Energie-autarke Funksensornetze

Energetische Charakterisierung

Grundsätzlich ist zwischen zwei Energiewandlertypen zu unterscheiden: Bei einem Grundlastwandler wandelt das System zu jeder Zeit eine Mindestmenge Energie. Im Beispiel könnte dies etwa ein an der pneumatischen Hauptversorgung angeschlossener Wandler sein.

Die zweite Möglichkeit ist ein unterbrochen arbeitender Wandler. Bei ihm ist die Energiewandlung vom Zustand eines Teilsystems abhängig, beispielsweise von der Wärme-Entwicklung, der Aktivität des Vakuum-Sauggreifers oder der Bewegung eines Zylinders. Ist das Systemverhalten bekannt, d.h., wie oft und für welche Zeitdauer das Teilsystem mindestens aktiviert wird, so ist eine Aussage über die mittlere gewährleistete Leistung, die Energierate, möglich.

Im Betrieb wird die Leistung eines Wandlers durch freie Designparameter wie etwa die Größe eines Piezowandlers oder die Solarzellen- oder Thermowandlerfläche gekennzeichnet. Angepasst an die Umgebungsbedingungen kann durch Verändern der Designparameter eine vorgegebene Energierate gewährleistet werden. Konkret hängt die Energierate eines pneumatischen Piezo-Energiewandlers vom Volumen des Piezoelements ab, das sich durch den gegebenen Luftstrom deformieren lässt. Durch Verwendung mehrerer Wandler vom gleichen Typ lässt sich dieses Volumen einfach skalieren.

Lokale Energiewandler

Wärme-Energie, Strahlung, mechanische Bewegungen und Vibrationen sowie strömende Medien (Luft, Wasser) können also als lokale Energiequellen dienen. Während für die Wandlung von thermischer Energie und Strahlungsenergie bereits halbleiterbasierte Lösungen existieren, werden für Vibrationen und strömende Medien Wandler benötigt, die zunächst eine mechanisch-elektrische Kopplung herstellen. Die technischen Lösungen sind breit gefächert und reichen von Piezo-Vibrations-Systemen über elektromagnetische Systeme bis zu Mikroturbinen und strömungs-angeregten Piezo-Schwingern. Hieraus ergeben sich insbesondere für die Optimierung und Miniaturisierung der Wandlertypen für den Mikroenergiebereich Potenziale.

• Solarzellen

In Funksensornetzen gang und gäbe ist mittlerweile die Nutzung von Solarzellen für autarke Sensorknoten. Heute ermöglichen beispielsweise hocheffiziente Zellen des Fraunhofer ISE einen sicheren Betrieb auf kleinstem Raum und trotz kleiner Beleuchtungsstärken, wie sie in Fabrikhallen auftreten können. Dies ist insofern bedeutsam, als die Ausgangsspannung von Solarzellen in hohem Maße abhängig von der Beleuchtungsstärke ist. Folglich sind für den Mikroenergiebereich neue elektronische Konzepte nötig, um mehr Flexibilität im Auslegen der Sensorschaltung zu bekommen, eine variable Spannung zu ermöglichen und ein effizientes Laden von Kondensatoren zu realisieren. Ein Beispiel für ein solches neues Konzept ist ein LED-Flasher, der nur eine einzelne Solarzelle mit einer Zellenspannung von etwa 400 mV bei Bürobeleuchtung benötigt, um mit Hilfe einer Low-Voltage-Spannungswandlung im Mikrowatt-Bereich eine LED periodisch aufblinken zu lassen. Anstatt eine LED zu betreiben, ließe sich mit diesem Prinzip auch periodisch ein Datenpaket über die Funkschnittstelle senden.

1. Energie-autarke Funksensornetze
2. Autarke Funksensorsysteme der Zukunft
3. Temperaturdifferenz als Basis
4. Energetische Charakterisierung