Energy harvesting met raamantenne

http://www.rexresearch.com/tate/tate.htm
Leuk zelfbouwproject voor wat inspiratie.

Nieuw is het zeker niet en onmogelijk ook niet, zover ik weet zijn er al commerciele senors die zo werken.

Interesant lijkt me om te werken met 50Hz. De sensors in zware machines kunnen dan gevoed worden uit de strooivelden van de motoren. Maar ook dmv het seebeck effect bij systemen waar veel warmewisseling is en piezo electrisch daar waar veel trillingen zijn.

Om de middengolf hiervoor te gebruiken is als test niet verkeerd. Maar de signalen zijn s-nachts veel sterker dan overdag en de middengolf heeft niet echt een toekomst, er komen steeds minder zenders daar.

Wat ik alleen niet snap is dat een groot berijf dat aan een student uitbesteed welke de apparatuur en kennis niet heeft om daar echt zinnig onderzoek naar te doen. Als MBO schoolopdracht een leuk leerzaam iproject maar een bedrijf doet dit normal met commerciele bedoelingen. Ik zou op basis van jou onderzoek geen commerciele beslissing durven nemen.
Het minste wat je moet hebben is apparatuur om de resonantie te weten, een gecontrolleerde omgeving en gevoelige spanning en stroommeters ( bv galvno en electrometers) een 10MOhm multimeter is en te hoge belasting. En voor het zelfde geld denk jij je elco op te laden op dat radio signaal maar blijkt de meeste energie te komen van een EMC sproeiende schakelende voeding die er vlak bij staat ;-) als ik een vna meting doe met mijn vna vlak bij de pc hier beneden zie ik dat onmiddelijk terug op de trace. Ook de energoe van mobiele telefoons, TL inverters ect. Dat zul je met een spectrum analyser moeten meten. Dan zie je het vermogen en waar het nog meer zit.

Op 25 april 2012 13:45:28 schreef fred101:
En voor het zelfde geld denk jij je elco op te laden op dat radio signaal maar blijkt de meeste energie te komen van een EMC sproeiende schakelende voeding die er vlak bij staat ;-)

Dat effect kan je uitsluiten door een keer met de meetopstelling midden in een weiland te gaan staan.

Maar dan wel een zonder schrikdraad :-)
Maar dat is wel wat ik bedoel. Een raamantenne ergens binnen in een huis of school zonder verdere metingen is geen gefundeerd onderzoek.

Op 25 april 2012 13:38:21 schreef KlaasZ:
....Verder denk ik dat energie uit radiogolven halen een vorm van energiediefstal is. Als radiostations er achter komen dat dit gebeurt zouden ze wel eens knap vervelend kunnen gaan doen.

Huh?

Hoe zou die zender het verschil moeten weten tussen een ontvanger en een radio-energy harvester? Denk je dat de ontvangst bij anderen wordt beinvloedt door dit systeem? Of dat de zender zwaarder belast wordt?

Ik ken een indianenverhaal(?) uit het verre verleden, waar boeren in de directe omgeving van een middengolf zender de TL balken in de stallen lieten werken op antennes. Heel dicht bij een zender kun je inderdaad substantiele enegie 'harvesten'. Denk dan aan maximaal 2 of 3 golflengtes afstand van de zendantenne in kwestie.

Even wat getallen:
Een omroepzender werkt met b.v. 20.000 Watt op de middengolf.
Er luisteren (b.v.) 100.000 ontvangers. Per ontvanger wordt b.v. 1000 microvolt over 50 ohm gebruikt door de ontvanger.

Dat is (p=U2/R) 20 nanowatt per ontvanger. Oftewel 2 milliwatt voor 100.000 ontvangers.

Van de 20.000 watt wordt dus 99.99999% ongebruikt de ruimte ingestuurd en de ionosfeer verwarmd.

Laat eens iets weten, als het gelukt is.

[Bericht gewijzigd door Anoniem op (96%)]

Ga er morgen en overmorgen weer mee verder. Hoop overmorgen het onderzoek rondom het energy harvesten uit radiogolven af te hebben en zal de resultaten zeker in dit topic droppen! Ben zelf ook echt benieuwd naar de resultaten!!

Op 25 april 2012 13:38:21 schreef KlaasZ:
Verder denk ik dat energie uit radiogolven halen een vorm van energiediefstal is. Als radiostations er achter komen dat dit gebeurt zouden ze wel eens knap vervelend kunnen gaan doen.

Na honderdduizend jaar aftappen heb je misschien wel voor één cent energie verbruikt. Je moet wel heel principieel tegen zijn wil je daar een postzegel aan spenderen :)

Op 25 april 2012 13:45:28 schreef fred101:
Wat ik alleen niet snap is dat een groot berijf dat aan een student uitbesteed welke de apparatuur en kennis niet heeft om daar echt zinnig onderzoek naar te doen. Als MBO schoolopdracht een leuk leerzaam iproject maar een bedrijf doet dit normal met commerciele bedoelingen. Ik zou op basis van jou onderzoek geen commerciele beslissing durven nemen.
Het minste wat je moet hebben is apparatuur om de resonantie te weten, een gecontrolleerde omgeving en gevoelige spanning en stroommeters ( bv galvno en electrometers) een 10MOhm multimeter is en te hoge belasting. En voor het zelfde geld denk jij je elco op te laden op dat radio signaal maar blijkt de meeste energie te komen van een EMC sproeiende schakelende voeding die er vlak bij staat ;-) als ik een vna meting doe met mijn vna vlak bij de pc hier beneden zie ik dat onmiddelijk terug op de trace. Ook de energoe van mobiele telefoons, TL inverters ect. Dat zul je met een spectrum analyser moeten meten. Dan zie je het vermogen en waar het nog meer zit.

We hebben op school wel degelijk de apparatuur om hier onderzoek mee te doen en ik begrijp niet dat de hoeveelheid benodigde kennis een blokkade kan zijn voor het onderzoek. Ik bedoel daarom zit je toch op school? En btw ik doe trouwens HBO Elektrotechniek.

Op 25 april 2012 13:38:21 schreef KlaasZ:
Ik zeg niet dat het niet mogelijk is, ik betwijfel alleen of je er voldoende energie uit kunt halen. Zonnepanelen lijken me een stuk effectiever.

Een reactie eerder zeg je nog dat dit onderzoek energieverspilling is en nu ik het idee erachter heb uitgelegd ben je ineens geïnteresseerd in de resultaten.. hmm.. maargoed..

Waarom is een zonnepaneel perse effectiever als je niet eens weet hoeveel vermogen je nodig hebt. Ten eerste zijn de kosten voor een zonnepaneel vele male hoger dan de kosten voor het maken van een raamantenne. Ten tweede werkt een zonnepaneel niet zonder licht en zoals je wellicht weet is er s'nachts weinig licht. En ten derde waarom zou je een zonnepaneel gebruiken ALS het ook kan door energie te pikken uit radio golven.

[Bericht gewijzigd door Henry S. op (13%)]

Omdat de energie dichtheid van radiogolven een factor miljoen of nog meer LAGER is dan zonne-energie.

Verzoek aan de TS de edit te gebruiken ipv het topic steeds te kicken, en selectiever quoten aub.

Op 25 april 2012 21:29:45 schreef joopv:
Omdat de energie dichtheid van radiogolven een factor miljoen of nog meer LAGER is dan zonne-energie.

Er zullen vast en zeker situaties zijn waarin een smart sensor bijvoorbeeld helemaal geen licht kan ontvangen, heb je daar weleens over nagedacht?

Op 24 april 2012 23:04:19 schreef grotedikken:
Daarom moet je de antenne afsluiten met zijn karakteristieke bronimpedantie die onder meer afhangt van de vorm. Ik dacht dat 110-150 Ohm een realistische waarde is.
Hierbij wordt de Q factor zo laag, dat de hele afstemprocedure niet zinvol is. Eigenlijk kun je de condensator evengoed gewoon weglaten.
De antenne is dan wel degelijk laagohmig en bij perfecte aanpassing is de spanning over de belasting precies de helft van de EMK.

Nee, dat lukt je niet; zeker niet als je ook nog een diode wilt gebruiken.
Door de spanning over de condensator af te nemen bereik je een Q maal zo hoge spanning uit een Q2 zo grote inwendige weerstand.
Maximaal vermogen krijg je dan als je een belasting aansluit met een waarden van DIE weerstand, wat een stuk praktischer is.
Een HF-technicus of amateur zou dit een L-netwerk aanpassing noemen. De formules zijn algemeen.
De raamantenne van TS heeft (bij 0,4 mm draad) een weerstand van bijna 4 ohm. Maar als je geen condensator gebruikt, dus ook niet in serie, dan zit de reactantie van de spoel in de weg met zijn 1630 ohm.

Overigens wordt de inwendige weerstand van de raamantenne praktisch helemaal door de draadweerstand bepaald. De 'stralingsweerstand' is zo klein, dat je daarmee niets kunt aanvangen. Het rendement is dan ook altijd heel klein.

Ik heb al eerder in het topic een schatting gegeven van de vermogens waarmee je te maken krijgt. Daarop zie ik geen reactie; alleen maar kreten als 'je kunt het toch proberen'.

Dat kan, maar probeer óók eens iets te berekenen.
Voorzetje: als je draad gebruikt met een weerstand van k ohm per meter, dan is het maximaal aan het HF-veld te onttrekken vermogen:

P = E2 (pi3 n d3)/(16 k λ2)
De formule kun je vlot afleiden uit de geïnduceerde spanning in de raamantenne en de weerstand van de draad, waarbij de (getransformeerde, zie boven) belasting aan die weerstand gelijk is.

De veldsterkte E van een 400kW zender met een verticale antenne boven aarde op 35km afstand is te schatten op bijna 80µW/m2.
Een koperdraad van 0,4mm dik heeft een weerstand van ongeveer 0,13Ω/m.
De equivalente diameter van je raam is 0,56m. Met 14 windingen draad van 0,4mm mag je dus een maximum vermogen van krap 7µW verwachten.
(Let op dat dat het maximumvermogen uit de raamantenne vóór gelijkrichting is, als wisselspanning dus; de diode zal het probleem vormen door zijn drempelspanning.)

Om evenveel vermogen uit een zonnecel te halen, moet die in vol zonlicht 0,000 000 07 m2 groot zijn (bij een rendement van 10%); maar bij bewolkt weer minstens tien- of twintigmaal zo groot. :)

ABB heeft al jaren draadloze sensoren die de energie uit radiogolven halen. Deze zijn speciaal voor op beweeglijke robots bedoeld.

Als ik zeg "proberen" of "het onderzoek DOEN" dan bedoel ik daarmee ook dat FET z'n formules afgeleid worden om een theoretisch maximum te bepalen.

Anderzijds, zuinige schakelingen die minder dan 7µW gebruiken zijn tegenwoordig ook mogelijk. Mijn digitale horloge uit 1980 gebruikte iets van 4µW. Dat is nu toch echt minstens een factor tien verbeterd.

Dus het theoretisch maximum is niet iets wat meteen roet in het eten gooit. Je gaat niet zomaar direct een AVR op 50mW kunnen aansluiten, maar er is IETS. En je hebt nog allemaal problemen om het gelijk te richten en zo. Uitdagingen!

Op 25 april 2012 23:23:42 schreef 071071:
[...]
Er zullen vast en zeker situaties zijn waarin een smart sensor bijvoorbeeld helemaal geen licht kan ontvangen, heb je daar weleens over nagedacht?

Uiteraard. Maar als de radiogolven die reeds aanwezig zijn in de aether ook geen alternatief zijn vanwege het op te wekken vermogen dan houdt het op.

Je zou kunnen gaan denken aan een ringleiding systeem.

Met een ringleiding rond je object wek je een magnetisch veld in het gehele object op wat je kunt gebruiken om je sensoren te voeden.

Dat heeft ook een zeer laag rendement maar wellicht is het een bruikbare optie. Ik stel me zo voor dat je een fikse wisselstroom van 50 kHz of meer door zo'n ringleiding pompt, en dat je met klein ferrietantennetjes het veld oppikt en gelijkricht.

In een hoogstedelijke omgeving of in een kantoor omgeving zou je wellicht harvesting kunnen doen op de LPD, UMTS, GSM banden. Oftewel in de 800/900/1800/1900/2100/2450MHz banden. Van die zenders heb je er altijd wel wat op korte tot zeer korte afstand staan. Denk aan wifi access-points en basisstations van mobiele providers. Zelfs de mobieltjes van gebruikers zenden regelmatig. Helaas wel met vrij lage vermogens. En hoe je dat dan nuttig kunt converteren naar een gelijkspanning..?

[Bericht gewijzigd door joopv op (23%)]

Anderzijds, zuinige schakelingen [...]
Dus het theoretisch maximum is niet iets wat meteen roet in het eten gooit. [...] Uitdagingen!

Het knappe is dan ook niet zozeer het uit de lucht plukken op zich denk ik, maar iets zo zuinig te maken dat je er iets mee kunt doen. Dat zou misschien nog wel meer punten opleveren in de proef!

Ik vraag me af of er nog een 'truc' bestaat door op de één of andere manier gebruik te maken van alle velden samen.
Stel dat je twee zenders ontvangt; ieder goed voor (bijvoorbeeld) 0,1V uit het raam. De piekspanning zou dan 0,2V zijn, en dat is viermaal zoveel vermogen. Maar achter de gelijkrichter zou je die spanning vast kunnen houden.
Je krijgt niets voor niets natuurlijk; in zo'n geval zou het raam de 'HF-omgeving' dus zwaarder belasten. Op ongeveer dezelfde manier als dat een gelijkrichter de trafo zwaarder belast als je er een elko achter zet om meer gelijkspanning te krijgen.

Waar ik niet makkelijk omheen kom is de reactantie van het raam. Die moet toch gecompenseerd ('afgestemd') worden, en dat zou voor een klein aantal bekende zenders nog wel gaan met een wat complexere schakeling, maar voor een groot aantal onbekende zie ik niet zo gauw een oplossing.

Op 25 april 2012 13:38:21 schreef KlaasZ:
Verder denk ik dat energie uit radiogolven halen een vorm van energiediefstal is.

Vroeger, voor de komst van commerciele omroepen, was het in ieder geval verboden bij wet. Je mocht alleen de informatie gebruiken. Geen idee of dat nu nog zo is.

't Is mij trouwens wel gelukt: een langdraad antenne van 200 meter naar 150 meter hoogte gaf voldoende vermogen om op een SWR power meter een uitslag te krijgen. En een TL erop laten branden werkte ook prima.

Dat was wel op 2 a 3km van het zenderpark in IJsselstein.
Daar zat toen nog de Wereldomroep, 3 Middengolfzenders, 3 FM zenders en 2 TV zenders. 1 MegaWatt ging er minimaal de lucht in en misschien wel een stuk meer.

Niemand dorst een tranciever aan te sluiten op mijn antenne, zelfs niet nadat de statische component was weggehaald en er een filter achter hing ;(

FET, als je gedurende een uur 7µW kan opvangen, kun je daarna een seconde lang 25mW trekken. Een temperatuursensor uitlezen en vervolgens draadloos data versturen is met dit vermogen prima te doen.

Nu snap ik dat die 7µW nooit zonder verliezen in een elko komt, maar met de helft moet het alsnog lukken.

misschien zijn die diode verliezen op te vangen door een trafo te gebruiken voor die frequentie.

[Bericht gewijzigd door VWG3JB op (14%)]

Met mijn dipool kon ik een elco tot zo'n 1,5V opladen, hoger lukte niet.
Maar op het moment dat er onweer in de buurt is wordt het een ander verhaal. De static wordt dan soms zo hoog dat er vonken van een paar cm tussen de open uiteinden van de kippenladder overspringen. Tijdens onweer zelfs door de isolatie heen naar een geaard 19" rack een cm of tien er van af. Als je er dan een elco of sensor aan hebt is het foute boel.
Een problem wat ik met dit systeem verwacht is dat in veel bedrijfsgebouwen de ontvangst van radio vreselijk slecht is. Ik luisterde altijd naar arrow op de middengolf, maar op het werk was dat onmogelijk, totaal geen ontvangst.

Ik las net een stuk over afregeling van een 1008KHz zend antenne met een vna. Als test werd eerst het nivo van het signaal dat de antenne ontvangt gemeten om te kijken of het niette hoog was voor de vna.
De antenne was 50 meter hoog. Daar stond een signal van -15,42 dBm op.
Dat zijn andere waarden als een raam antenne ;-)
http://www.omicron-lab.com/fileadmin/assets/application_notes/App_Note…

Ja, maar wacht even; TS heeft het over een raamantenne. Om precies te zijn, eentje met een oppervlakte van 0,25 m2 en met 14 windingen.
Dat is dus een effectieve hoogte van 2 π n A/λ = 5,5 centimeter.
Met andere woorden, het ding geeft (onbelast) evenveel spanning af als een verticale antenne van 5½ cm hoog. Daardoor is het erg lastig hier wat vermogen uit te krijgen.

Een 'echte' antenne, een verticale antenne van tientallen tot honderden meters hoog, is nogal een ander verhaal; dat wil nog vrij goed.
Leuke note trouwens. Ik gebruik vaak een ding dat 'Site master' heet - @Jovak kent 'm ook wel - en hier erg op lijkt.

By the way, dat vergeet ik steeds: bij f= 747kHz is λ= 401m, geen 402. Blijkbaar rekende TS met c= 3×108.

Op 26 april 2012 11:31:38 schreef VWG3JB:
FET, als je gedurende een uur 7µW kan opvangen, kun je daarna een seconde lang 25mW trekken. Een temperatuursensor uitlezen en vervolgens draadloos data versturen is met dit vermogen prima te doen.

Nu snap ik dat die 7µW nooit zonder verliezen in een elko komt, maar met de helft moet het alsnog lukken.

misschien zijn die diode verliezen op te vangen door een trafo te gebruiken voor die frequentie.

Ik neem aan dat het om een sensor gaat die relatief onderhoudsvrij moet zijn, en moeilijk te bereiken is. Maar een dergelijke afgestemde antenne is erg selectief. En wat dan als ie verloopt met de temperatuur of zo? En nu de zware MG zenders de een na de ander stilgelegd worden? telkens opnieuw afstemmen op een andere misschien veel te zwakke zender? Als het toch om zulke kleine vermogens gaat, ben je dan niet veeeel beter af met een heel klein
3V Lithuimbatterijtje. Bij een gemiddeld verbruik van enkele ùA gaat die 8-10 jaar onderhoudsvrij mee.

Daarbij lijkt die ""harvesting" met een antenne van 1/2m2 een ontzettend omslachtig en lomp gedoe.

Ik ben niet zoals Etherman aan het rekenen geslagen , maar voelde zo al aan mijn ellebogen dat het een onzinnig gedoe is.
En die mooie Qfactor ten spijt, je kunt dan wel de spannning wat opkrikken, maar de stroom wordt eveneens Q maal kleiner, en die was al zo laag. Volgens mij kun je niet eens een elcotje opladen omdat de lekstroom groter is dan de "oogst". En je schakeling wordt heel gevoelig voor verstemming door omgevingsfactoren als vocht en temperatuur.

Maar het besluit dat het project niet haalbaar is, is toch ook een waardevol gegeven? Van alle nieuwe technologieen die ik tijdens mijn loopbaan helpen onderzoeken heb, zijn er hooguit 15% als commercieel haalbaar weerhouden. Dat wil niet zeggen dat het tijdverlies was andere pistes te onderzoeken.

Wat een wijze woorden: het is heel waardevol als je kunt aantonen dat iets niét werkt.

Een kennis van me zocht, als jongeling, eens het hele kustgebied af naar een bepaald soort kevertje. Hij had de voorgeschreven wetenschappelijke methode toegepast (inclusief valletjes en lokmiddelen), maar vond er geen enkele.

Hij vond zijn proef dus mislukt.
Tot de biologieleraar hem uitlegde dat hij als eerste had aangetoond dat de soort daar niet voorkomt; iets wat wel vermoed werd, maar door de benodigde hoeveelheid tijd nog nooit eerder bewezen was.

Het wordt stilaan tijd voor een besluit:

1) grote vermogens "harvesten" kun je rustig vergeten. Grootorde 4ùA
en 0.1 mW is realistisch.
2)Omslachtig en volumineus.(1/2m2+schakeling)
3)Slechts een heel beperkt aantal toepassingen neemt genoegen met zo weinig stroom.
4)Indien toch voldoende kun je beter een Lithium batterijtje nemen.
Voordelen: compact, eenvoudig, niet duur,Onafhankelijk van temperatuur en 8 jaar onderhoudsvrij.
5) Onstabiel en vermogen niet gegarandeerd over langere tijd.

Ik vrees echter dat onze jonge onderzoeker, 071071 zoals gewoonlijk al afgehaakt heeft en op zoek is naar een gelijkgestemde ziel om verder te fantaseren.

Ik vind 't niets erg. Ik had nog niet eerder een algemene formule afgeleid om het maximaal beschikbare vermogen te bepalen uit de afmetingen, het windingtal en de draadweerstand per meter. Ook leuk.
Maar nu houd ik hem maar zelf. ;)