Energy Harvesting Energie ist überall – und sie lässt sich immer einfacher ernten

Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Sensornetzwerke und andere elektrische oder elektronische Systeme lassen sich dank Energy Harvesting ohne Akkus oder Stromanschluss betreiben. Wir verraten Ihnen, worauf es dabei ankommt.

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Evaluierungsplattform auf Basis eines zentralen ADP5090-Boards mit Ambeon-PV-Solarzellenmodul, mit der sich nicht nur einzelne Energy-Harvesting-Funktionen sondern sogar ein komplettes System evaluieren lassen.
Evaluierungsplattform auf Basis eines zentralen ADP5090-Boards mit Ambeon-PV-Solarzellenmodul, mit der sich nicht nur einzelne Energy-Harvesting-Funktionen sondern sogar ein komplettes System evaluieren lassen.
(Bild: Analog Devices)

Seit vielen Jahren ist Energy Harvesting ein interessantes Thema. Das Ziel, elektrische Systeme unabhängig von Batterie und Akkumulatoren oder auch einem Anschluss an das Stromnetz zu betreiben, ist doch sehr verlockend. Auf diese Weise können Kosten für den Austausch von Batterien entfallen. Diese können zwar recht niedrig sein, zum Beispiel beim Austausch einer Batterie in einer Armbanduhr, allerdings können sie auch sehr hoch sein, etwa wenn es um den Austausch einer Batterie geht, die z.B. einen entfernt liegenden und entsprechend schwer zugänglichen Sensor zum Messen von Flussgeschwindigkeit eines Gases in einer Rohrleitung versorgt.

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Wenn sich ein System mit lokal verfügbaren Energiequellen wie Temperaturunterschieden, Licht, Vibration oder anderer mechanischer Energie versorgen kann, werden Anwendungen möglich, die basierend auf einer Batterie nicht realisierbar wären. Ein Beispiel dafür ist das Überwachen von Wäldern, um Waldbrände zu erkennen. Mit genügend im Wald verteilten Sensoren kann ein Brand bereits sehr früh erkannt werden und die Löscharbeiten lassen sich zeitnah mit wesentlich geringerem Aufwand und Kosten ausführen.

Ein weiteres Beispiel ist das Anbringen von Sensoren an Bauwerken. Sensoren verteilt auf Straßen- und Eisenbahnbrücken können erkennen wann eine Renovierung dringend erforderlich ist, bevor die Verkehrssicherheit gefährdet ist. In beiden Beispielen werden zahlreiche Sensoren benötigt, die via Funk miteinander kommunizieren. Allerdings wäre bei einem solchen Konzept der notwendige periodische Austausch von Batterien viel zu aufwändig und zu teuer.

Geerntete Energie muss erst aufbereitet werden

Um ein autarkes, drahtloses System von Sensoren ohne Batterien und Anschluss an das Stromnetz zu betreiben, muss zunächst genügend elektrische Energie aus der Umgebung generiert werden. Diese muss dann hocheffizient in die jeweils benötigte Versorgungsspannung umgewandelt werden. Die funktionalen Bauteile des Systems wie beispielsweise die Sende- und Empfangsbauteile, sowie verwendete Mikrokontroller, müssen energiesparend arbeiten, damit die generierte elektrische Energie ausreichend ist.

Immer höhere Energieausbeute

Heute ist die Industrie an einem Punkt angelangt, an dem viele dieser interessanten Konzepte realisierbar sind. Die Harvester selber, Solarzellen und thermoelektrische Generatoren, haben ihre Energieausbeute besonders in üblichen Betriebsbedingungen erhöhen können. Mittlerweile gibt es optimierte Stromversorgungslösungen, die ein intelligentes Stromflussmanagement übernehmen und die von einem Harvester kommende Energie sehr effizient in nutzbare Versorgungsspannung für Elektronikbauteile umwandeln. Darüber hinaus gibt es heute eine große Auswahl an Funktransceivern und Mikrocontrollern, die mit extrem niedriger Energie arbeiten können. Deshalb kann man davon sprechen, dass sich Energy Harvesting in einem momentanen Reifungsprozess befindet.

Photovoltaik und thermoelektrische Quellen

Es werden die unterschiedlichsten Quellen für Energie verwendet. Sie unterscheiden sich sehr stark in ihrer Fähigkeit elektrische Leistung zur Verfügung zu stellen. In der Photovoltaik können Zellen mit einer Fläche von ca. 10 cm2 im Außenbereich Leistungen bis zu über 1 W generieren. Innerhalb von Räumen, bei künstlicher Beleuchtung, sinkt die zur Verfügung stehende elektrische Leistung auf ca. 100 µW. Bei thermoelektrischen Generatoren (TEG) kann je nach Temperaturdifferenz, mit ebenfalls ca. 10 cm2 Bauform, bei großen Temperaturunterschieden wie im industriellen Bereich eine elektrische Leistung von ca. 100 mW erzeugt werden. Bei Nutzung von Körperwärme und entsprechend niedrigeren Temperaturunterschieden sinkt dieser Wert auf wenige 100 µW ab.

Kombination verschiedener Harvester kann sinnvoll sein

In manchen Systemen kann es sinnvoll sein verschiedene Energy Harvester kombiniert zu betreiben. Ebenfalls können Primärzellbatterien zusätzlich zu Energy Harvesting eingesetzt werden. Der Vorteil von dieser kombinierten Lösung ist, dass die Betriebszeit wesentlich länger sein kann als eine Lösung mit nur einer Batterie als Eneergieversorgung.

Zwischenspeicher sichert kontinuierlichen Betrieb

Da Energy Harvester in vielen Anwendung keine kontinuierliche Energie liefern und es auch viele Systeme gibt, in denen die elektrische Last nicht kontinuierlich betrieben, sondern sporadisch aktiviert wird und sich zwischendurch in einem Ruhezustand befindet, ist eine Zwischenspeicherung der „geernteten“ Energie notwendig. Dies wird entweder mit „Super Caps“ oder mit Akkus ermöglicht. Super-Kondensatoren haben den Vorteil, dass sie einfach in der Handhabung und relativ kostengünstig sind. Der Nachteil ist jedoch, dass sie höhere Leckströme und im Vergleich zu Akkus recht kleine Kapazitätswerte haben.

Übliche Dünnfilmbatterien bieten hohe Kapazitäten, sind aber teurer und aufgrund ihrer Technologie nur für wenige tausend Ladezyklen ausgelegt. Bild 1 zeigt ein Energy-Harvesting-Stromversorgungskonzept mit der Möglichkeit, eine vorhandene Primärbatterie zuzuschalten, sowie mit einem zusätzlichen zentralen Energiezwischenspeicher zur Entkopplung von Generierung und Verbrauch elektrischer Energie.

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