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Energy Harvesting für Elektroniksysteme

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

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Fortsetzung des Artikels von Teil 3

Wichtig: Das optimale „Zusammenspiel“ der Komponenten

Energieautarke Einzelraumregelung
Derzeit kommt diese Art der Energiegewinnung vor allem in Heizkörperstellventilen zum Einsatz. Kieback&Peter sowie Micropelt haben Stellventile entwickelt (Bild 7), die sowohl die Funkkommunikation als auch die Stellhubveränderungen des Ventils allein über die Energie aus Temperaturdifferenzen abdecken können. Damit ist eine Einzelraumregelung möglich, die ohne komplexe Verkabelung und Batterie-wechsel auskommt. Die Stellantriebe machen sich das Temperaturgefälle zwischen der Vorlauftemperatur der Heizung und der Umgebung zunutze. Dabei erzeugt ein Thermogenerator die elektrische Energie für den DC/DC-Wandler, der wiederum das Funkmodul und die An-triebselektronik mit der nötigen Spannung versorgt. Überschüssige Energie wird in einen temporären Speicher geladen. Somit funktioniert der Stellantrieb auch in den Übergangsmonaten, wenn die Temperatur im Heizungsvorlauf geringer ist. In der Sommerperiode geht der Stellantrieb automatisch in einen Ruhemodus, aus dem er dann selbständig erwacht, sobald die Heizung wieder angeschaltet wird.

Energieoptimiertes Funkprotokoll: unbedingt nötig

Der Einsatz von Energiewandlern und stromsparenden Funkmodulen für Sensoren und Aktoren ist nur in der Kombination mit einem energieoptimierten Funkprotokoll möglich. Die dafür notwendigen Eigenschaften definiert der internationale Funkstandard ISO/IEC 14543-3-10. Das Protokoll ist speziell für Funksysteme mit einem besonders niedrigen Energieverbrauch, also auch für Energy Harvesting, ausgelegt und umfasst den Physical-, Data Link- sowie den Networking-Layer. Die Applikationsebene decken einheitliche Anwendungspro-file (EnOcean Equipment Profiles, EEPs) ab. Dadurch können Produkte verschiedener Hersteller in einem System zusammenarbeiten. Diese Interoperabilität auf der Anwendungsebene wird von der EnOcean Alliance definiert. In dieser Organisation haben sich über 350 Unter-nehmen zusammengeschlossen, die Produkte und Lösungen auf Basis der batterielosen Funktechnologie entwickeln.
In Europa nutzt der Standard das Frequenzband 868 MHz. Die Telegramme sind nur eine ms lang. Obwohl die Sendeleistung bis zu 10 mW beträgt, hat die Funkübertragung nur einen Energiebedarf von etwa 30 μWs pro Einzeltelegramm. Um Sendefehler und Kollisionen auszuschließen, wird das kurze Telegramm zufallsgesteuert noch zweimal wiederholt. So lassen sich zahlreiche Funkschalter und -sensoren auf engstem Raum installieren und parallel betreiben. Jedes Modul verfügt über eine einmalige 32-Bit-Identifikationsnummer, die Über-schneidungen mit anderen Funksensoren ausschließt. Die Nutzdaten haben nur eine Länge von 8 Bit, sodass das gesamte Datentelegramm entsprechend wenig Energie bei der Funkübertragung benötigt. Die Reichweite der batterielosen Funksensoren liegt bei bis zu 30 m im Gebäudeinneren und bis zu 300 m im Freifeld.
Wichtig: Das optimale „Zusammenspiel“ der Komponenten
Die Energieerzeugung aus der Umgebung mit Hilfe von verschiedenen Energiewandlern hat sich in den vergangenen Jahren mit Sensor- und Aktorlösungen etabliert. Die Möglichkeiten des Energy Harvesting sind damit jedoch noch nicht erschöpft. Je effizienter die Wandler werden, desto mehr Energiequellen können sie erschließen beziehungsweise Batterien bei immer mehr Anwendungen ersetzen. Die Her-ausforderung besteht jedoch darin, dass der Wandler selbst nur ein Bestandteil ist. Nur im Zusammenspiel mit anderen Kriterien wie leis-tungsstärkeren Speichern, energiesparsameren Chips oder einem noch intelligenteren Energiemanagement lässt sich Energy Harvesting in breiten Anwendungsfeldern nutzen. Hier sind Entwickler gefordert, immer die Weiterentwicklung der gesamten Plattform im Blick zu be-halten. Denn Hersteller werden nur dann batterielose Technologie als attraktive Variante für ihre Produkte in Betracht ziehen, wenn sie sich nicht mit der Komplexität der Energieernte auseinandersetzen müssen. Bei Energy Harvesting spielt deshalb das Prinzip „Plug&Play“ für den weiteren Erfolg eine entscheidende Rolle.

Autor:

Frank Schmidt, Chief Technology Officer bei der EnOcean GmbH