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Energiequellen

Energy Harvesting für Elektroniksysteme

1. Juli 2014, 14:08 Uhr | Frank Schmidt

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Thermische Energie effinzient nutzen

In Temperaturunterschieden steckt viel Energie. Ein Tropfen Wasser um ein Grad Celsius gekühlt liefert z.B. genug Energie für 25.000 energieoptimierte Funktelegramme. Allerdings ist die Produktintegration hier komplexer als bei kinetischer oder Licht-Energie und erfordert mehr technisches Wissen. Deshalb steckt hier die Produktentwicklung noch am Anfang. Allerdings ist das Potenzial entsprechend groß. Bei der Heizungs-, Klima- und Lüftungssteuerung, in der Prozessautomatisierung, in Fahrzeugen und sogar am menschlichen Körper findet sich Wärme – und damit ein Temperaturunterschied gegenüber der Umgebung. Außerhalb von Gebäuden lassen sich zudem Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht nutzen.

Mit Hilfe von Temperaturunterschieden können nicht nur Sensoren, sondern auch Aktoren batterielos mit Energie versorgt werden. Die Energie gewinnen dabei Thermogeneratoren beziehungsweise Peltier-Elemente. Kostengünstige Peltier-Elemente haben allerdings einen entscheidenden Nachteil: Sie produzieren nur sehr kleine Spannungen von etwa 10 mV pro K (Kelvin. Ein K Temperaturdifferenz – ohne „Grad“-Symbol – entspricht einem Unterschied von 1 Grad Celsius). Eine angeschlossene Elektronik, beispielsweise ein EnOcean-Sensormodul, braucht jedoch eine Versorgungsspannung von 3 V. Zusätzlich zum Peltier-Element benötigt diese Form der Energiegewinnung einen DC/DC-Wandler wie z.B. den Typ ECT 310 (Bild 5). Dieser verstärkt die erzeugten Spannungen auf ein für Elektronik nutzbares Niveau. Der optimierte Oszillator beginnt bereits ab einer Eingangsspannung von 10 mV zu schwingen. Ab 20 mV (ca. 2 K Temperaturdifferenz an einem Peltier-Element) wird eine nutzbare Ausgangsspannung >3 V erzeugt. Für den hohen Wandlerwirkungsgrad von 30 % wird im gesamten Eingangsspannungsbereich bis 500 mV die Ausgangsspannung nur grob auf unterhalb von 5 V geregelt. Damit sind die Voraussetzungen ähnlich wie bei unregulierten Versorgungsspannungen von Solarzellen. Die batterielosen Funkmodule können problemlos damit umgehen, da sie speziell für diese Art der Energieversorgung ausgelegt sind.

Bei einem Temperaturunterschied von nur 7 K werden bereits rund 100 μW Energie erzeugt (Bild 6). Ein typisches EnOcean-Funkmodul, das alle zwei Minuten zum Senden eines Funktelegramms geweckt wird, benötigt durchschnittlich 5 μW. Damit bleibt mit 95 μW genug Energie zur periodischen Versorgung einiger Aktoren, beispielsweise zur Steuerung von Wasserventilen, Luftklappen oder anderen mechanischen Komponenten.

Die Abmessungen des ECT-Moduls betragen lediglich 16 × 16 × 5 mm3, sodass es auch in kleine Formfaktoren passt. Die Energieversorgung selbst ist komplett von der Sensorik abgekoppelt. Dadurch wird die Energie zwar über die Temperatur gewonnen, der Sensor kann aber eine vollkommen andere Prozessgröße wie beispielsweise Druck oder Feuchte messen.