Energieernte

Unter „Energy Harvesting“ versteht man das Sammeln von Energie aus einer externen Energiequelle wie Licht, Wärme, Bewegung oder EM-Felder und das Speichern dieser Energie in Form von elektrischer Energie in einer Batterie oder einem Kondensator zur späteren Verwendung. Das Prinzip besteht darin, dass eine kontinuierliche Zufuhr von Energie auf niedrigem Niveau geerntet werden kann, um kurzfristig einen höheren Energieertrag zu erzielen. Die gespeicherte Energie wird in der Regel zur Stromversorgung drahtloser elektronischer Geräte mit geringem Stromverbrauch verwendet, z.B. für Mikroprozessoren, Sensoren oder die Netzkommunikation.



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

Die gängigsten Umgebungsenergiequellen sind:

Photovoltaik

Solarzellen können durch die Absorption von Lichtphotonen auch in Innenräumen nützliche Mengen an Strom erzeugen. Die Leerlauf-Gleichstrom-Ausgangsspannung einer PV-Zelle liegt bei 100 Lux bei etwa 500V - 800mV, doch können höhere Spannungen erzeugt werden, indem mehrere Zellen in Reihe geschaltet werden, größere Zellen verwendet werden oder die Zellen einem stärkeren Licht ausgesetzt werden. Bei starker Belastung sinkt die Ausgangsspannung erheblich, sodass die optimale Belastung (maximaler Leistungspunkt) ständig angepasst (nachgeführt) werden sollte, um etwaige Änderungen 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 Elektrizität umzuwandeln und so nutzbare Mengen an Gleichstrom zu erzeugen. Die Gleichstromleistung steigt proportional zum Temperaturunterschied zwischen den heißen und kalten Verbindungsstellen und der Oberfläche des Generators.

Vibration

Die gebräuchlichsten Vibrationsenergie-Harvester verwenden eine federbelastete Masse, die einen Magneten innerhalb fester Spulen bewegt, um elektrischen Wechselstrom zu erzeugen. Wenn das Masse-Feder-System so abgestimmt ist, dass es mit der Hauptfrequenz der Vibration in Resonanz ist, kann es beträchtliche Mengen an Energie erzeugen.

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 angebracht werden, um aus dem durch die Fahrzeugbewegung erzeugten Luft- oder Wasserstrom Wechselstrom zu erzeugen. Vortex-Shedding ist eine alternative Methode zur Energiegewinnung aus Massenströmen, die keine rotierenden Teile hat (siehe Piezoelektrik).

Piezoelektrik

Es wandelt eine mechanische Belastung in eine Hochspannung mit geringem Strom um, die als Energiequelle für einen Harvester verwendet werden kann. Ein piezoelektrischer Sockel wird zum Beispiel häufig mit einem vibrierenden Wirbelschleuderstab verwendet, um die Schwingungen in eine Wechselspannung umzuwandeln.

Elektromagnetik

Ein Gerät, das elektromagnetische Strahlung (elektrische Felder, Wi-Fi-Signale, Radiowellen) mithilfe einer Antenne auffängt und nutzt, um eine sehr geringe Leistung (normalerweise µW) zu erzeugen. Es wird in Innenräumen verwendet. Es kann jedoch eine hohe Leistung erzeugt werden, wenn gerichtete Mikrowellenstrahlen als Quelle an Außenstandorten verwendet 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. Der Aufwärtswandler hebt die niedrige Eingangsspannung auf eine höhere Spannung an, die dann zum Laden einer kleinen Batterie oder eines Superkondensators verwendet werden kann. Ein REH-Harvester beispielsweise akzeptiert Eingangsspannungen ab 0,05VDC und erhöht die Spannung entweder auf 4,12VDC, um eine wiederaufladbare Batterie zu laden, oder auf 4,50VDC, um einen 2-zelligen Superkondensator zu laden (über einen Pin wählbar).

Systemsteuerung

Ein Systemcontroller steuert das Laden und Entladen der Energiespeicherelemente, um sicherzustellen, dass sie nicht überladen oder übermäßig entladen werden. Er erzeugt auch Statussignale und ein Warnsignal für einen drohenden Stromausfall, wenn die Last das Speicherelement vollständig entleert. Im Falle eines REH-Harvesters enthält das Steuergerät auch einen Batterie-Backup-Schalter, um die Last abwechselnd aus einer Primärzellenbatterie zu versorgen, wenn nicht genügend Umgebungsenergie zur Verfügung steht (z.B. bei einer Photovoltaik-Zellenquelle in der Nacht).

Abwärtswandler

Die im Speicherelement (Batterie oder Superkondensator) gespeicherte Spannung ist variabel und nicht kurzschlussfest. Der Abwärtswandler reduziert diese ungeregelte Versorgung effizient auf eine stabile, feste Ausgangsspannung, die kurzschlussfest ist. Der REH-Harvester enthält zwei unabhängige geregelte Abwärtswandler, die 3,3VDC und 1,8VDC für die Stromversorgung der Anwendung liefern.
  Series Current (A) Main Vout (V) Vin (V) Package Style
1 DC/DC, Dual Output, SMD (pinless) REH Series 1.71 to 3.47 / 1.8 0.05 - 5.0 25 pad LGA
2 DC/DC, Dual Output REH-3.31.8-EVM-1 Series 1.71 to 3.47 / 1.8 0.05 - 5.0 Open Frame

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