Minigeneratoren Energy Harvester zur netzunabhängigen Stromversorgung

Elektrodynamische Wandler

Elektromagnetische- und elektrodynamische Energiewandler basieren auf der elektromagnetischen Induktion. Nach diesem Prinzip funktionieren die „drahtlosen Schalter“ der Firma EnOcean [11], die für unterschiedliche Produkte wie Lichtschalter (z.B. von Jäger, Steute, Peha), Lampen (z.B. von Osram), Raumtemperaturregler (z.B. von Thermokon) oder Jalousiesteuerungen (z.B. von Akktor) bereits von zahlreichen Firmen eingesetzt werden.

Die Bedienelemente (Schalter, Regler) kommen dabei ohne Kabelverbindungen aus und können deshalb nahezu beliebig ohne Installationsaufwand in Räumen platziert werden. Beim Drücken auf ein derartiges Schalterelement wird intern eine magnetische Metallzunge (Bild 5) bewegt, wodurch ein Strom in einer Spule induziert wird.

Die dabei erzeugte Leistung (ca. 50 μW) reicht aus, um mithilfe eines Mikrocontrollers und eines Funksenders ein Datentelegramm an einen entsprechenden Empfänger (mit Aktor) auszusenden, welches ca. 1 ms dauert.

Das Bild 5 zeigt den internen Aufbau eines Doppelschalterelementes mit abgenommenen Wippen und einem eingebauten Energiewandler (ECO 100). Die Schaltinformation wird fast zeitgleich über die Kontakte der Schalterwippen generiert. Beim Loslassen des Schalters wird ein weiteres Datentelegramm abgesetzt, so dass damit eine vollständige An/Aus-Information vorliegt. Aufgrund der kurzen Datentelegramme ist die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen gering und Interferenzen mit anderen Funksystemen sind unwahrscheinlich. Weil in Sensornetzen eher geringe Datenmengen anfallen, die auch nur mit einer verhältnismäßig geringen Datenrate transportiert werden müssen, eignet sich die EnOcean-Funktechnik [12] auch sehr gut für den Aufbau von Sensorknoten.

Piezo-Wandler

Um aus kinetischer Energie elektrische Energie zu gewinnen, werden neben elektrodynamischen Wandlern häufig Piezo-Elemente verwendet. Druck, Stöße, Vibrationen und Schwingungen lassen sich sowohl bei Maschinen, Anlagen und beim PKW (Reifendrucksensor) ausnutzen als auch bei der menschlichen Bewegung, etwa in Laufschuhen, die mit geeigneten Piezo-Elementen ausgestattet sind. Da der Piezo-Effekt nur in nichtleitenden Materialien auftreten kann, sind industriell hergestellte Piezo-Elemente meistens Keramiken. Für die Verwendung als Energiewandler und damit als Energy Harvester existiert eine Vielzahl spezieller Piezo-Elemente, die in den meisten Fällen nach dem Prinzip eines Biegebalkens konstruiert sind.

Ein Piezo-Element generiert eine Wechselspannung, die nicht unmittelbar für den Betrieb einer Elektronikschaltung nutzbar ist. Der Baustein LTC3588 (Bild 6) von Linear Technology [13] enthält neben dem Gleichrichter einen Abwärtswandler, um die Piezo-Spannung (2,7 V bis 20 V) auf eine von vier wählbaren Ausgangsspannungen (1,8 V bis 3,6 V) zu wandeln. An einen derartigen AC/DC-Wandler lässt sich unmittelbar ein Piezo-Element anschließen, dessen Bewegungsenergie in einem separaten Kondensator (CS)  gespeichert wird, der für die nachgeschaltete Elektronik einen maximalen Strom von 100 mA zur Verfügung stellen kann.

Die Piezo-Elemente lassen sich an Maschinen, Pumpen und Turbinen, in Fahrzeugen oder auch durch „Human Power“ betreiben. In den meisten Fällen wird es nicht nötig sein, einen eigenen Piezo-Harvester realisieren zu müssen, denn insbesondere für industrielle Anwendungen gibt es zahlreiche fertig konfektionierte Elemente. Der wichtigste Parameter - neben den mechanischen Aspekten - ist die jeweilige Frequenz, für die sie spezifiziert sind.

Wichtig ist es also für Piezo-Elemente als Energy Harvester, dass sie möglichst einer gleichmäßigen Vibration im Hz-Bereich unterliegen, wie es etwa bei Pumpen gegeben ist. In einer Umgebung, wo stattdessen nur kurzzeitige (heftige), unregelmäßige Stöße auftreten, sind eher elektrodynamische Wandler geeignet. Spezialisiert auf Piezo-Elemente, die als Energy Harvester ausgelegt sind, ist die Firma Midé Technology aus Boston mit ihren Volture-Modulen [15], die aus Vibration direkt elektrische Leistung generieren.

Außerdem werden die so genannten Raw Vibration Energy Harvester (Schwinger plus Kontaktleiste) angeboten, die wesentlich preiswerter sind, dafür jedoch keine Wandlerelektronik enthalten.

Bekannt für Energy-Harvesting-Module, die aus Vibration Energie gewinnen, ist auch die amerikanische Firma AdaptivEnergy [16]. Die Module werden unter der Bezeichnung Joule Thief geführt und sind für unterschiedliche Frequenzen ausgelegt (Bild 7).

Die Technik ist bei allen Modulen die gleiche: ein Piezo-Element, welches als Ruggedized Laminated Piezo (RLP) bezeichnet wird. Dies ist im Prinzip ein Biegebalken (RLP Beam), der mit einer PZT-Keramik beschichtet ist, was in gewissen Grenzen auch eine entsprechende Kalibrierung gestattet. Der RLP-Beam liefert eine Wechselspannung bis zu 200 V, die mit einem Gleichrichter und einem DC/DC-Wandler in eine Gleichpannung von 1,8 V bis 3,6 V umgesetzt wird. Für die Energiespeicherung ist im Modul ein Kondensator vorhanden.