Energy Harvesting: Umgebungsenergie für Niedrigleistungssysteme

Unter „Energy Harvesting“ versteht man die Energiegewinnung aus Umgebungsenergie 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 kontinuierlich verfügbare Energiemenge auf niedrigem Leistungsniveau gesammelt und zwischengespeichert wird, um bei Bedarf kurzfristig eine höhere Leistung bereitzustellen. Die gespeicherte Energie wird in der Regel zur Stromversorgung drahtloser elektronischer Niedrigleistungsgeräte genutzt, beispielsweise für Mikroprozessoren, Sensoren oder drahtlose Kommunikationsmodule.

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 höherer Beleuchtungsstärke 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 (Seebeck-Effekt). Thermoelektrische Generatoren (TEG) nutzen diesen Effekt, um mithilfe von Halbleiterübergängen Umgebungswärme in elektrische Energie umzuwandeln und nutzbare Gleichstromleistung bereitzustellen. Die abgegebene Leistung steigt proportional zum Temperaturunterschied zwischen den heißen und kalten Kontaktstellen sowie zur aktiven Oberfläche des Generators.

Vibration

Die gebräuchlichsten Vibrationsenergie-Harvester verwenden eine federbelastete Masse, die einen Magneten innerhalb stationärer Spulen bewegt, um Wechselstrom zu erzeugen. Ist das Masse-Feder-System auf die dominante Schwingungsfrequenz abgestimmt und arbeitet im Resonanzbereich, kann eine deutlich höhere elektrische Leistung generiert werden.

Massenstrom

Durch die Bewegung von Flüssigkeiten oder Gasen wird eine kleine Turbine zur Energiegewinnung angetrieben. Solche Mikroturbinen können in Klimakanälen, Wasserleitungen oder an Fahrzeugen installiert werden, um Luft- oder Flüssigkeitsströmungen 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

Piezoelektrische Materialien wandeln mechanische Belastung in eine Hochspannung mit geringer Stromstärke um, die als Energiequelle für einen Harvester genutzt werden kann. Ein piezoelektrisches Element wird beispielsweise häufig mit einer vibrierenden Struktur kombiniert, um mechanische Schwingungen in elektrische Wechselspannung umzuwandeln.

Elektromagnetik

Ein System zur Nutzung elektromagnetischer Energie erfasst elektrische Felder, Wi-Fi-Signale oder Radiowellen mithilfe einer Antenne und wandelt diese in sehr geringe elektrische Leistung um (typischerweise im µW Bereich). Es wird überwiegend in Innenräumen eingesetzt. Bei Verwendung gerichteter Mikrowellenstrahlung im Außenbereich kann jedoch eine deutlich höhere Leistung erzielt werden.

Elektronische Komponenten eines Energiegewinnungssystems

Aufwärtswandler

Die meisten Quellen der Umgebungsenergie liefern eine Ausgangsspannung, die für eine direkte Nutzung zu niedrig ist. 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 Batterie oder eines Superkondensators geeignet ist. 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 Überladung und Tiefentladung zu verhindern. Zudem erzeugt er Statussignale sowie ein Warnsignal bei drohendem Stromausfall, wenn die Last das Speicherelement vollständig entleert. Im Fall eines REH-Harvesters verfügt das System 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 Spannung effizient auf eine stabile, fest definierte und kurzschlussfeste Ausgangsspannung. Der REH-Harvester enthält zwei unabhängige, geregelte Abwärtswandler, die 3,3VDC und 1,8VDC für die Versorgung 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 RECOM | RAC04NE-K/277 Series | AC/DC, 4W, Single Output
Fokus
12, 15, 24, 5, 9 85 - 305 Encapsulated 1.45"x0.94", Encapsulated 1.48"x0.97" (IP65)
2 RECOM | REH Series | DC/DC, SMD (pinless), Dual Output
1.71 to 3.47 / 1.8 0.05 - 5 25 pad LGA
3 RECOM | REH-3.31.8-EVM-1 Series | DC/DC, Dual Output
1.71 to 3.47 / 1.8 0.05 - 5 Open Frame

Sie haben nicht gefunden, wonach Sie gesucht haben?

Nutzen Sie unsere parametrische Suche oder finden Sie einen Vertriebspartner in Ihrer Nähe.

Parametrische Suche

Finden Sie Produkte anhand Ihrer definierten Spezifikationen.

Vertriebs-Support

Für verkaufsbezogene Anfragen in Ihrer Region.