Systemdesign / Energy-Harvesting Temperaturgradienten effizient wandeln

Bild 4: Aufbau einer TEG-Komponente
Ein TEG wandelt Temperaturgradienten in elektrische Spannung

Oft entscheiden nur wenige Milliwatt über die Autonomie eines Sensorknotens. Dann wird der Lastabgleich kritisch. Ein generisches Design wird diskutiert.

Die Verbreitung von drahtlosen Sensorknoten mit extrem geringer Leistungsaufnahme (WSN), sowie Fortschritte in der Wandlertechnologie,  ermöglichen völlig autonome Systeme zur Datenerfassung und Steuerung; anstelle einer Primär- oder Sekundärbatterie erfolgt die Versorgung über Wandlung einer Energiequelle in der unmittelbaren Umgebung.

Diese Stromversorgung eines WSN ist attraktiv, da Batterie- und Kabelbedarf gemindert werden. Dies ist ein Vorteil, wenn der Batteriewechsel oder die Wartung schwierig, arbeits- und kostenintensiv ist. Zudem sind kabellose Erfassungs- und Steuerungssysteme einfacher zu erweitern. Energie sammelnde drahtlose Sensorsysteme kommen in unterschiedlichen Bereichen wie Bestandserfassung, strukturelle Zustandsüberwachung (Brücken, Pipelines, Eisenbahnen, Straßen) oder Landwirtschaft und Fabrikautomatisierung (Prozesskontrolle, Maschinenüberwachung) vor. Die bekanntesten Kollektoren zur Energiegewinnung sind große Solarmodule und Windgeneratoren, die zu wichtigen alternativen Energiequellen für das Stromnetz geworden sind. Kleine eingebettete Geräte beruhen jedoch auf energieeffizienten Modulen, die Milliwatt Leistung aus Licht, Vibrationen, Wärme und sogar biologischen Quellen aufnehmen können. Je näher ein Energie-Akquisemodul den Gesamtanforderungen eines Embedded-Systems kommt, desto unabhängiger wird das System von einer direkten stationären Versorgung. In Szenarien mit einer effektiv unerschöpflichen Quelle, wie eine seltene HF-Rückmeldung, ist das Sammeln zu einer attraktiven Alternative zur stationären Versorgung gewachsen. Bei geeigneter Spezifizierung und Design, sind diese Systeme wartungsfrei und über die gesamte Anwendungsdauer verfügbar.

Energy-Harvesting

Derzeit wandeln bereits viele reale Anwendungen die gesammelte Energie zur Hauptstromquelle des Systems. WSNs profitieren dabei besonders, wenn sie in einer Umgebung arbeiten, in der ein Netzgerät oder eine Primärbatterie unzuverlässig, unvorhersehbar oder nicht verfügbar ist.

Potenzielle Energiequellen sind:

  • Thermische Energie - Abwärme nach Produktion aus Öfen, Heizungen und Reibungsquellen
  • Lichtenergie - eingefangen aus Sonnenlicht oder Innenbeleuchtung
  • Mechanische Energie - aus Quellen wie Vibrationen, mechanischer Belastung und Dehnung
  • Elektromagnetische Energie - von Induktoren, Spulen und Transformatoren
  • Natürliche Umgebungsenergie - wie Wind, Wasserfluss und Meeresströmungen
  • Am menschlichen Körper - eine Kombination aus mechanischer und thermischer Energie, die natürlich oder handlungsbasiert erzeugt wird
  • Sonstige Energie - aus chemischen und biologischen Quellen

Bild 1 zeigt die Energiedichte aus diesen Quellen in Form von µW/cm2 oder µW/cm3, je nach zwei- oder dreidimensionalem Kollektor. Demnach ist Tageslicht im Freien am ertragreichsten, dicht gefolgt von Wärme, Dehnung und Innenbeleuchtung.

Drahtlose Sensorlösung

Ein Energy-Harvesting-System wandelt die Energiequelle mit elektronischen Komponenten zur Stromversorgung.

Dazu gehören in der Regel:

  • Ein Energiewandler, z.B. ein piezoelektrisches Element oder ein Solarmodul, zum Umsetzen der Umgebungsenergie in eine elektrische Energieform
  • Eine elektronische Schnittstellenvorrichtung oder ein elektronischer Konverter, z.B. ein Niederspannungs-Buck-Boost-Konverter, um Energie von einer Niederspannungsquelle aufzunehmen und in eine geregelte nutzbare Spannung umzuwandeln; damit wird eine Last getrieben und/oder eine Batterie oder ein Speicherkondensator geladen.
  • Sensoren, Mikrocontroller und eine Sender-Empfänger-Einheit zum Lesen, Aufzeichnen und Übertragen der Daten als Teil des WSN

Diese Module sollten einen niedrigen Ruhestrom tragen, damit die gewonnene Energie auch an das Sensornetzwerk oder das Steuer- und Überwachungsgerät weitergegeben werden kann. Dabei sollten die emittierte Durchschnittsleistung der Quelle und die Leistungsaufnahme des Geräts im fehlerfreien Betrieb bekannt sein. Im Zentrum steht die Arbeitsauslastung. Viele drahtlose Sensorsysteme setzen nur eine geringe Durchschnittsleistung um und sind somit durch Harvesting versorgbar.

Sensorknoten können zeitlich langsam veränderliche physikalische Größen erfassen. Die Erfassung und Weitergabe eines Messwerts erfolgt dann selten, was eine niedrige Betriebsdauer und gleichsam niedrigen Leistungsbedarf bedingt. Ein Sensorsystem im Wachzustand - 3,3 V bei 30 mA (100 mW) - entspricht bei 10 ms Aktivität in einer Sekunde, einer durchschnittlichen Leistungsaufnahme von etwa 1 mW. (Annahme: Ruheströme im µA-Bereich) Wird das Erfassungsintervall von einer Sekunde auf eine Minute ausgedehnt, so sinkt die Durchschnittsleistung auf unter 20 µW.

Dieser Unterschied ist signifikant, da die meisten Energiequellen nur sehr wenig nutzbare Leistung bieten; oft nicht mehr als ein paar Milliwatt und in einigen Fällen nur Mikrowatt. Je geringer die durchschnittliche Leistung einer Applikation beträgt, desto wahrscheinlicher wird eine Versorgung durch Harvesting.