Energy Harvesting Energie aus stromdurchflossenen Leitungen

Energy Harvesting
Energy Harvesting

Solarzellen, Thermogeneratoren oder auch Piezoelemente stellen mittlerweile die klassischen Elemente dar, um Energie für die Versorgung von elektronischen Schaltungen zu liefern. In bestimmten Umgebungen wie in Maschinenhallen, Schiffen oder Flugzeugen gibt es jedoch noch eine andere verwertbare Quelle, die sich berührungslos für die Versorgung von mobilen Sensorknoten einsetzen lässt: stromdurchflossene Leitungen.

Verschiedene Monitoring-Systeme, die zur Fernüberwachung von Freileitungen (110 kV) eingesetzt werden, um hiermit die Leiterseiltemperatur oder den Seildurchhang zu messen und die gewonnenen Daten an eine Funkstation zu übertragen, sind bereits seit einiger Zeit im Einsatz. Dabei ist eine elektrische Verbindung mit dem Leiter schon aus Sicherheitsgründen nicht zulässig, weshalb hier typischerweise mit einer kapazitiven Kopplung unter Ausnutzung des elektrostatischen Randfeldes gearbeitet wird, welches einen spannungsführenden Leiter umgibt. Dieses Verfahren setzt eine hohe Feldstärke voraus, wie sie beim Einsatz an Hochspannungsleitungen gegeben ist, es lässt sich jedoch nicht auf die übliche Netzspannung oder noch geringere Wechselspannungen übertragen.

Stromwandler als gut nutzbare Komponenten

Es gibt noch eine andere gebräuchliche Methode: Energie aus dem Magnetfeld einer stromdurchflossenen Leitung ziehen. Als Voraussetzung muss hierfür ein Verbraucher mit Wechselstrom versorgt werden. Dabei darf keine Veränderung bei der Versorgung des Verbrauchers stattfinden, d.h. ein Eingriff in den Lastkreis, etwa durch das Auftrennen der Leitung, ist nicht zulässig.

Stromwandler, wie sie seit Langem in der Energie- und Messtechnik eingesetzt werden, erfüllen auf den ersten Blick genau diese Voraussetzungen, denn sie messen nach dem Prinzip einer Ringspule, bei der eine Leitung (Primärstrom) durch eine Spule geführt wird, was an den Spulenanschlüssen zu einem proportionalen, geringeren Sekundärstrom führt. Die Spule ist typischerweise ein mit Kupferdraht bewickelter Ringkern. Das Übersetzungsverhältnis wird durch das Verhältnis der Windungszahlen bestimmt und entspricht dem Verhalten des klassischen Transformators. Das Verhältnis von Sekundärstrom zu Primärstrom ist umgekehrt proportional zur Anzahl der Sekundär- zu Primärwindungen (Bild 1).

Sekundärseitig wird ein Messwiderstand angeschlossen, der als Lastwiderstand (Bürde) fungiert und an dem eine zum Strom proportionale Spannung abfällt. Der Laststrom der Primärseite lässt sich einfach aus dem Übersetzungsverhältnis und dem Spannungsabfall über der Bürde ermitteln. Bei Stromwandlern soll der Ausgangsstrom ausschließlich vom Eingangsstrom und nicht von der Last abhängen, weshalb die Bürde so bemessen wird, dass die Sekundärseite quasi im Kurzschlussbetrieb arbeitet. Die an der Sekundärklemme abgegebene Leistung ist somit gering und wirkt sich nur minimal auf die Impedanz der Primärleitung aus, was für eine (unverfälschte) Strommessung Voraussetzung ist. Die Sekundärseite darf niemals offen betrieben werden, weil bei hohen Primärströmen lebensgefährlich hohe Sekundärspannungen auftreten können.