Energy Harvesting: Eine Einführung

Unter „Energy Harvesting“ versteht man die Gewinnung von Energie aus externen Quellen wie Licht, Wärme, Bewegung oder elektromagnetischen Feldern sowie deren Speicherung als elektrische Energie in einer Batterie oder einem Kondensator zur späteren Nutzung. Das Prinzip besteht darin, dass eine kontinuierliche Zufuhr von Energie auf niedrigem Niveau geerntet werden kann, um kurzfristig eine höhere Energiemenge bereitzustellen. Die gespeicherte Energie wird in der Regel zur Stromversorgung drahtloser elektronischer Geräte mit geringem Energiebedarf genutzt, z. B. für Mikroprozessoren, Sensoren oder die drahtlose Netzwerkkonnektivität.

elektromagnetisches Spektrum von UV- und sichtbarem Licht

Abb. 1: Das elektromagnetische Spektrum von UV- und sichtbarem Licht

Gängige Umgebungsenergiequellen

Photovoltaik

Solarzellen können durch die Absorption von Lichtphotonen auch in Innenräumen nutzbare Mengen an Strom erzeugen. Die Leerlauf-Gleichstrom-Ausgangsspannung einer PV-Zelle liegt bei 100 Lux typischerweise zwischen 500mV und 800mV. Höhere Spannungen lassen sich erzielen, indem mehrere Zellen in Reihe geschaltet, größere Zellflächen verwendet oder die Zellen intensiverem Licht ausgesetzt werden. Unter Last sinkt die Ausgangsspannung deutlich, weshalb die optimale Belastung (Maximum Power Point) kontinuierlich nachgeregelt werden sollte, um Schwankungen der Lichtintensität auszugleichen.

Thermoelektrik

Wenn zwischen zwei ungleichen Leitern ein Temperaturgefälle besteht, wird zwischen ihnen ein elektrischer Strom erzeugt (dies ist als Seebeck-Effekt bekannt). Thermoelektrische Generatoren (TEG) nutzen diesen Effekt, um mithilfe von Halbleiterübergängen Umgebungswärme in elektrische Energie umzuwandeln und so nutzbare Mengen an Gleichstrom bereitzustellen. Die Gleichstromleistung steigt proportional zum Temperaturunterschied zwischen den heißen und kalten Verbindungsstellen sowie der Oberfläche des Generators.

Vibration

Die gebräuchlichsten Vibrationsenergie-Harvester verwenden eine federbelastete Masse, die einen Magneten innerhalb stationärer Spulen bewegt, um elektrischen Wechselstrom zu erzeugen. Ist das Masse-Feder-System auf die Hauptfrequenz der Vibration abgestimmt und befindet sich in Resonanz, können beträchtliche Energiemengen generiert werden.

Massenstrom

Durch die Bewegung von Flüssigkeiten oder Gasen wird eine kleine Turbine zur Stromerzeugung angetrieben. Solche Mikroturbinen können in Klimakanälen, Wasserleitungen oder an der Außenfläche von Fahrzeugen installiert werden, um den durch die Fahrzeugbewegung entstehenden Luft- oder Wasserstrom zur Erzeugung von Wechselstrom zu nutzen. Vortex-Shedding stellt eine alternative Methode zur Energiegewinnung aus Massenströmen dar und kommt ohne rotierende Bauteile aus (siehe Piezoelektrik).

Piezoelektrik

Sie wandelt eine mechanische Belastung in eine Hochspannung mit geringer Stromstärke um, die als Energiequelle für einen Harvester genutzt werden kann. Ein piezoelektrischer Sockel wird beispielsweise häufig mit einem vibrierenden Wirbelschleuderstab kombiniert, um mechanische Schwingungen in Wechselspannung umzuwandeln.

Elektromagnetik

Ein Gerät, das elektromagnetische Strahlung (elektrische Felder, Wi-Fi-Signale, Radiowellen) mithilfe einer Antenne empfängt und zur Erzeugung sehr geringer Leistungen (typischerweise im µW-Bereich) nutzt. Es wird überwiegend in Innenräumen eingesetzt. Bei Verwendung gerichteter Mikrowellenstrahlen an Außenstandorten kann jedoch auch eine deutlich höhere Leistung generiert werden.

Elektronische Komponenten eines Energiegewinnungssystems

Aufwärtswandler

Die meisten Energiequellen in der Umgebung liefern eine Ausgangsspannung, die zu niedrig ist, um direkt genutzt zu werden. Daher ist die erste Stufe eines Energiegewinnungssystems ein DC/DC-Aufwärtswandler. Dieser hebt die geringe Eingangsspannung auf ein höheres Spannungsniveau an, das zum Laden einer kleinen Batterie oder eines Superkondensators verwendet werden kann. Ein REH-Harvester akzeptiert beispielsweise Eingangsspannungen ab 0,05VDC und wandelt diese entweder auf 4,12VDC zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie oder auf 4,50VDC zum Laden eines 2-zelligen Superkondensators – auswählbar über einen Konfigurationspin.

Systemsteuerung

Ein Systemcontroller steuert das Laden und Entladen der Energiespeicherelemente, um sicherzustellen, dass sie weder überladen noch tiefentladen werden. Zudem generiert er Statussignale sowie ein Warnsignal bei drohendem Stromausfall, wenn die Last das Speicherelement vollständig entleert. Im Fall eines REH-Harvesters verfügt das Steuergerät zusätzlich über einen Batterie-Backup-Schalter, der die Last alternativ aus einer Primärzellenbatterie versorgt, wenn nicht ausreichend Umgebungsenergie zur Verfügung steht (z. B. bei einer Photovoltaikquelle während der Nacht).

Abwärtswandler

Die im Speicherelement (Batterie oder Superkondensator) gespeicherte Spannung ist variabel und nicht kurzschlussfest. Ein Abwärtswandler reduziert diese ungeregelte Eingangsspannung effizient auf eine stabile, fest definierte Ausgangsspannung, die kurzschlussfest ist. Der REH-Harvester enthält zwei unabhängige, geregelte Abwärtswandler, die 3,3VDC und 1,8VDC für die Stromversorgung der Anwendung bereitstellen.
Blockdiagramm des REH3.31.8 Energy-Harvester-Moduls mit Quelle, Backup, Speicher und Anwendung
  Serie Main Vout (V) Vin (V) Package Style
1 AC/DC, 4 W, Single Output RAC04NE-K/277 Series
Fokus Neu
12, 15, 24, 5, 9 85 - 305 Encapsulated 1.45"x0.94", Encapsulated 1.48"x0.97" (IP65)
2 DC/DC, Dual Output, SMD (pinless) REH Series
1.71 to 3.47 / 1.8 0.05 - 5 25 pad LGA
3 DC/DC, Dual Output REH-3.31.8-EVM-1 Series
1.71 to 3.47 / 1.8 0.05 - 5 Open Frame

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