Energy Harvester zur netzunabhängigen Stromversorgung

Energiegewinnung aus der Umwelt oder durch die Bewegung oder die Physiologie von Lebewesen wird unter dem Begriff Energy Harvesting geführt. Mithilfe der gewonnenen elektrischen Energie können energie-autarke Systeme, wie Sensorknoten oder intelligente Implantate, ohne Batterien betrieben werden. Welche Techniken in Form von entsprechenden Harvesting-Elementen am Markt verfügbar sind und für welche Einsatzgebiete sie sich eignen, wird in diesem Beitrag behandelt

Wind-, Wasser- und Sonnenenergie werden bereits seit Jahrtausenden geerntet. Wenn man so will, ist das Energy Harvesting, was mitunter auch als Energy Scavenging bezeichnet wird - deshalb im Prinzip nichts Neues, sondern vielleicht nur ein zugkräftiger Sammelbegriff für altbekannte Verfahren. Bei genauerer Betrachtung ist dem jedoch nicht so, denn mit Energy Harvesting ist im Zusammenhang mit der Mikroelektronik das Micro Energy Harvesting (MEH) gemeint, wo vergleichsweise geringe Energiemengen zum Betrieb elektronischer Schaltungen ausreichen müssen. Das primäre Ziel ist dabei nicht in erster Linie, möglichst viel Energie zu ernten, sondern dass eine bestimmte Anwendung mit der zur Verfügung stehenden Energie effektiv betrieben werden kann

Entscheidend für die Wahl eines geeigneten Harvesting-Prinzips ist die Umgebung, in der das System arbeiten soll. Die unterschiedlichen Energiequellen wie Licht, Vibration oder Temperatur müssen im entsprechenden Umfeld in ausreichendem Maße zur Verfügung stehen[...] Der Forschungsbedarf ist hier auf vielen Feldern noch ganz beträchtlich, insbesondere für die Versorgung von autonom arbeitenden Geräten; vieles funktioniert bisher nur im Labor. Im Folgenden wird deshalb auf diejenigen Energy-Harvesting-Elemente eingegangen, die es in Form funktionierender und käuflich zu erwerbender Produkte gibt und die damit für eigene Entwicklungen nutzbar sind.

Solarzellen

Bei genauerer Betrachtung der möglichen Energiequellen stellt sich schnell heraus, dass die Strahlungsenergie der Sonne die mächtigste Energieressource ist. Somit bieten Solarzellen ein großes Potential[...] Zur Charakterisierung von Solarzellen für Außenanwendungen gibt es die Standard Test Conditions (STC [2]), bei denen eine Lichtintensität von 1000 W/m² zugrunde gelegt wird. Die Intensität der Sonneneinstrahlung beträgt auf der Erde 1367 W/m² für eine senkrechte Einstrahlung. Ein vergleichbarer Standard für Innenraumanwendungen, wo die Lichtintensität bei wenigen W/m² liegt, ist bisher jedoch nicht definiert. Somit unterscheiden sich die Referenzbedingungen in den Datenblättern erheblich, was einen Vergleich der Produkte deutlich erschwert.

Die Beleuchtung in Innenräumen erfolgt oftmals mit Leuchtstoffröhren oder vergleichbaren Leuchtmitteln, deren Lichtspektren stark vom natürlichen Sonnenspektrum abweichen. Es hat sich gezeigt, dass herkömmliche kristalline Solarzellen für den Einsatz im Innenraum eher ungeeignet sind, da sie bei schwacher Lichtintensität einen charakteristischen Spannungs-rückgang aufweisen. Bessere Ergebnisse werden mit amorphen (z.B. Sinoar SS3513 [3], Sanyo AM-1815 [4]) oder monokristallinen Solarzellen (z.B. IXYS XOB17 [5]) erzielt, deren maximale interne Quantenausbeute, welche das Verhältnis zwischen einfallenden Photonen und freigesetzten Elektronen angibt, bei einer Wellenlänge von 520 nm liegt und sich mit dem Maximum der Leistungsdichte weißer Leuchtstoffröhren deckt.

Thermogeneratoren

Harvester mit vergleichsweise hoher Leistungsabgabe (Tabelle) sind neben den Solarzellen die Thermogeneratoren. Sie arbeiten unter Ausnutzung des Seebeck- oder des Peltier-Effektes. Zur technischen Anwendung sind zwei elektrische Leiter notwendig, die sich in ihrem Seebeck-Koeffizienten unterscheiden. Werden diese beiden Leiter verbunden, liegt die Funktion eines Thermoelementes oder Thermopaares vor. Typische Materialpaarungen sind Nickel-Chrom/Nickel oder Platin-Rhodium/Platin. Während Seebeck diesen Effekt mit dem ersten Thermoelement präsentierte, gelang Peltier der umgekehrte Vorgang, in dem Temperaturdifferenzen durch das Anlegen einer Spannung erzeugt wurden.

Der so genannte Peltier-Effekt tritt auf, wenn zwei Leiter mit unterschiedlichen Wärmekapazitäten miteinander in Kontakt gebracht werden und durch einen von außen angelegten elektrischen Strom Elektronen aus dem einen Leiter in den anderen fließen. Peltier-Elemente werden traditionell zur Kühlung verwendet und verfügen über eine heiße und eine kalte Seite. Gleichwohl können aber auch Peltier-Elemente umgekehrt aus Temperaturdifferenzen elektrischen Strom erzeugen, sofern sie aus geeigneten Materialien aufgebaut sind.

Für die Versorgung von elektronischen Schaltungen sind die dabei auftretenden Spannungen wie beim traditionellen Seebeck-Effekt jedoch zu gering. Abhilfe ist mit speziellen DC/DC-Wandlern möglich, wie es die Firma EnOcean GmbH mit dem Thermoenergiewandler ECT 310 [6] praktiziert. Dieser DC/DC-Wandler arbeitet bereits ab einer Spannung von 20 mV. Je größer die Temperaturdifferenz, desto höher fällt auch die Spannung bzw. die Energie aus, die der nachgeschalteten Elektronik zur Verfügung gestellt werden kann.

Elektrodynamische Wandler

Elektromagnetische- und elektrodynamische Energiewandler basieren auf der elektromagnetischen Induktion. Nach diesem Prinzip funktionieren die „drahtlosen Schalter“ der Firma EnOcean [11], die für unterschiedliche Produkte wie Lichtschalter (z.B. von Jäger, Steute, Peha), Lampen (z.B. von Osram), Raumtemperaturregler (z.B. von Thermokon) oder Jalousiesteuerungen (z.B. von Akktor) bereits von zahlreichen Firmen eingesetzt werden.

Die Bedienelemente (Schalter, Regler) kommen dabei ohne Kabelverbindungen aus und können deshalb nahezu beliebig ohne Installationsaufwand in Räumen platziert werden. Beim Drücken auf ein derartiges Schalterelement wird intern eine magnetische Metallzunge (Bild 5) bewegt, wodurch ein Strom in einer Spule induziert wird.

Die dabei erzeugte Leistung (ca. 50 μW) reicht aus, um mithilfe eines Mikrocontrollers und eines Funksenders ein Datentelegramm an einen entsprechenden Empfänger (mit Aktor) auszusenden, welches ca. 1 ms dauert[...] Die Schaltinformation wird fast zeitgleich über die Kontakte der Schalterwippen generiert. Beim Loslassen des Schalters wird ein weiteres Datentelegramm abgesetzt, so dass damit eine vollständige An/Aus-Information vorliegt. Aufgrund der kurzen Datentelegramme ist die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen gering und Interferenzen mit anderen Funksystemen sind unwahrscheinlich. Weil in Sensornetzen eher geringe Datenmengen anfallen, die auch nur mit einer verhältnismäßig geringen Datenrate transportiert werden müssen, eignet sich die EnOcean-Funktechnik auch sehr gut für den Aufbau von Sensorknoten.

(Quelle www.elektroniknet.de, 11.07.2011)