Aus dem Facharchiv: Arbeitsschutz, Arbeitssicherheit, Betriebsführung
Energy Harvesting – Energie aus der Umwelt; Teil 1: Micro Energy-Harvesting für Ultra-Low-Power-Elektronik – Piezoeffekt
Energie aus der Umwelt zu „Ernten“ ist nichts Neues, bekommt aber im Zeitalter der Elektronik, Sensorik und des aufkommenden Internet der Dinge (IoT – Internet of Things) eine neue Bedeutung.
Energie ist bekanntlich das Produkt aus einer Leistung und der Zeit, in der diese Leistung in Anspruch genommen wurde. Das erfordert zwingend, dass die geringe Energiemengen im Mikrowattsekundenbereich, die durch miniaturisierte Energy-Harvesting-Module gewonnen werden können, von der damit versorgten Elektronik einerseits extrem stromsparend sein muss und andererseits ihre Aufgabe nicht zu häufig und dann in möglichst kurzen Zeitabschnitten erledigen muss.
Nach Angaben von Enocean, Pionier der batterielosen Funktechnologie, benötigt ein typisches Enocean-Funkmodul lediglich 50 μWs für die Übertragung eines Datensignaltelegramms über eine Entfernung von 300 m im Freifeld. Das wird plausibel, wenn man bedenkt, dass der die komplette Auslösung, Durchführung und Übertragung umfassende Vorgang nur etwa eine tausendstel Sekunde dauert. Man spricht hierbei von einer gepulsten Übertragung, für deren Dauer von 1 ms eine Leistung von etwa 50 mW zur Verfügung stehen muss.
Beispiel. Um diesen geringen Energiebedarf zu veranschaulichen: Das Abkühlen eines 0,1 g schweren Wassertropfens um 1 °C setzt Energie für 25 000 Enocean-Funk-Datentelegramme frei!
Die Fläche unter der Zeit-Leistungskurve muss so klein wie möglich sein, denn sie repräsentiert als Produkt aus Leistung und Zeit die verbrauchte Energie. Mit anderen Worten: Für einen möglichst geringen Energieverbrauch E sind sowohl die Leistung P als auch die Dauer ihrer Inanspruchnahme T zu minimieren.
Arten der Energiegewinnung
Bei der Gewinnung von Energie für einen Verbraucher aus seinem Umfeld, muss dessen Energiezustand zeitlichen oder örtlichen Änderungen unterworfen sein. An den Wandlertypen für die folgenden Energiearten sei dies erläutert. Bei den mechanischen Wandlern kann man unterscheiden zwischen
- Rotationswandlern (auf Induktion basierende Mikrogeneratoren für Gas- und Wasserzähler, rotierende Werkzeuge, Autoreifen, ...),
- Vibrationswandlern (Piezoelemente an Maschinen, Fahrzeugen, Menschen in Bewegung, ...) und
- Linearwandlern (induktive oder piezoelektrische Generatoren für Taster, ...).
Aus der Vielzahl von Möglichkeiten seien nachstehend nur einige exemplarisch herausgegriffen.
Autor: K. Jungk
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