Energy Harvesting: Umgebungsenergie für Niedrigleistungssysteme

RECOM bietet Ultra-Low-Power-Module und Evaluierungsboards für Energy Harvesting zur effizienten Nutzung ungenutzter Umgebungsenergie. Damit lassen sich selbst geringste Energiemengen aus Quellen wie Innenraumbeleuchtung, Temperaturdifferenzen oder mechanischen Vibrationen zuverlässig erfassen und umwandeln. Die Stromversorgungslösungen von RECOM wurden entwickelt, um den regelmäßigen Batteriewechsel an schwer zugänglichen oder abgelegenen Einsatzorten zu vermeiden. Sie verstärken Eingangsspannungen im Mikrovoltbereich, verwalten Superkondensatoren und wiederaufladbare Batterien und stellen stabile, geregelte Versorgungsspannungen für stromsparende Mikroprozessoren, Sensorknoten und drahtlose Kommunikationsmodule bereit.

elektromagnetisches Spektrum von UV- und sichtbarem Licht

Abb. 1: Das elektromagnetische Spektrum von UV- und sichtbarem Licht zeigt mögliche Quellen für die Gewinnung elektromagnetischer Energie.

Gängige Umgebungsenergiequellen

Photovoltaik

Solarzellen erzeugen nutzbare photovoltaische Energie, indem sie Photonen absorbieren – selbst bei Innenraumbeleuchtung. Eine typische einzelne PV-Zelle liefert bei 100Lux eine Leerlaufspannung von etwa 500 bis 800mVDC. Höhere Spannungen lassen sich durch die Reihenschaltung mehrerer Zellen, eine größere Zellfläche oder stärkere Beleuchtung erzielen. Da die Ausgangsspannung unter hoher Last deutlich abfällt, muss das System den Maximum Power Point (MPP) kontinuierlich nachführen, um Schwankungen der Lichtintensität auszugleichen.

Thermoelektrik

Besteht zwischen zwei unterschiedlichen Leitern oder Halbleiterübergängen ein Temperaturunterschied, entsteht ein elektrischer Strom – ein Effekt, der als Seebeck-Effekt bekannt ist. Thermoelektrische Generatoren (TEGs) nutzen dieses Prinzip, um Umgebungswärme in nutzbare Gleichspannung umzuwandeln. Die erzeugte Leistung steigt proportional zur Oberfläche des Generators und zur Temperaturdifferenz zwischen warmer und kalter Seite.

Vibration

Die meisten Vibrations-Energy-Harvester verwenden eine federnd gelagerte Masse, die einen Magneten relativ zu feststehenden Spulen bewegt und dadurch Wechselspannung erzeugt. Die Abstimmung des Feder-Masse-Systems auf die dominierende Vibrationsfrequenz maximiert sowohl die Leistungsübertragung als auch den Energieertrag.

Massenstrom

Strömende Flüssigkeiten oder Gase treiben kleine Turbinen an, die elektrische Energie erzeugen. Diese Mikroturbinen können beispielsweise in Lüftungskanälen, Rohrleitungen oder an Fahrzeugen installiert werden, um Energie aus Luft- oder Flüssigkeitsströmungen zu gewinnen. Eine Alternative ohne bewegliche Teile ist die Wirbelablösung (Vortex Shedding), die häufig mit piezoelektrischen Elementen kombiniert wird, um strömungsbedingte Schwingungen in Wechselspannung umzuwandeln.

Piezoelektrik

Beim piezoelektrischen Energy Harvesting wird mechanische Verformung oder Spannung unmittelbar in elektrische Energie umgewandelt. Dabei entsteht eine hohe Spannung bei vergleichsweise geringem Strom. Ein typisches Beispiel ist ein piezoelektrisches Element, das an einem flexiblen, durch Wirbelablösung angeregten Schwingkörper befestigt ist und dessen Schwingungen in nutzbare Wechselspannung umsetzt.

Elektromagnetik

Systeme zur Gewinnung elektromagnetischer Energie – beispielsweise aus elektrischen Streufeldern, WLAN-Signalen oder Funkwellen – verwenden spezielle Antennen und Gleichrichter (Rectennas), um geringe elektrische Leistungen, meist im µW-Bereich, bereitzustellen. Dieses Verfahren wird überwiegend für Sensoren mit geringer Einschaltdauer im Innenbereich eingesetzt. Im Außenbereich lässt sich der Energieertrag durch gerichtete Mikrowellenenergie deutlich steigern.

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

Da sich die Spannung eines Akkus oder Superkondensators während der Entladung verändert und diese Speicher keinen integrierten Kurzschlussschutz besitzen, wird nachgeschaltet ein Abwärtswandler eingesetzt. Dieser reduziert die ungeregelte Speicherspannung effizient auf eine stabile Ausgangsspannung und integriert gleichzeitig einen Kurzschlussschutz. Der REH-Harvester enthält beispielsweise zwei voneinander unabhängige geregelte Buck-Wandler, die stabile Versorgungsspannungen von 1,8VDC und 3,3VDC für Mikrocontroller und Sensormodule 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

Häufig gestellte Fragen

Spezielle Power-Management-Module für Energy Harvesting wie der REH verfügen über Ultra-Low-Voltage-Boost-Wandler, die bereits ab 0,05VDC anlaufen. Dadurch kann elektrische Energie selbst aus sehr kleinen Temperaturdifferenzen (TEGs) oder schwach beleuchteten Photovoltaikzellen im Innenbereich gewonnen werden.
Die Energy-Harvesting-Controller von RECOM unterstützen sowohl wiederaufladbare Mikroakkus mit einem 4,12VDC-Ladeprofil als auch Superkondensatoren mit zwei Zellen und einem 4,50VDC-Ladeprofil. Der integrierte Controller überwacht die Lade- und Entladezyklen und schützt den Energiespeicher zuverlässig vor Überladung und Tiefentladung.
Der Systemcontroller verfügt über eine integrierte Batterie-Umschaltung, die die Last automatisch auf eine nicht wiederaufladbare Primärbatterie – beispielsweise eine Knopfzelle – umschaltet, sobald die verfügbare Umgebungsenergie unter die erforderliche Betriebsschwelle fällt. Dadurch bleiben drahtlose Sensorknoten auch über längere Zeiträume ohne Licht oder Vibration zuverlässig mit Energie versorgt.

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