Energy Harvesting – Technologie und Expertise bei IK Elektronik

Energie umgibt uns überall, so etwa als Licht-, als Wärme- oder als Bewegungsenergie. Der Begriff Energy Harvesting wird für technische Methoden zur Nutzung dieser Umgebungsenergie verwendet, meist im Zusammenhang mit geringen Energiemengen. Sensoren, Uhren, Schalter oder sogar Aktorelemente können mit dieser Energie gespeist werden und Batterien oder andere permanente Energiequellen können dadurch entfallen. Anwendung findet Energy Harvesting zum Beispiel in kleinen elektronischen Geräten zur Überwachung von Räumen oder Zuständen, zur Erfassung von Messwerten oder als elektronische Schalter, deren elektrische Energie aus der mechanischen Energie des Schaltvorgangs gewonnen wird. Da es sich in der Regel um autonome Geräte ohne Anschlussleitung handelt, erfolgt die Übertragung der Informationen vom Gerät oder zum Gerät per Funkkommunikation.

Prinzipschaltbild und Aufbau

Funksensor mit Energy Harvester von IK Elektronik

Arten von Umgebungsenergie

EnergiequellePhysikalischer EffektHarvesterAnwendung
Licht / SolarenergieFotoelektrischer EffektSolarzelleTaschenrechner, Raumthermostate, Umgebungssensoren
RotationInduktionGenerator, DynamoAllgemeiner Standard
LinearbewegungPiezoelektrischer Effekt; Induktion; ReibungselektrizitätPiezowandler; Elektrodynamische Wandler; Elektrostatische WandlerEnergieautarke Schalter (z.B. EnOcean, ZF)
VibrationPiezoelektrischer Effekt; InduktionPiezowandler; Elektrodynamische WandlerSensorschraube u.a.
TemperaturdifferenzenSeebeck-EffektThermoelektischer Generator (TEG)Nur sehr geringe Energiemengen
Elektromagnetische EnergieElektrische und magnetische KopplungKoppler und AntennenDrahtloses Laden; Energie aus Hochspannungsleitungen starken HF-Feldern
Andere Energie wie Schall, biologische Prozesse

Technischer Stand bei Energy Harvestern

Die sehr unterschiedlichen Anforderungen an energieautarke Geräte führen auch zu unterschiedlichen technischen Lösungen.

Solarzellen gibt es in verschiedenen Ausführungen und Leistungsbereichen (amorph, mono- und polykristallin). Solarzellen sind gut anpassbar und werden häufig für autarke Sensoranwendungen eingesetzt, insbesondere im Außenbereich.

Elektrostatische Konverter erreichen die niedrigsten Leistungsstufen (aber hohe Spannungen) und sind kaum als kommerzielle Produkte erhältlich. Piezoelektrische Wandler haben eine erhebliche Alterung und erreichen somit keine lange Lebensdauer. Elektrodynamische Wandler sind eine ideale Kombination aus langer Lebensdauer, hoher Energiedichte und geringer Alterung. Begrenzend könnte die notwendige Größe für eine bestimmte Leistung wirken. Sowohl elektrostatische als auch elektrodynamische Harvester liefern Wechselspannung, die gleichgerichtet werden muss. Die Richtung der Anregung durch eine mechanische Bewegung kann aus dem Signal jedoch zusätzlich abgeleitet werden, um z.B. die Betätigungsrichtung von Schaltwippen zu ermitteln.

Wandler für Vibrationsenergie sind spezielle Versionen von elektrostatischen oder elektrodynamischen Wandlern. Sie sind wenig verbreitet und häufig noch Gegenstand von Forschung.

Der thermoelektrische Wandler (TEG) ist in verschiedenen Ausführungen und Leistungsbereichen handelsüblich. Die TEG ist gut skalierbar und daher an unterschiedliche Anwendungsszenarien anpassbar. Voraussetzung für eine zuverlässige und dauerhafte Funktion ist das Vorhandensein eines kontinuierlichen Wärmeflusses zwischen Wärmequelle und Wärmesenke, da für das Umwandlungsprinzip ein erheblicher Temperaturgradient erforderlich ist und der Wirkungsgrad sehr gering ist.

Energy Harvesting aus elektromagnetischen Feldern wird auf Hochspannungsleitungen an Strommasten zur Energieversorgung von Sensoren verwendet. Auch das kabellose Laden von Zahnbürsten oder Mobiltelefonen ist ein kommerzieller Anwendungsfall. Diese Art der Energieerzeugung kann nur zusammen mit künstlich erzeugten Feldern eingesetzt werden. Die Stärke von natürlicher elektromagnetischer Energie, die in der freien Umgebung zur Verfügung steht, ist zu gering um technisch genutzt zu werden.

Beispiele realisierter Produkte bei IK Elektronik

Die Entwicklung von Baugruppen und Geräten mit Energy Harvesting und Funk ist ein Spezialgebiet von IK Elektronik. Beispiele:

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