Warum Energy Harvesting das Wachstum des IoT ankurbeln kann

Immer mehr „Dinge“ im Alltag werden intelligent. Von Glühbirnen, Haushaltsgeräten und Fahrzeugen über medizinische Sensoren und Industrieanlagen bis hin zu ganzen Städten – das Internet der Dinge (IoT) ist auf dem Vormarsch. Laut Gartner wird die Zahl der vernetzten IoT-Knoten bis 2020 voraussichtlich auf 20,4 Milliarden steigen, was einem Vielfachen der heutigen Erdbevölkerung entspricht.

Doch das Wachstum des IoT geschieht nicht gänzlich ohne Hindernisse. Eine der Herausforderungen besteht etwa darin, diese Milliarden von IoT-Geräten unabhängig von ihrem Standort und ihrer Anwendung rund um die Uhr mit Strom zu versorgen. Zum einen ist da der Kosten- und Arbeitsaufwand für den regelmäßigen Batteriewechsel, zum anderen müssen Hersteller und Entwickler auch die Umweltauswirkungen des enormen zusätzlichen Energiebedarfs dieser Geräte berücksichtigen.

Hier kann jedoch eine andere Lösung Abhilfe schaffen: Energy Harvesting. Hierbei sammelt die Technologie Energie aus der Umgebung und wandelt sie dann in Strom. So lässt sich Energie aus verschiedenen Quellen, wie etwa aus Umgebungslicht, Vibrationen, Wärme oder HR nutzbar machen, die ansonsten einfach verloren gehen würde.

Im Rahmen des IoT besteht das Ziel von Energy Harvesting nicht darin, große Mengen an Energie zu erzeugen, sondern kleine Mengen überall dort aufzunehmen, wo sie zu finden sind. Aus dem Umgebungslicht lässt sich beispielsweise in der Regel Energie in der Größenordnung zwischen 10 µW/cm² und 10 mW/cm² gewinnen. Die genaue Energiemenge hängt stark davon ab, ob es sich um eine Anwendung im Außen- oder Innenbereich handelt. Die aus Bewegung generierte Energie liegt wiederum je nach Quelle, beispielsweise ob Mensch oder Maschine, in der Größenordnung von 4 µW/cm² bis 100 µW/cm². Als Quelle können hierfür beispielsweise durch Menschen oder Maschinen erzeugte Bewegungen dienen. In ähnlicher Weise lässt sich Wärmeenergie aus dem menschlichen Körper im Bereich von etwa 30 µW/cm² und aus HF in etwa 0,1 µW/cm² umsetzen.

Kurz gesagt versetzt Energy Harvesting die Unternehmen in die Lage, die Möglichkeiten des IoT voll auszuschöpfen, ohne den mit dem Einsatz von Batterien verbundenen Zeit- und Kostenaufwand in Kauf nehmen zu müssen. Laut dem Marktforschungsunternehmen Idtechex dürfte der Jahresumsatz der Energy-Harvesting-Branche bis 2022 weltweit fünf Milliarden US-Dollar übersteigen. Nur wie wird die Technologie mit dem zu erwartenden Wachstum Schritt halten?

Bausteine eines Energy-Harvesting-Systems

Die „Energieernte“ geschieht im Wesentlichen in drei Schritten: Aufnahme, Aufbereitung und Speicherung. Ein Wandler wandelt die von der Quelle aufgenommene Energie also beispielsweise Umgebungslicht, Wärme, Vibration, Druck oder HF in elektrischen Strom. Anschließend bereitet ein Strommanagement-IC die eingehende elektrische Spannung für den Verbraucher auf und gibt sie an ein Speichergerät weiter. Hierbei handelt es sich in der Regel um einen Superkondensator, der als Puffer zwischen einer intermittierenden Low-Power-Primärenergiequelle und einem kontinuierlichen High-Power-Verbraucher dient.

Bild 1: Strommanagementystem für Solarstromgewinnung auf Basis eines Cypress S6AE101A PMIC. Mouser

Je nach Primärenergiequelle werden in Energy-Harvesting-Systemen unterschiedliche Wandlertypen eingesetzt. Photovoltaische Energy-Harvester nutzen beispielsweise die Lichtenergie in Außen- und Innenbereichen, um die Batterien in Verbraucher- und Industrieanwendungen zu entlasten oder ganz zu ersetzen. In ähnlicher Weise generieren piezoelektrische Wandler eine Spannung aus mechanischer Belastung durch Druck oder Bewegung. Angesichts der ständigen Vibrationen in allen Bereichen unseres Lebens wie etwa Autos, Flugzeugen, Automatisierungsgeräten und sogar im menschlichen Körper lassen sich mit diesen Wandlern verschiedene IoT-Geräte betreiben. Der PPA-1021 von Mide ist ein 0,74 mm flacher piezoelektrischer Transducer, der Vibrationsenergie in 4,5 mW Gleichstrom mit einer Spannung von 28,2 V umwandelt.

Thermoelektrische Wandler nutzen die Abwärme an der Kontaktstelle zweier verschiedenartiger Metalle mit unterschiedlicher Temperatur – den sogenannten Seebeck-Effekt – zur Stromerzeugung. Das thermische Energy-Harvesting-Modul Te-Core von Micropelt wandelt lokal verfügbare Abwärme in elektrische Energie um. Bei einer Temperaturdifferenz von <10 °C stellt es auf diese Weise eine konfigurierbare Ausgangsspannung zwischen 1,8 und 4,5 V bereit.

Neben photovoltaischen, piezoelektrischen und thermoelektrischen Wandlern sind auch HF-Gleichrichter erhältlich, die an sie gerichtete HF-Signale in Elektrizität umsetzen. Der P2110-RF-Powerharvester-Empfänger von Powercast generiert etwa 5,25 V aus niederfrequenten HF-Signalen und liefert bis zu 50 mA Ausgangsstrom. In Kombination mit einem Low-Power-Mikrocontroller (MCU), Sensoren und einem Funkmodul funktioniert dieser Empfänger bereits ab einem HF-Eingangssignal von -11,5 dBm als vollständig batterieloser Funksensorknoten. Dadurch lässt er sich beispielsweise in Industrieüberwachungs-, Gebäudeautomatisierungs-, Smart-Grid-, Landwirtschafts- und Verteidigungsanwendungen einsetzen.

Management der gewonnenen Energie

Für die Aufbereitung der gewonnenen Energie und die stabile Stromversorgung des angeschlossenen Verbrauchers benötigen Energy-Harvesting-Geräte einen Leistungsmanagement-IC (PMIC).

Der für Super-Low-Power-Systeme konzipierte Energy-Harvesting-PMIC S6AE101A von Cypress ist für eine Stromaufnahme von lediglich 250 nA und eine Anlaufleistung von 1,2 µW ausgelegt. Mit diesem Chip können kompakte Solarzellen bereits ab einer Lichtstärke von rund 100 Lux genügend Strom für den Betrieb von IoT-Geräten bereitstellen. Wie Bild 1 zeigt, speichert der PMIC den generierten Strom über eine eingebaute Schaltsteuerung in einem Ausgangskondensator. Wenn die Solarzellen nicht genügend Energie für die angeschlossenen Verbraucher erzeugen, kann der Reserveakku den noch fehlenden Strom zuführen. Die batterielose Funksensorknotenlösung mit Überspannungsschutz (OVP) stellt Funksensoren für Klima-, Beleuchtungs- und Sicherheitssysteme sowie intelligente Bluetooth-Sensoren bereit.

Bild 2: Energy-Harvesting für das Aufladen von Micro-Power-Speicherzellen mit dem Maxim MAX17710. Mouser

Der LTC3588-2 von Linear Technology ist ein Energy-Harvesting-PMIC für den direkten Anschluss an Piezo-, Solar- oder Magnetwandler. Er kann Spannungswellen gleichrichten und die gewonnene Energie in einem externen Kondensator speichern. Überschüssiger Strom wird über einen internen Nebenschlussregler abgeleitet und die Ausgangsspannung mittels eines hocheffizienten synchronen Nano-Power-Abwärtswandlers reguliert. Mit vier auswählbaren Ausgangsspannungen von 3,45 V, 4,1 V, 4,5 V und 5,0 V liefert er bis zu 100 mA Dauerausgangsstrom. Als Überspannungsschutz dient ein integrierter, auf 20 V eingestellter Eingangsschutz-Nebenschluss. Mögliche Anwendungen sind Reifendrucksensoren und mobile Bestandsverfolgung.

Für das sichere Aufladen von Mikro-Power-Speicherzellen stellt Maxim Integrated den MAX17710-PMIC mit Boost-Regelschaltung bereit. Dieser 12-polige UTDFN-Chip ist speziell für die bei Energy-Harvesting-Szenarien typischen schlecht geregelten Quellen ausgelegt und kann bereits für Spannungen ab 0,75V zum Einsatz kommen. Bei einer Ausgangsleistung von 1 µW bis 100 mW weist der MAX17710 auch einen internen Überladungsschutzregler auf. Die Ausgangsspannung für die Zielanwendungen reguliert ein auf 3,3 V, 2,3 V oder 1,8 V einstellbaren linearen Low-Dropout (LDO)-Wandler. Der Leistungsregler lässt sich wahlweise im Low-Power- oder im Ultra-Low-Power-Modus betreiben, um die Entladung der Zelle zu minimieren.

Entwicklung neuer Produkte

Mit dem Entwicklungstool eZ430-RF2500-SHE für das Solar-Energy-Harvesting von Texas Instruments können Entwicklungsingenieure dauerstromversorgte Funksensornetzwerke einrichten und testen. Dieses von einer Ultra-Low-Power-MCU betriebene Tool erzeugt mit einem hocheffizienten Solarmodul selbst unter Innenlichtbedingungen genügend Strom für batterielose Funksensoranwendungen.

Mit Energy Harvesting, Strommanagement und Speicherung in einem Paket ist das To-Go-Kit von Würth Electronics ebenfalls ein komplettes Entwicklungstool. Es beinhaltet zwei Energy-Harvesting-Quellen – eine Solarzelle (32 × 50 mm) und einen Thermogenerator (40 × 40 mm) – sowie eine EFM32-Giant-Gecko-MCU mit 48-MHz ARM-Cortex-M3-Kern.

Grenzenlos einsetzbar

Da Energy Harvesting-Technologien grüne Energie an praktisch jedem Ort versprechen, arbeitet die Forschung unermüdlich an neuen Einsatzmöglichkeiten. In einem Fall sind die Wissenschaftler der University of Michigan bis zum Herzen der Technologie vorgedrungen und haben ein Gerät entwickelt, das aus dem menschlichen Herzschlag die Energie für den Betrieb eines Schrittmachers oder eines implantierten Defibrillators gewinnt. Diese Entwicklung könnte den aufwendigen und potenziell riskanten regelmäßigen Batteriewechsel bei kritischen Medizinprodukten schon bald überflüssig machen. Mit demselben Ziel arbeiten Forscher auch an der Gewinnung des Stroms für den Betrieb implantierbarer IoT-Geräte aus der Wärme, Bewegung und Vibration des menschlichen Körpers. Energie ist überall im Überfluss vorhanden, oft aber nicht in nutzbarer Form. Energy Harvesting ist in der Lage, diese Lücke zu schließen, und wird deshalb bei allen unseren zukünftigen Unternehmungen eine entscheidende Rolle spielen.

(prm)