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Gemeinsames Projekt von Sharp und Arrow

Energieautarkes Display-System kommt ohne Strom aus der Steckdose aus

7. Juli 2010, 10:46 Uhr | Karin Zühlke

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Ausgeklügeltes Energie-Konzept

Mit einer Ausgangsleistung von bis zu 300 mW bei einer Fläche von nur 27,7 cm² zählt das Solarpanel LR0GC02 von Sharp zu den effizientesten Solar-Modulen. Dabei ist das Mini-Modul nur 0,8 mm dick. Der Wirkungsgrad von 12,8 Prozent der Zellen aus polykristallinem Silizium ist in etwa doppelt so groß wie der von amorphen Zellen. Insgesamt erbringen die zehn Zellen des Solarpanels eine Ausgangsspannung von 5 V bei maximal 60 mA. Theore-tisch sei das zwar ausreichend, um das elektronische Inhaltsverzeichnis samt Memory LCD, Prozessor und Peripherieeinheiten mit Strom zu versorgen, betont Delmer. Allerdings muss die Anwendung auch bei eher mittelmäßigen Lichtverhältnissen in Büroräumen funktionieren – und genau an diesem Punkt wird es knifflig: Zwar liefern die Solarzellen bei hellem Tages-licht auch in Innenräumen mehr als genug Strom, um den Solar Reader zu betreiben, an trü-ben Tagen erreichen die Zellen jedoch nur eine Ausgangsleistung von einigen hundert Mikroampere bei einer Spannung von ein bis zwei Volt. »Um die stark schwankenden Lichtver-hältnisse zu kompensieren, brauchen wir einen Energiezwischenspeicher, um bei starkem Lichteinfall Stromreserven aufzubauen, so dass man die Applikationen auch bei schwachem Lichteinfall betreiben kann«, erklärt Delmer. »Allerdings dürfen die Akkus dabei den Formfaktor der Applikation nicht negativ beeinträchtigen, denn viel Platz haben wir dafür nicht«. Die Wahl fiel auf die Thinenergy Zellen von Infinite Power Solutions, die sich dank ihrer Bauhöhe von nur 0,17 mm problemlos in den zur Verfügung stehenden Slot fügen. Die Akkuzelle vom Typ Thinergy MEC 101 hat eine Kapazität von 1,0 mAh bei einer Ausgangsspannung von 4,1 V. »Das reicht aus, um den Betrieb des Solar Readers fast 19 Stunden im Uhrzeitmodus aufrecht zu erhalten, ohne dass die Solarzelle zusätzlich Energie einspeist«, so Delmer.

Eine besondere Herausforderung bei diesem Projekt war außerdem das Power Management: Weil die Akkuzelle nur 4,1 Volt liefert, das Display jedoch 5 und der Microcontroller 3,3 V benötigten, sind sowohl ein Boost als auch ein LDO-Regler notwendig, wie Delmer erläutert: »Die Problematik dabei ist, dass viele DC/DC Boost Wandler bei geringen Strömen eine sehr schlechte Effizienz bieten.« Die Projektpartner entschieden sich für den LTC3525 von Linear Technology. Bei durchschnittlich 140 µA Last im Slideshow Modus hat dieser DC/DC Konverter eine Effizienz von fast 90 Prozent. Als LDO wählte das Team den TPS780033022 von Texas Instruments. Auch hier ist der Verlust von 0,5 µA bei 0,7V Drop-Spannung minimal.

Solarzellen mit 16,5 Prozent Wirkungsgrad

»Mit einem Wirkungsgrad von 12,8 Prozent sind wir noch lange nicht am Ende der Fahnenstange angekommen«, sagt Johannsen. Die nächste Generation der Sharp Zellen aus monokristallinem Silizium stellen einen Wirkungsgrad von bis zu 16,5 Prozent in Aussicht. Zudem plant das japanische Unternehmen, Dünnschicht Solarzellen für portable Applikationen, die hauptsächlich im Innenbereich zum Einsatz kommen, auf den Markt zu bringen. Diese sollen eine verbesserte Stromausbeute unter Kunstlichtbedingungen erreichen, »einen Energiezwischenspeicher wird man aber so oder so wegen der wechselhaften Lichtverhältnisse immer brauchen«, so Johannsen. »Doch je mehr Energie die Solarzellen im Schnitt bereit stellen, desto mehr aktive Funktionalitäten lassen sich integrieren.« Alternativ können bei einem höheren Wirkungsgrad die Solarzellen kleiner dimensioniert werden, was dem Gehäusedesign der Applikation zugute kommen würde.

Zwar ist der Solar Reader vorerst ein kundenspezifisches Projekt und der Beweis dafür, dass energieautarke Anwendungen möglich sind, dabei soll es aber nicht bleiben, wenn es nach dem Willen der Projektpartner geht: »Der Markt für Ultra Low Power und Energy Harvesting Anwendungen ist noch jung, doch Marktforscher schätzen das Wachstum des Segments auf jährlich 70 bis 75 Prozent, so dass wir hier in ein paar Jahren über ein globales Marktvolumen von zwei bis vielleicht vier Milliarden Dollar sprechen«, erklärt Delmer.