Smart valve
Issue 01-2016:
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PM DM GmbH presents the Smart Valve® radiator valve, which runs without batteries and produces the electricity it needs with a thermoelectric generator (TEG). The Smart Valve® won the Energy Harvester Award in Berlin while still in the development stage.
Representation of the radiator valve (PM DM design)
The TEG consists of series-contacted thermocouples and two different electric conductors. The newly developed valve uses the difference in temperature between the radiator and the room to generate electrical energy (energy harvesting).
The temperature difference is at least 15 °C at inlet temperatures of more than 40 °C and room temperatures around 20 °C. The chiplike TEG thus generates a voltage of approximately 1 V. Compressible heat conducting foils prevent air pockets and thereby reduce thermal resistance. The heat sink has the greatest influence on the generated TEG voltage, which is why an ingenious thermal design was developed, based on many simulations. The gearset requires five to ten times less energy to adjust the valve, compared to conventional designs.
Maximum efficiency
The valve currently achieves energy efficiency well above 80%. An electric doublelayer capacitor with few losses due to intrinsic leaks is used as the energy store. It can also easily handle the low charge currents. Integrated output stages are used for the motor drivers, since they have leakage currents of less than 100 nA. An ultra lowpower microcontroller provides the system’s intelligence and controls the drive, positioning, communication and power management functions. It consumes less than 3 µW of power in sleep mode. It is woken up cyclically by a timer and can measure all necessary operating parameters.
Sleep and awake phases
The capacitive sensor also requires only a fraction of the energy of earlier systems. All unnecessary components are systematically disconnected from the power supply, for example during the summer, when the TEG does not supply any energy. The system automatically wakes up when the heating period begins in the fall. The valve supports all common energy-efficient protocols, such as Bluetooth Low Energy, ZigBee and EnOcean.
Simplified representation of a TEG through the Seebeck effect
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Die PM DM GmbH stellt das Heizkörperventil Smart Valve® vor, das ohne Batterien auskommt und den benötigten Strom mittels eines thermoelektrischen Generators (TEG) selbst produziert. Schon in der Entwicklungsphase gewann der Smart Valve® den Energy Harvester Award in Berlin.
Heizkörperventil (PM DM Design)
Der TEG besteht aus in Serie kontaktierten Thermoelementen und zwei verschiedenen elektrischen Leitern. Das neu entwickelte Ventil nutzt die Wärmedifferenz zwischen Heizkörper und Raum, um elektrische Energie zu erzeugen (Energy Harvesting).
Bei Vorlauftemperaturen über 40 °C und Raumtemperaturen um die 20 °C beträgt der Temperaturunterschied mindestens 15 °C. Der chipartige TEG baut damit eine Spannung von etwa 1 V auf. Kompressible Wärmeleitfolien vermeiden Lufteinschlüsse und verringern dadurch den Wärmewiderstand. Der Kühlkörper hat den größten Einfluss auf die generierte TEG-Spannung, darum wurde mit hohem Simulationsaufwand ein ausgeklügeltes thermisches Design entwickelt. Das Getriebe benötigt fünf- bis zehnmal weniger Energie als herkömmliche Bauarten, um eine Ventilverstellung zu fahren.
Höchste Effizienz
Der erreichte Energienutzungsgrad liegt heute bei weit über 80%. Als Energiespeicher dient ein Doppelschichtkondensator, der kaum noch Verluste durch Eigenleckagen aufweist. Außerdem kommt er mit den kleinen Ladeströmen sehr gut zurecht. Als Motortreiber kommen integrierte Endstufen zum Einsatz, da sie Leckströme von unter 100 nA besitzen. Ein Ultra-Low-Power-Mikrocontroller ist die Intelligenz des Systems und kontrolliert Antrieb, Positionierung, Kommunikation sowie das Powermanagement. Er verbraucht im Schlafmodus weniger als 3 µW, wird über einen Timer zyklisch aufgeweckt und kann alle nötigen Betriebsparameter messen.
Schlaf- und Wachphasen
Auch der kapazitive Positionssensor braucht nur noch einen Bruchteil der Energie früherer Systeme. Alle nicht benötigten Komponenten werden konsequent von der Energieversorgung getrennt, beispielsweise in der Sommerzeit, in der der TEG keine Energie liefert. Sobald die Heizperiode im Herbst beginnt, wacht das System automatisch wieder auf. Das Ventil ist für alle gängigen energiesparsamen Protokolle offen, z.B. Bluetooth Low Energy, Zigbee oder EnOcean.
Vereinfachte Darstellung eines TEG durch Seebeck-Effekt
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