Minigeneratoren Energy Harvester zur netzunabhängigen Stromversorgung

Energie aus HF-Strahlung

Die Nutzung der Energie von elektromagnetischen Feldern wird im Nahfeld erfolgreich mit Transpondern praktiziert, wofür zahllose Beispiele mit der RFID-Technik (Radio Frequency Identification) existieren. RFID basiert auf der Wirkung eines Induktionsfeldes und ist in seiner Reich-weite demnach auf wenige Meter beschränkt.

Uns umgibt eine Vielzahl von elektromagnetischen Wellen, wie Radio-, TV- und Mobilfunknetze, deren Energie prinzipiell auch für die Versorgung von Kleingeräten zu verwenden wäre. Die Funktionsfähigkeit dieses Prinzips ist seit langem anhand des batterielosen Detektorempfängers (Diodenradio) bewiesen, der die Energie der Trägerwelle von Rundfunksignalen für seinen Betrieb nutzt.

Da die Energiegewinnung unter dem Begriff RF Energy Harvesting (Radio Frequency) relativ neu ist, wird auf diesem Gebiet recht intensiv geforscht. Firmen wie NEC, Intel und Nokia arbeiten bereits seit einiger Zeit an verschiedenen Breitbandempfängern, die beispielsweise Signale in einem Frequenzbereich zwischen 500 MHz und 10 GHz gewinnen wollen, etwa für die Spannungsversorgung von Mobiltelefonen oder anderen Kleinverbrauchern.

Diese Art der Energiegewinnung aus unterschiedlichen elektromagnetischen Quellen (Sendern), also möglichst breitbandig, hat in der Praxis bisher noch zu keinen verwertbaren Ergebnissen geführt, denn die Signalstärke von DVB-T, WLAN oder auch von Mobilfunknetzen ist sehr stark ortsabhängig und in der Regel auch viel zu gering, als dass sich hiermit ein Energy Harvesting betreiben ließe, welches auch nur annähend mit Solarzellen, Thermogeneratoren oder den anderen bisher erläuterten Verfahren vergleichbar wäre.

Eine andere Situation ergibt sich, wenn ein Sendesignal, dessen Energie für die Versorgung eines Embedded Systems eingesetzt werden soll, selbst erzeugt wird. Die Firma Powercast Corporation [17] aus Pittsburgh bietet ein derartiges System an. Bei einer Frequenz von 915 MHz ist es möglich, bis zu 15 m entfernt stehende Geräte mit Energie (und Daten) zu versorgen.

Zugelassen ist dieses System bisher nur in den USA und Kanada. Es wird als Lifetime Power Energy Harvesting Development Kit for Wireless Sensors mit dem Transmitter X91501 (Sender mit maximal 3 W) sowie mit zwei Wireless Sensor Nodes, die entweder mit einer Dipol- oder mit einer Patch-Antenne verbunden werden können, und einer Entwicklungsumgebung von Microchip mit den passenden Hardware-Komponenten angeboten.

Powercast stellt bisher zwei Chips (P1110, P2110, Bild 8) für den Bereich 850 MHz bis 950 MHz her, aber noch nicht für andere Frequenzen, wobei der häufig genutzte Bereich von 2,4 GHz mit WLAN, Bluetooth und anderen Geräten (Mikrowellenherde, Türöffner) noch interessant wäre.

Die beiden Powercast-Receiver sind vom Aufbau her fast identisch und benötigen am HF-Eingang lediglich eine Antenne (50-Ω-Abschluss). Der nur unwesentlich teurere Typ P2110 enthält im Gegensatz zum P1110 zusätzlich einen Aufwärtswandler und ist empfindlicher (-12 dBm statt -5 dBm). Der Aufwärtswandler im P2110 benötigt für die Speicherung einen externen Kondensator (am Pin UC). Am Ausgang (Pin UA) kann dann eine maximale Spannung von 5,25 V bei 50 mA abgegriffen werden. Die maximale Stromstärke ist auf 100 mA begrenzt.

Für beide Energy Harvester sind entsprechende Evaluation-Boards (P1110-EVB, P2110-EVB) verfügbar. Im Prinzip handelt es sich dabei um die gleiche Platine, die vom Hersteller nur unterschiedlich bestückt wird. Wichtigster Bestandteil neben dem jeweiligen Harvester ist der Kondensator (AVX Bestcap) ganz rechts auf der Platine (C6: 50 mF/5,5 V, Bild 8), der die „geerntete“ Energie aufnimmt. Wenn die benötigte Energie selbst erzeugt wird, entspricht dieser Ansatz eigentlich nicht dem Prinzip des Energy Harvesting. Dennoch kann die Technik von Powercast für das Energy Harvesting eingesetzt werden. Der P2110-Receiver ist zwar für 915 MHz optimiert, kann jedoch Signale im Bereich von 850 bis 950 MHz in eine Gleichspannung umsetzen.

Das D-Mobilfunknetz arbeitet bei 900 MHz, so dass ein sendendes Funktelefon Energie für den Powercast-Receiver liefern kann. Dabei ist das Mobiltelefon in unmittelbarer Nähe des Empfängers - also im Nahfeld - zu positionieren, andernfalls lässt sich keine verwertbare Gleichspannung gewinnen. Dies ist eine ernüchternde Erkenntnis, womit der Idee (noch) kein Erfolg beschieden ist, dass der Empfänger P2110 direkt aus dem Mobilfunknetz nutzbare Energie für eine Spannungsversorgung beziehen kann. Im Übrigen ist die Energiegewinnung aus den HF-Feldern der verschiedenen Sendeanlagen laut Bundesnetzagentur nicht statthaft.