Was ist Energy Harvesting (EH)?

Verschwendung vs. Chance

„Des einen Müll ist des anderen Schatz“. In der Elektronikbranche, insbesondere in Anwendungsbereichen wie Rechenzentren, die viel Platz und Strom für Lösungen zur Wärmedämmung verbrauchen, werden viel Zeit, Geld und sogar Energie in das Thema „Abwärme“ investiert. In diesem Dokument werden solche Wärmequellen (zusammen mit anderen Energiequellen) als Möglichkeiten zur Energierückgewinnung betrachtet.

Die Diskussion über Abfälle drehte sich immer darum, wie man sie loswerden kann, aber mit der Perspektive, dass jede verfügbare Energie eine potenzielle Energiequelle ist, ändern sich die Aussichten und der Ansatz für den Umgang mit Abfällen völlig. Sowohl in den USA als auch weltweit fallen etwa zwei Drittel der gewonnenen Rohenergie in die Kategorie „Abwärme“, was eine enorme Chance darstellt, wie wir weiter ausführen werden.

Quelle vs. Last

In einem früheren Blog über das Internet of Things (IoT) und das Industrial IoT (IIoT) wurde die Bedeutung eines ausgewogenen Verhältnisses zwischen verfügbarer Energie (z. B. Systemleistungsquelle) und Last (z. B. Systemleistungsbudget) erörtert, und es wurde betont, dass die Reduzierung der Lasten viel wichtiger als die Suche nach einer größeren Quelle ist. Eine kurze Auffrischung bietet die nachstehende Abbildung.

Wie die Abbildung unten gezeigt, stellen Sie sich die Energiequelle als Nenner und das Systemleistungsbudget als Zähler vor. Die Lebensfähigkeit des Systems ist der Wendepunkt, an dem sich diese beiden Größen treffen und man den Zähler viel schneller verringern, als den Nenner erhöhen kann. Mit anderen Worten, wenn das Verhältnis < 1 wird,



Die entscheidende Erkenntnis ist, dass die technische und wirtschaftliche Realisierbarkeit Ihres Systems weit mehr von der Fähigkeit des Entwicklers abhängt, den Stromverbrauch des Systems zu senken und intelligente Strommanagementtechniken (IPM) zu implementieren, als von der Suche nach einer größeren, dichteren Batterie und/oder effizienteren Stromversorgungslösungen.

Die Batteriekapazität verdoppelt sich nur etwa alle zehn Jahre, während integrierte Schaltkreise (ICs) und sogar MEMS-Sensoren von mikroelektromechanischen Systemen den Stromverbrauch fast jedes zweite Jahr halbieren und dennoch die Funktionalität erhöhen können. Dies beweist die Überlegenheit der Forschung im Bereich des Energiemanagements gegenüber Verbesserungen bei den Batterien.

Was ist Energy Harvesting?

Unter Energy harvesting (EHT) versteht man die Gewinnung und Umwandlung kostenloser Energien aus der Umgebung. Aus diesem Grund wird es auch als „Energy Scavenging“ bezeichnet. Wir können jede Art von Energie ernten, die uns die Physik zur Verfügung stellt, darunter:

• Solarenergie (thermisch, photovoltaisch oder PV),
• Kinetische Energie (elektrodynamisch, schwingend),
• Thermoelektrische, piezoelektrische Energie (mechanisch induziert),
• Hochfrequenz (RF) (Nahfeld, Fernfeld), und
• Triboelektrische Energie (statische Elektrizität).

Jeder Wandler ist eine potenzielle EH-Quelle, aber dieser Beitrag konzentriert sich auf Lösungen, die für EH-Anwendungen optimiert sind.

EH-Modalitäten werden je nach ihrer ursprünglichen Leistung in die Kategorien Wechselstrom- oder Gleichstromgeräte eingeteilt. Die gängigsten gleichstrombasierten EH-Geräte sind PV und thermoelektrische Geräte. Die gängigsten wechselstrombasierten EH-Geräte sind piezoelektrische, HF- und andere mechanisch-dynamische EH-Quellen wie Vibrationen, Turbinen und magnetisch angetriebene elektrodynamische Wandler. Jede dieser Quellen hat ihre eigenen Nuancen und Herausforderungen, daher ist zu beachten, dass alle integrierten Stromversorgungsschaltungen (Power Management Integrated Circuits, PMICs) keine Einheitsschaltung für jede EH-Quelle sind.

EH hat in den letzten Jahrzehnten einen sehr langen Weg zurückgelegt, sowohl was den technologischen Fortschritt als auch praktischen Anwendungen angeht. Vor etwa zehn Jahren, insbesondere vor dem Aufkommen des IoT/IIoT, gab es einige verbreitete Missverständnisse über EH-Technologien. Der erste Irrglaube war, dass EH eine vernachlässigbare Menge an Energie für nützliche Anwendungen erzeugt. Wir werden dieses Thema in Kürze genauer untersuchen, aber es ist sehr eng mit der vorherigen Diskussion über Quelle vs. Last verknüpft.

Eine weitere Fehleinschätzung war, dass EH ein akademisches Laborexperiment war, dem eine Produktionslieferkette und ein unterstützendes Ökosystem für großvolumige Entwicklungen fehlte. Viele der Bestandteile dessen, was schließlich zum Power-IoT-Ökosystem wurde (das später ausführlicher beschrieben wird), existieren schon seit seit Jahrzehnten und stammen aus industriellen Quellen (von frischen Start-ups bis hin zu den größten Halbleiterunternehmen), noch bevor sie so bekannt oder in einem Ökosystem koordiniert waren, wie sie es heute sind.

Ein erfolgreiches EH-basiertes System erfordert viele technologische Beiträge, von EH-Wandlern über Energiespeicher (Batteriemanagementsysteme [BMS]), integrierte Schaltkreise für das Energiemanagement (PMIC) und optimale Lasten (Mikrocontroller, Speicher, Funkgeräte, Sensoren, Anzeigen usw.). Der wohl grundlegendste Teil dieser Komponenten ist das PMIC, da es im Wesentlichen als „Gehirn“ eines EH-basierten Systems fungiert, indem es die EH-Energiegewinnung und das Energiemanagement steuert und sogar das BMS integriert, alles in einem einfachen Steuer-IC (fast immer mit einem Footprint unter 10 x 10 mm). EH-PMIC-Lösungen von Unternehmen wie Texas Instruments und Linear Technologies (jetzt Analog Devices) sind bereits seit etwa zwei Jahrzehnten auf dem Markt, also etwas zu früh für den IoT-Boom. Ein Beispiel für ein typisches PMIC-Blockdiagramm finden Sie unten in Abbildung 4. Es gibt heute sogar IoT-Module von der Stange.

Die vielleicht größte Fehleinschätzung im Zusammenhang mit EH und damit das größte Hindernis für die allgemeine Einführung von EH sind die Kosten. Die Kostenbewertung kann etwas schwierig sein, da jede Art von Kosten-Nutzen- oder Gesamtbetriebskosten-Analyse (TCO) in hohem Maße vom System, der Anwendung und der Betriebsumgebung abhängig ist.

Diese Komplexität und anwendungsspezifische Analyse ist der Hauptgrund dafür, dass EH-Technologien in vielen Anwendungsfällen als nicht wirtschaftlich angesehen werden.

Ein häufiger Fehler besteht darin, sich nur auf eine Analyse erster Ordnung zu konzentrieren und die Stücklistenkosten vor und nach der Anwendung von EH-Technologien zu vergleichen.

Auf den ersten Blick mag es nicht sehr logisch erscheinen, eine Knopfzellenbatterie, die (bei hohen Stückzahlen) vielleicht <$1 kostet, durch eine EH-Lösung zu ersetzen, die mehrere Dollar kostet, selbst wenn man die Vorteile der Nachhaltigkeit, der erhöhten Zuverlässigkeit und des autarken Einsatzes bedenkt. Man muss jedoch die Auswirkungen auf die Kosten zweiter Ordnung (und darüber hinaus) berücksichtigen, um eine richtige Analyse durchzuführen.

Ein detaillierter Überblick über solche Analysen würde zwar den Rahmen dieser Diskussion sprengen, aber ein einfaches Maß sind die Kosten für Austausch und Wartung. Wenn die billige Knopfzelle jemals ausgetauscht werden muss, ist ein menschliches Eingreifen erforderlich, z.B. eine Auto-Fahrt und/oder spezielle Ausrüstung, um schwierige Stellen in rauen Umgebungen zu erreichen, was bedeutet, dass die Kosteneinsparungen durch die Stückliste um viele Größenordnungen geringer ausfallen. Zusätzliche Kosteneinsparungen, die durch den Einsatz von EH-Technologien in Bezug auf Kapital- und Betriebskosten (CAPEX & OPEX) erzielt werden, werden weiter unten erläutert.

Was ist kein EH?

Die drahtlose Energieübertragung (Wireless Power Transfer, WPT) ist heutzutage in stromsparenden, ungebundenen Anwendungen weit verbreitet und wird zum drahtlosen Laden von Geräten wie Smartphones, Uhren oder Zahnbürsten verwendet. Leider wird WPT häufig mit EH in Verbindung gebracht oder im schlimmsten Fall falsch dargestellt, obwohl dies selten vorkommt. Es gibt nur sehr wenige WPT-Anwendungen, die darauf ausgelegt sind, HF-Energie aus der Umgebung für andere Energiequellen zu nutzen.

Der weitaus größte Teil der WPT-Nutzung ist eigentlich nur die Übertragung von Strom aus einer gerichteten Quelle (in der Regel offline oder aus der Wand), wobei eine der „Leitungen“ zufällig eine Funkverbindung ist. Es handelt sich also nicht um HF-“Ernte“, sondern um eine sehr ineffiziente Stromübertragung aus der Wand. Abgesehen davon hat WPT sicherlich einen Platz im Power IoT-Ökosystem und kann viele EH-Anwendungen und Anwendungsfälle hervorragend ergänzen, aber man sollte die Semantik und die Auswirkungen trotzdem gut verstehen.

WPT eignet sich zum Beispiel für Anwendungen, bei denen eine brauchbare Energiequelle einfach nicht verfügbar und/oder zugänglich ist. Beispiele für solche Anwendungen sind drahtlose Sensornetzwerke (WSN), die in Strukturen und/oder rauen Umgebungen (oder sogar im menschlichen Körper) eingebettet sind. Sowohl WPT als auch EH haben ein sehr wichtiges Ziel, nämlich die Verringerung von primären (d.h. nicht wiederaufladbaren) Batterien.

Ziele von EH

Es gibt zahlreiche Ziele und Vorteile, die durch den Einsatz von EH (und verwandten) Technologien erreicht werden können. Kurzfristig gesehen ist die unmittelbare Notwendigkeit, die explosionsartige Zunahme der Anzahl von Primärbatterien aufgrund des exponentiellen Wachstums von IoT/IIoT-Geräten einzudämmen, ein wichtiges Ziel von EH. Wenn die für dieses Jahrzehnt prognostizierten Hunderte von Milliarden (oder vielleicht sogar Billionen) Geräte zum Einsatz kommen, werden täglich mehr als 100 Millionen Batterien mit all ihren gefährlichen Materialien auf Mülldeponien entsorgt.

Je mehr dieser Systeme man auf die Verwendung von Sekundärbatterien (oder anderen Energiespeichern wie Superkondensatoren oder Ultrakondensatoren) umstellen kann, desto größer ist der Nutzen für die Nachhaltigkeit. Die langfristige Perspektive der EH-Technologien sieht eine utopische Welt vor, in der viele (wenn nicht sogar die meisten) Geräte vollständig mit kostenloser, umweltfreundlicher Energie betrieben werden. Zuverlässigkeit ist ein weiterer wichtiger Vorteil von EH. Das mag kontraintuitiv erscheinen, da viele Leute das Konzept einer potenziell unsteten Energiequelle als direkten Konflikt mit den Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Betriebszeit des Systems betrachten.

Es stimmt zwar, dass viele erneuerbare Energiequellen unstetig und unvorhersehbar sein können (z. B. Licht, Wind, Bewegung usw.), aber viele der Bedenken hinsichtlich der Energiezuverlässigkeit lassen sich mit einem guten Verständnis der Betriebsumgebung und einer entsprechenden Systemauslegung ausräumen, bei der die geeignete Art und Menge an erneuerbarer Energie, in der Regel in Kombination mit Energiespeichern, und IPM eingesetzt wird, um eine akzeptable Erfolgswahrscheinlichkeit zu gewährleisten.

Hybride EH-Implementierungen können ebenfalls dazu beitragen, dieses Problem zu lösen, und werden im Folgenden näher erläutert. Die Software (SW) ist ein weiterer Bereich, der einen großen Unterschied ausmachen kann, da klassische WSN/Computersysteme nicht mit Blick auf eine intermittierende Energiequelle entwickelt wurden. Wenn die SW jedoch so konzipiert ist, dass sie energiebewusst ist, kritische Daten beim Erreichen einer Abschaltschwelle speichert und beim Überschreiten einer Einschaltschwelle wieder aufnimmt, kann der Einsatz einer EH-Stromquelle sehr vorteilhaft und effektiv sein.

Die Kehrseite der Zuverlässigkeitsanalyse ist, dass ein System, das mit einer EH-Stromquelle und einem wiederaufladbaren/erneuerbaren Energiespeicher ausgestattet ist, ein permanentes, selbstversorgendes System sein kann, das viele Komponenten überflüssig macht, die die häufigsten Ursachen für Systemausfälle in Bezug auf Qualität und Zuverlässigkeit sind. Ein großer Schritt in die richtige Richtung ist es, so viele mechanische/bewegliche Komponenten wie möglich zu eliminieren (z. B. Stecker, Batteriehalter, Schalter, Drähte usw.). Die Verringerung der Gesamtleistung des Systems, um die thermische Belastung zu verringern, trägt ebenfalls zu einer höheren Zuverlässigkeit bei.

Natürlich verlieren Energiespeicherkomponenten, wie z. B. Sekundärbatterien, mit der Zeit unweigerlich an Kapazität, aber das kann mit Festkörperlösungen verbessert werden und wird durch den Einsatz von kapazitiven Energiespeichern zu einem vernachlässigbaren Problem.

Dies sind lobenswerte Ziele, aber letzten Endes sind die Kosten der wichtigste Faktor, um ein echtes Produkt auf den Markt zu bringen, und die EH-Technologie scheint mit dem Kostenfaktor in Konflikt zu stehen. Wie bereits erwähnt, gibt es Lücken in den Berechnungen der Amortisationszeiten für EH-Technologien, weil TCOs nicht weit genug über den Vergleich der Stücklistenkosten erster Ordnung hinausgehen. Im Abschnitt „Zusätzliche Leistung“ weiter unten wird erörtert, wie EH dazu beitragen kann, die Kosteneinsparungen über die direkten Systemkostenkennzahlen hinaus auf CAPEX/OPEX auszuweiten.

Gängige Formen von EH

Die Welt von EH umfasst das gesamte Leistungsspektrum von Nanowatt bis Gigawatt. Dieser Artikel konzentriert sich hauptsächlich auf das untere Ende des Spektrums, da sich die Diskussion hauptsächlich um die vielen WSN/IoT/IIoT-Anwendungen dreht. Man darf jedoch nicht all die PV-Paneele und Windgeneratoren vergessen, die sich für Nachhaltigkeit und den Kampf gegen den Klimawandel einsetzen und einen beachtlichen und wachsenden Anteil der weltweiten Energie erzeugen. Das bedeutet, dass es ein ganzes Spektrum an EH-Lösungen gibt. PV-Zellen und Windgeneratoren können Megawatt an Strom erzeugen, aber es gibt auch PV-Zellen, die in die Handfläche passen und für Lichtquellen in Innenräumen optimiert sind, und elektrodynamische Generatoren, die auf ein Fahrradrad passen oder sogar auf MEMS-Ebene existieren.

Die Funktionsweise von elektrodynamischen Generatoren, ihre Funktionsweise und die Übersicht über verfügbare Lösungen sind ein Thema für weitere Materialien, aber eine Auswahl an elektrodynamischen Wandlern, unterstützenden Komponenten (z. B. Energiespeicher) und Anwendungen mit geringem Stromverbrauch stehen in Abbildung 5.


Ein schöner grafischer Vergleich, der die Anpassung von EH-Quellen an gängige Lasten erleichtert, findet sich in der folgenden Abbildung. Man sollte jedoch beachten, dass diese weder das gesamte Spektrum von EH noch alle Anwendungen abdeckt, aber sie gibt eine gute Vorstellung von einigen sehr häufigen Anwendungen und dem Sweet Spot für passende EH-Modalitäten.

Noch wichtiger ist, dass sie eine realistischere Übereinstimmung mit dem EH ergibt, da sie die Menge an EH anzeigt, die zur Unterstützung der angegebenen Anwendung erforderlich ist. Es reicht zum Beispiel nicht aus, zu sagen, dass man für eine Anwendung PV verwenden kann, sondern man muss die ungefähre Größe der PV-Paneele zusammen mit der Bestrahlungsstärke der Lichtquelle angeben (d.h. Innenraum vs. Außenbereich, Licht/Luxstärke, usw.). Dasselbe Prinzip gilt für thermoelektrische Generatoren (TEG), die nicht nur von der Größe des TEG abhängen, sondern auch von der Temperaturdifferenz zwischen ihnen.

Hybride und exotischere Formen von EH

Eine gute Möglichkeit, die Vorteile der EH-Technologien zu nutzen und die Abdeckung des Anwendungsbereichs zu maximieren, ist die gleichzeitige Nutzung mehrerer Quellen. Auf diese Weise kann man versuchen, die verfügbare Energie zu einem bestimmten Zeitpunkt zu maximieren, indem man verschiedene EH-Quellen nutzt, die in derselben Umgebung vorhanden sind. Viele EH PMICs sind so konzipiert, dass sie mindestens zwei verschiedene EH-Eingänge akzeptieren und sogar mehrere Formen der Energiespeicherung (d.h. Primär- und Sekundärbatterie) unterstützen. Ein WSN, das an einem Motor in einer beleuchteten Umgebung angebracht ist, kann beispielsweise die Vorteile von Vibrationsenergie und PV-Energie nutzen.

Ein weiterer Grund, mehrere Energiequellen vorzusehen, ist die Abschwächung von Energieunterbrechungen in wechselnden Umgebungen, insbesondere bei ungebundenen Anwendungen. Ein Gerät, das am Körper getragen wird, könnte z.B. sowohl PV als auch ein TEG enthalten, so dass es im Freien Energie aus der Sonne gewinnen kann (es kann auch Energie aus dem TEG gewinnen, aber wie viel, hängt vom Temperaturunterschied im Freien ab) und dann weiter aus dem Temperaturunterschied zwischen der Umgebungstemperatur im Haus und der Körpertemperatur, wenn es im Haus ist.

Es gibt auch hybride Formen von EH. Dies unterscheidet sich von der Verwendung mehrerer Quellen gleichzeitig, wie im letzten Absatz beschrieben. Es gibt EH-Modalitäten, die sich mehr als ein Messprinzip in einem einzigen Messwertgeber zunutze machen. Ein Beispiel hierfür ist eine Lösung, die HF-Energie aus Wärmeenergie (z. B. Infrarot-HF-Energie) nutzt, die von einer Solarquelle aufgenommen wurde. Diese Art von EH-Lösungen sind jedoch weit weniger verbreitet.

Es gibt vielversprechende Formen von EH, die sich den heutigen Herausforderungen stellen, sei es in Bezug auf die Energiedichte, die Kosten oder den Formfaktor. Zur Erinnerung: Der Nutzen von EH steigt im Laufe der Zeit aufgrund der Reduzierung des Energiebudgets des Systems viel schneller als die Zunahme der verfügbaren Energie aus der Kombination aus EH-Wandler und Energieextraktions-/Speicherschaltung.

Das bedeutet, dass eine EH-Quelle heute nur sehr wenig Anwendung finden kann, aber morgen eine viel größere Anwendungsbreite hat, selbst wenn sich die verfügbare Leistungsdichte für eine bestimmte Stromversorgung nicht ändert. Triboelektrische Nanogeneratoren (TENG) sind ein gutes Beispiel dafür, denn es ist schwierig, aus statischen Reibungselektrizitätsquellen (~10s bis 100s μWs) viel Energie zu gewinnen, obwohl man schnell genug Energie erzeugen kann, um einen Kondensator zu laden und einige LEDs zu betreiben. Wenn man heutzutage eine LED mit Strom versorgen kann, dann kann man auch ein WSN mit Sensoren, einem Mikrocontroller und einem Funkgerät betreiben.

Der größte Teil der neuen Energiequellen ist die Photovoltaik (oder damit eng verwandte Quellen). Die neueste (dritte) Generation von PV-Geräten, die vollständig kommerzialisiert wird, ist die organische PV, bei der die Zellen auf bestimmte Wellenlängen ausgerichtet sind (in der Regel entweder für den Außen- oder den Innenbereich optimiert, auch wenn sie in beiden Umgebungen funktionieren) und eine gute Balance zwischen Kosten, Effizienz und Flexibilität finden. Diese Vorteile werden in der nächsten Generation von PV-Zellen, die das Mineral Perowskit enthalten und sich noch in der Phase vor der Kommerzialisierung befinden, noch weiter verbessert [13].

Zusätzliche Leistung

Wenn man EH für seine Anwendung in Betracht zieht, ist es sehr wichtig zu bedenken, dass EH kein Alles-oder-Nichts-Vorschlag ist. Konstrukteure lehnen EH-Technologien für ihre Anwendungen oft schnell ab, weil sie keine 1:1-Beziehung zwischen der vorhandenen Stromquelle (in der Regel einer Primärbatterie) und einer geeigneten EH-Lösung sehen.

Aber in Zusatz- und Standby-Anwendungen kann ein großer Wert liegen. Natürlich kann die Bestimmung des Wertes sehr spezifisch für die Anwendung und die Betriebsumgebung sein.

Wenn sich beispielsweise die Batterielebensdauer mit Hilfe von EH um 20-30% verlängern lässt, bevor eine Aufladung/Erneuerung erforderlich ist, dann könnte das den Unterschied ausmachen, ob man einen ganzen Tag ohne Steckdose auskommt oder ob das mobile System (z.B. eine Drohne oder ein elektrifiziertes Fahrzeug) ein paar Minuten länger in der Luft bleiben oder 10-20 Meilen mehr zurücklegen kann. Alternativ kann EH dem Gerät ermöglichen, häufigere und/oder größere Datenübertragungen an die Cloud zu senden.

Bei Standby-Anwendungen, die in der Regel einen viel geringeren Energiebedarf haben als ihre voll aktiven Systemleistungsprofile, kann EH dazu verwendet werden, das winzige bisschen Energie bereitzustellen, das benötigt wird, um Standby-Schaltkreise zu betreiben, die auf ein externes Signal zum vollständigen Aufwachen warten. Wenn die Hauptstromversorgung des Systems auch eine Standby-Schiene für diesen Zweck bereitstellt, ist dies in der Regel kostspielig in Bezug auf Größe, Gewicht und Leistung (auch bekannt als SWaP-Faktoren). Wenn diese Versorgungen getrennt werden, können die zusätzlichen Kosten der EH-Standby-Schaltung durch die Einsparungen bei der Hauptversorgung neutralisiert werden (oder sogar eine positive Kapitalrendite (ROI) bieten). Beispiele für große Systeme mit kleinen Standby-Versorgungen sind Computer, die Wake-on-LAN (WoL) unterstützen, oder IoT-gesteuerte Geräte, die Wake-up Radio (WuR) unterstützen.

Bei WPT-Anwendungen haben die drahtlosen Verbindungen für die Energieübertragung in der Regel eine sehr schlechte Kommutierungs Effizienz, wie die Friis-Gleichung [14] zeigt, bei der die Leistungsverluste mit zunehmendem Abstand zwischen Sender und Empfänger und zunehmender Übertragungsfrequenz exponentiell ansteigen. Wenn man also die Leistung des Empfängers erhöht, um mit einer niedrigeren Empfangsempfindlichkeit zu arbeiten, spart man nicht nur auf der Empfängerseite Energie, sondern auch exponentiell auf der Sendeseite.

Wie bei vielen EH-Anwendungen sollte nun klarer werden, wie dieser ergänzende Ansatz die Einsparungen sowohl bei den CAPEX als auch bei den OPEX in die Höhe treiben kann. Weniger offensichtlich ist, wie die Einsparungen im Bereich der Mikroenergie zu Einsparungen von Kilowatt oder sogar Megawatt führen.

Um diesen Wertbeitrag zu veranschaulichen, muss man den gesamten Weg der Energie von der Erzeugung bis zum Endverbraucher berücksichtigen. Wenn man jedoch den gesamten Overhead (Strom für die Kühlung, ineffiziente Standby-Versorgung), die verschiedenen Ebenen der Stromumwandlung (jede mit einer eingebauten Marge, die sich schnell summiert), die Redundanz (sowohl bei den Stromquellen als auch bei den Systemlasten), die Energiespeicherung für kritische Backups usw. berücksichtigt, dann können diese wenigen Watt zu massiven Einsparungen bei den OPEX (Stromkosten) und CAPEX (Reduzierung der Gesamtinfrastruktur, da die Dimensionierung auf einen niedrigeren, maximalen oder stationären Stromverbrauch erfolgt) führen.

Eine grünere Zukunft & das Power IoT-Ökosystem ermöglichen

Wir haben hier die zahlreichen Vorteile, Nutzenversprechen, Anwendungsüberlegungen und Fehleinschätzungen im Zusammenhang mit EH diskutiert. Wir haben auch einen kurzen Überblick über EH-Geräte und die unterstützenden Geräte/Systeme gegeben, die zusammen das Power IoT-Ökosystem bilden. Im Idealfall ist die Fähigkeit von EH, eine nachhaltigere Zukunft zu ermöglichen, in einigen direkten Aspekten offensichtlich, z. B. durch den Verzicht auf Primärbatterien und die Reduzierung des gesamten Energieverbrauchs (und damit des Kohlenstoff- und Wasserverbrauchs).

In zukünftigen Diskussionen werden wir uns mit den weniger offensichtlichen Bereichen der Auswirkungen zweiter und sogar dritter Ordnung von EH befassen, wie z.B. der Fähigkeit, die Verbesserung der grauen Energie von Systemen/Geräten voranzutreiben, indem wir die kompletten, umfassenden Energieauswirkungen „von der Wiege bis zur Bahre“ oder von der Rohstoffbeschaffung über die Herstellung bis hin zum Einsatz vor Ort und dem Ende der Lebensdauer und Recycling betrachten.

Das Power IoT-Ökosystem wächst ständig und wird zu einer zunehmend organisierten Gruppe von Interessenvertretern, die sich auf die Zusammenarbeit konzentrieren, um EH-Technologien, -Anwendungen und -Ausbildung auf den Mainstream-Markt zu bringen. Eine wegweisende Gruppe bei der Definition, Organisation und Aufrechterhaltung dieses Ökosystems ist das Energy Harvesting Committee (EHC) der Power Sources Manufacturers Association (PSMA) [15]. Das PSMA EHC hat 2021 ein kostenloses, frei zugängliches Whitepaper [16] herausgegeben, das einen umfassenden Überblick über EH für ein nachhaltig ausgerichtetes IoT bietet.

Entwerfen mit EH

Für weitere Lektüre zu diesem Thema gibt es eine Vielzahl von Ressourcen. Während alle Komponenten eines EH-fähigen Systems (d.h. der Anschluss von Messwertgebern, die Auslegung von PMIC-Schaltungen, die Arbeit mit Energiespeichern usw.) entmutigend erscheinen mögen, gibt es viele Lösungen, die bei der Integration vieler dieser Funktionen helfen und durch Dokumentation, Schulungen und sehr fähige Support-Teams unterstützt werden.

Unabhängig davon, ob man ein Embedded Designer sind, der versucht, die Erfassung von Sensor-Rohdaten für Big Data-Analysen zu optimieren, oder ob man EH (und typischerweise Energie im Allgemeinen) nur als lästiges Mittel zum Zweck betrachtet und sich auf seine Endanwendung bzw. sein Endsystem konzentrieren will, gibt es viele fertige Design-Kits und COTS-Module, welche die Einbindung von EH-Technologien selbst für Technologen erleichtern, selbst für Technologen, die nicht über das nötige Wissen und die Erfahrung verfügen, um das System von Grund auf zu implementieren.

Ein EH IoT-Modul ist eine für diesen Anwendungsbereich vorgefertigte Komponente, die in der Regel das PMIC, das BMS, das/die Funkgerät(e) und vielleicht sogar einige Sensoren kombiniert. So kann ein Entwickler schnell eine Verbindung zum entsprechenden EH-Wandler herstellen, seine Energiespeicherquelle auswählen und regulierte Stromschienen für Systemlasten bereitstellen - alles auf einen Schlag. Werfen Sie einen Blick auf ein Beispiel für ein solches Modul.

Wenn man tiefer gehen und mit mehreren EH-Modalitäten, PMICs, Energiespeicherlösungen und sogar verschiedenen Funkgeräten/Displays/Sensoren experimentieren möchte, dann gibt es auch umfassendere Design-Kits [17], die mehrere Optionen für viele dieser Systemdesign-Aspekte in einer Entwicklungsumgebung enthalten, die umschaltbare Optionen für alle bietet und wenig bis gar keine Kenntnisse der beteiligten Schaltungen erfordert, so dass man sich ganz auf die Entwicklung Ihrer Anwendung konzentrieren kann.

„Geh und pflanze einen Samen und ernte!“

Referenzen

[1] "Estimated U.S. Energy Consumption in 2020," Lawrence Livermore National Laboratory, March 2021.
[2] “AEM10941," e-peas Product Overview, Viewed January 12, 2020.
[3] Roadmap – Cypress – Solar Powered BLE Sensor Beacon Reference Design Kit, Future Electronics, 2016. [Online].
Available: http://fcs.futureelectronics.com/2016/08/cypress-solar-powered-ble-sensor-beacon-reference-design-kit/.
[4] “How to Build a Homemade Thermoelectric Generator,” 2017. [Online]. Available: https://topmagneticgenerator.com/build-homemade-thermoelectric-generator/.
[5] "Vibration Energy Harvesters," Perpetuum Datasheet, Downloaded October 10, 2017.
[6] PowerFilm LightSaver Max, Accessed January 29, 2018. [Online]. Available: https://www.powerfilmlightsaver.com/lightsaver-max.
[7] D. Pasero, "IoT Sensors Powered by Solid State Batteries and Harvested Energy," Ilika Technologies, APEC 2018 Industry Session, Tampa, FL, March 6, 2018.
[8] C. Ho, "Flexible Energy Storage Considerations," Imprint Energy, 2017FLEX Short Course, Monterey, CA, June 19, 2017.
[9] V. Micelli, "Pavegen - The Future of Urban Energy," IDTechEx US Show, Santa Clara, CA, November 17, 2016.
[10] D. -H. Kim, N. Lu, R. Ma, Y. -S. Kim, R. -H. Kim, S. Wang, J. Wu, S. M. Won, H. Tao, A. Islam, K. J. Yu, T. -I. Kim, R. Chowdhury, M. Ying, L. Xu, M. Li, H. -J. Chung, H. Keum, M. McCormick, P. Liu, Y. -W. Zhang, F. G. Omenetto, Y. Huang, T. Coleman and J. A. Rogers, “Epidermal Electronics,” Science 333, 2011, 838–843.
[11] N. Dahad, “Cartier Uses e-Peas Energy Harvesting PMIC for Solar-powered Watch,” Embedded, January 20, 2022.
[12] "Research Infrastructure Position Paper, European Infrastructure Powering the Internet of Things" EU EnABLES Project, February 2021.
[13] “Champion Photovoltaic Module Efficiency Chart,” National Renewable Energy Laboratory. [Online]. Available: https://www.nrel.gov/pv/module-efficiency.html. Accessed 4/29/22.
[14] Friis Equation - (aka Friis Transmission Formula). [Online]. Available: http://www.antenna-theory.com/basics/friis.php.
[15] PSMA Energy Harvesting Forum. [Online]. Available: https://www.psma.com/index.php/technical-forums/energy-harvesting. [16] T. Becker, V. Borjesson, O. Cetinkaya, et al., "Energy Harvesting for a Green Internet of Things," Power Sources Manufacturers Association (PSMA) White Paper, October 2021.
[17] Würth Elektronik Gleanergy. [Online]. Available: http://www.we-online.com/web/en/electronic_components/produkte_pb/demoboards/gleanergy/gleanergy.php.