Energy Harvesting Energie umgibt uns immer und überall – wir müssen sie nur ernten

Autor / Redakteur: Tony Armstrong * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Energie ist überall – und mit geeigneten „Erntewerkzeugen“ wie thermoelektrischen Generatoren, Piezo-Elementen oder Solarzellen lässt sie sich nutzen. Wir verraten Ihnen, worauf es dabei ankommt.

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Energie ist überall: mit geeigneten „Erntewerkzeugen“ wie thermoelektrischen Generatoren, Piezo-Elementen, Solarzellen oder galvanischen Elementen lässt sie sich aus einer Vielfalt von Quellen gewinnen
Energie ist überall: mit geeigneten „Erntewerkzeugen“ wie thermoelektrischen Generatoren, Piezo-Elementen, Solarzellen oder galvanischen Elementen lässt sie sich aus einer Vielfalt von Quellen gewinnen
(Bild: Gerd Altmann/pixelio.de)

Überall um uns herum ist Energie – jede Menge und die konventionelle Methode der Ernte dieser Energie erfolgt durch Solarzellen und Windgeneratoren. Neue Erntewerkzeuge erlauben es uns nun jedoch, elektrische Energie aus einer Vielfalt von weiteren Quellen in der Umgebung zu gewinnen.

Außerdem ist dabei nicht der Wirkungsgrad der Schaltungen zur Energiewandlung wichtig, sondern die Menge der „durchschnittlich geernteten“ Energie die verfügbar ist, um diese Schaltungen zu betreiben. Thermoelektrische Generatoren wandeln beispielsweise Wärme in Elektrizität um, Piezo-Elemente wandeln mechanische Vibrationen, Photovoltaik wandelt Sonnenlicht (oder jede andere Photonenquelle) um und Galvanische Elemente wandeln Energie aus Feuchtigkeit.

Dies ermöglicht es, entfernte Sensoren zu betreiben, oder ein Speicherelement wie einen Kondensator oder eine Dünnfilmbatterie aufzuladen, so dass ein Mikroprozessor oder ein Transmitter von einem entfernten Ort aus ohne lokale Stromquelle mit Strom versorgt werden können.

Der Wirkungsgrad des DC/DC-Wandler ist nicht entscheidend

Man könnte denken, dass der Wirkungsgrad der Wandlung des DC/DC-Wandlers der kritischste Faktor im gesamten Energy-Harvesting-Prozess ist – was jedoch nicht der Fall ist. Worauf es wirklich ankommt, ist der Wirkungsgrad des gesamten drahtlosen Sensorknotens (wireless sensor node = WSN).

Die Begründung ist einfach: wenn bekannt ist, wie viel der umgebenden Energie für das System verfügbar gemacht werden kann, so lässt sich der Arbeitstakt jeder der Messwerterfassungen und Übertragungen bestimmen. Es ist deshalb der Wirkungsgrad dieser „Gesamtwandlung“ der die Eignung der Implementierung für eine gegebene Applikation bestimmt.

Auch kleinste Energiemengen lassen sich nutzen

Modernste und handelsübliche Energieerntetechniken, z.B. zum Ernten von Energie aus Vibrationen oder Photovoltaikzellen für Innenräume, gewinnen unter üblichen Einsatzbedingungen Leistungsmengen in der Größenordnung von wenigen Milliwatt. Obwohl solche Leistungsmengen nicht ausreichend erscheinen mögen, kann der Betrieb von Energieernte-Elementen über einige Jahre bedeuten, dass die Techniken voll kompatibel zu langlebigen Primärbatterien sind, sowohl bezüglich der Energiebereitstellung als auch den Kosten der Energie pro Einheit.

Außerdem sind Systeme, die die Energieernte beinhalten, üblicherweise in der Lage nach einer vollständigen Entleerung wieder voll aufzuladen, etwas, was Systeme, die von Primärbatterien betrieben werden, nicht können.

Vielfältige Energiequellen in unserer Umgebung

Tabelle 1: Energiequellen und die Energiemenge, die sie generieren können
Tabelle 1: Energiequellen und die Energiemenge, die sie generieren können
(Bild: Linear Technology)
Energiequellen in der Umgebung sind Licht, Wärmeunterschiede, vibrierende Stäbe, übertragene HF-Signale oder einfach nur jede andere Quelle, die elektrische Energie über einen Transducer generieren kann. Tabelle 1 illustriert die Energiemenge, die von den unterschiedlichen Energiequellen gewonnen werden kann.

Es gibt eine Unmenge an Anwendungen in denen diese Leistungsmengen für einen Systemeinsatz geeignet sind. Hier nur einige wenige Beispiele:

  • Korrosionssensoren in Flugzeugen,
  • automatisch abdunkelnde Fenster,
  • Brückenüberwachung,
  • Gebäudeautomatisierung,
  • elektrische Verbrauchsmesser,
  • Gassensoren,
  • Gesundheitsüberwachung,
  • Steuerungen für Heizung, Lüftung und Klimaanlagen,
  • Lichtschalter,
  • entfernte Pipelineüberwachung,
  • Uhren und
  • Wasser-Verbrauchsmesser.

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