Smarte Wissenschaft in einer Boje von Kyocera und der Universität Nagasaki zur Erfassung von Meeresdaten
Kyocera und die Universität Nagasaki haben eine intelligente Boje zur Erfassung von Meeresdaten entwickelt, die ihre Energie aus den Gezeiten bezieht. Ziel des Projekts ist es, die Wissenschaft dabei zu unterstützen, das Wissen über den Ozean zu vergrößern.
- Unternehmen
Kyoto/Neuss − Die Universität Nagasaki und das Unternehmen Kyocera haben gemeinsam eine smarte Boje entwickelt, die Energie aus ihrer Umgebung gewinnt. In dem Projekt mit dem Titel „Energy Harvesting Smart Buoy“, trifft das von der Universität Nagasaki entwickelte System zur Stromgewinnung aus Gezeitenbewegungen auf Kyoceras langjährige Erfahrung mit IoT-Technologien. Ziel der Erfindung ist es, Meeresdaten zuverlässig und langfristig zu erfassen.
Im Rahmen eines Pilotprogrammes konnte ein mit 21 Sensoren ausgestatteter Prototyp bereits Daten zur Wassertemperatur, Luftfeuchtigkeit und Strömungsrichtung aufzeichnen. Zukünftige Versionen sollen beispielsweise auch Sensoren beinhalten, die temperaturabhängige Salzgehaltsveränderungen, Wassertrübungen durch Chlorophyll sowie temperaturabhängige Veränderungen von gelösten Sauerstoffkonzentrationen erfassen.
Links: SLTT (Small Lens-type Tidal Turbines, deutsch: kleine linsenartige Tidenturbinen)
Rechts: VTT (Vertical-axis Tidal Turbines, deutsch: Vertikalachsen-Tidenturbinen）
1. Hintergründe der Entwicklung
Die Verschmutzung der Meere und der Klimawandel stellen ernste gesellschaftliche Probleme dar. Um evidenzbasierte Lösungsansätze zu verfolgen, benötigen Wissenschaftler daher zuverlässige Möglichkeiten für die Erfassung und Veranschaulichung der unterschiedlichen Meereszustände. Die Gewährleistung einer stabilen Stromversorgung stellt dabei jedoch eine enorme Herausforderung dar.
Aus diesem Grund haben die Universität Nagasaki und Kyocera die Energy Harvesting Smart Buoy entwickelt: Eine smarte Boje, die mit einem System zur Stromgewinnung aus Gezeitenbewegungen ausgestattet ist und so den elektrischen Strom für eine fortlaufende Sammlung von Meeresdaten selbst erzeugen kann. Darüber hinaus plant Kyocera, diese neuartige Technologie auch für weitere Projekte zu nutzen, beispielsweise zur Überwachung von Fischgründen und Aquakulturen oder zur Anwendung in ozeanografischen Erhebungen.
2. Übersicht der Prototypen
Das von Kyocera entwickelte GPS-Multi-Gerät sowie angeschlossene Sensoren versorgen jede Energy Harvesting Smart Buoy mit Strom1. Bei dem GPS-Multi-Gerät handelt es sich um ein kompaktes IoT-Gerät von Kyocera, das mit verschiedenen Sensoren und Antennen ausgestattet und mit GPS-, GLONASS- und Michibiki2 Positionsverfolgungssystemen kompatibel ist.
Jeder Prototyp ist mit zwei verschiedenen Systemen zur Stromerzeugung aus Gezeiten ausgestattet:
• SLTT (Small Lens-type Tidal Turbines) - Boje und Stromerzeugung sind getrennt. Ein Diffusor wurde um die Turbine herum eingebaut. Neben dem Schutz der Turbine bewirkt der Diffusor, dass der Wasserzulauf erhöht wird, was zu einer verbesserten Stromerzeugung führt.
• VTT (Vertical-axis Tidal Turbines) - Das Element für die Stromerzeugung ist direkt mit der Boje verbunden. Ein KI-gestütztes Design ist mit einer Schwenkachse bestückt, um die Turbinenrotation bei starkem Wellengang zu optimieren.
| SLTT | VTT | |||
| Abmessungen | Gesamt: ca. 1800 mm Boje: 520 mm × 500 mm Generator: 400 mm × 507 mm |
Gesamt: ca. 910 mm Boje: 520 mm × 500 mm Generator: 400 mm × 20 0mm |
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| Gewicht | ca. 32 kg | ca. 31 kg | ||
| Batterie |
Gezeiten-Stromerzeugung + Sekundärbatterie（54.000 mA） | |||
| Externer Sensor |
Strommesser (Fließgeschwindigkeit, Fließrichtung und Wassertemperatur) |
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| Interner Sensor |
Temperatur und Feuchtigkeit/Beschleunigung/Ladestrom/Batteriespannung/ Leckageortung |
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| Standortinformationen | GPS / GLONASS / Michibiki2 | |||
| Antenne | eingebaut | |||
| Kommunikationsmethode | LTE3 Cat.M1（LTE-M） | |||
| Kompatible Mobilfunkbänder |
B1/B8/B19/B26 | |||
| SIM | Nano-SIM | |||
3. Aufgabe der jeweiligen Organisation
| Name der Organisation | Aufgabe |
|---|---|
| Universität Nagasaki | Turbinengestaltung für Gezeiten-Stromerzeugung optimiert. |
| Kyocera | Entwicklung von verschiedenen Sensorsteuerungen, Leistungssteuerung, Bojendesign, Cloud-Anwendungen und mobilen Anwendungen.4 |
4. Pilottest-Ergebnisse auf See
Die Universität Nagasaki und Kyocera führten über den Zeitraum von neun Tagen einen Pilottest bei Springtide und Niedrigwasser innerhalb des Gezeitenzyklus durch. Beim Test wurden 21 Sensoren zur Datenerfassung eingesetzt. Die Daten wurden anschließend in die Cloud übermittelt, darunter Daten zur Beschleunigung, Temperatur und Feuchtigkeit (durch Einsatz von geomagnetischen Sensoren in der Boje), Wassertemperatur, Fließgeschwindigkeit, Stromrichtung, Batteriestrom und Spannung (durch Einsatz eines externen elektrischen Stromsensors). Die durchschnittliche Menge der Stromerzeugung und des Stromverbrauchs belief sich während der Testdauer auf:
Testergebnisse SLTT
| Durchschnittliche Stromerzeugung | 16,3 Wh |
|---|---|
| Durchschnittlicher Stromverbrauch |
15,2 Wh |
| Abtastintervall |
5 Minuten |
| Datenübertragungsintervall | 5 Minuten |
5. Zukünftige Initiativen
Auf Basis der bisherigen Ergebnisse, werden zukünftig weitere Tests, vornehmlich in der Präfektur Nagasaki, durchgeführt werden, um die Untersuchung der Meere voranzutreiben. Die beteiligten Organisationen planen dafür den Einsatz der Sensoren für die Erfassung von Temperatur und Salinität (Temperatur, Salinität und elektrische Leitfähigkeit), von Wassertrübung durch Chlorophyll (Chlorophyll, Wassertrübung und Wassertemperatur) und von gelöstem Sauerstoff (gelöster Sauerstoff und Wassertemperatur) sowie die Integration einer Unterwasserkamera. Für kommerzielle Versionen der Boje sollen zudem die Größe und das Gewicht reduziert werden, um dadurch Leistung und Prozesse zu optimieren. Darüber hinaus wird Kyocera eine IoT-Plattform zur Speicherung der gesammelten Daten schaffen.
*1 Mit einer seriellen Mehrzweckschnittstelle (RS-485) ausgestattet kann es die Sensoren je nach Anwendung verbinden.
*2 GLONASS ist ein russisches satellitengestütztes Positionsverfolgungssystem. Michibiki ist ein japanisches System zur satellitengestützten Positionsverfolgung, das hauptsächlich Quasi-Zenit-Satelliten einsetzt.
*3 LTE ist ein eingetragenes Warenzeichen von ETSI.
*4 PAL Co. und Shinei Kogyo LLC, die beide in Nagasaki City ansässig sind, haben bei der Herstellung des Prototyps der Boje zusammengearbeitet.
