequenz von 54 Hz erzeugen, was einer Ausgangs-leistung von 10 µW/cm2 pro Fläche entspricht. Bei einer Tsource von 65 °C steigt dieser Wert sprunghaft auf 24 µW/cm2 bei einer Frequenz von 117 Hz an. Obwohl für eine opti-male Leistung eine Tamb von 11 °C erforderlich ist, kann das Bauelement die resonante Selbstaktivierung bis zu einer Umgebungstemperatur (Tamb) von 19 °C aufrechterhalten und dabei immer noch 8,7 µW/cm2 Leistung bei einer Tsource von 50 °C erzeugen. Außer-dem werden die scharfen Grenzen der Betriebstemperaturen in Bezug auf Tsource und Tamb untersucht und vorgestellt. Ein TMG, bei den hydrierten La-Fe-Si-Legierungen als aktiven TM-Film verwendet, kann 38 µW/cm2 aus einer Tsource von 90°C erzeugen, während es mit einer Frequenz von 137 Hz arbeitet.

Research into micro energy harvesting systems has been driven by the need for self-sustaining, stable power sources for interconnected wireless sensors. Waste heat, par-ticularly at temperatures below 200 °C, presents a promising but challenging energy source to recover using current conversion technology. The progress of high-performance thermomagnetic generators (TMGs) has been impeded by the lack of advancements in thermomagnetic materials. This study builds upon previous research on small-scale TMGs. The main objectives are;
• Development of a Lumped element model (LEM) simulation of the TMG to analyze and optimize the performance. ... mehr
• Utilizing LEM and experiments to understand the effect of various design parameters.
• Upscaling of the TMG’s active material volume to increase the absolute power output of a single device.
• Upscaling of TMG by operating multiple TMGs in parallel to increase the lateral size.
• Extending the operation range of heat source temperatures to near room temperatures without losing resonant self-actuation.
Experimental measurements and LEM simulations explore TMGs based on various materials such as the Ni-Mn-Ga Heusler alloy film, Gadolinium and La-Fe-Si-H. The effect of various design parameters on the performance of the TMG is investigated. LEM simula-tions describe the coupled dynamic properties of TMGs utilizing magnetic shape memory alloy (MSMA) films. The TMG employ self-actuation by leveraging temperature-dependent changes in magnetization and rapid heat transfer through thermomagnetic thin films.
Detailed LEM simulations examine the temperature change, magnetic field change, and resulting magnetization of the TM films over time and position. Optimal conditions for resonant self-actuation are achieved through careful device parameter design, leading to continuous, undamped oscillation of the cantilever. The thesis discusses various design parameters affecting resonant self-actuation for the case of Ni-Mn-Ga thin films, emphasizing the importance of fine-tuning each parameter for maximum output power. The impact of factors like magnet, coil turns, cantilever stiffness, load resistance (RL), Curie temperature (Tc), heat transfer coefficient (hf), and thermal resistance (Rb) are investi-gated to understand their influence on the TMG performance. LEM simulations reveal critical values of hf and Rb that enable stable energy generation with significant stroke and frequency, resulting in substantial electrical output.
Upscaling the TMG with Ni-Mn-Ga thin film demonstrates opposing effects on power output and footprint, with an improved electrical power per footprint achieved by increasing film thickness from 5 to 40 µm. At a temperature change of only 3 °C and a frequency of 146 Hz, values of 50 µW/cm2 are achieved. The parallel architectures are essential for generating sufficient energy for direct application. Thermal cross coupling affects the dy-namic performance and power output of TMGs operating in parallel. Notably, thermal effects become noticeable at low device separations and high heat source temperatures, but no magnetic or mechanical interaction is observed between the parallel-operating TMGs.
Using gadolinium as the active TM film, near-room temperature operation is possible at a low heat source temperature (Tsource) of 40 °C. The TMG is able to generate 1.3 µW of power at a frequency of 54 Hz at this Tsource, equivalent to a power output per footprint of 10 µW/cm2. At a Tsource of 65 °C, this value sharply rises to 24 µW/cm2 with an oscillation frequency of 117 Hz. Even though Tamb of 11 °C is required for this optimum performance, the device can sustain resonant self-actuation up to an ambient temperature (Tamb) of 19 °C while still producing 8.7 µW/cm2 of power for a Tsource of 50 °C. Moreover, the sharp boundaries of operation temperatures in terms of Tsource and Tamb are investigated and presented. The TMG using hydrogenated La-Fe-Si alloys as active TM film can generate 38 µW/cm2 from a Tsource of 90 °C while operating at a frequency of 137 Hz. TMGs are shown to be able to function across a broad range of Tsource temperatures while producing significant power output per device footprint. Thus, making them extremely competitive not just with other TMGs but also with the best commercially available thermoelectric generators.