Mit der zunehmenden Verbreitung von IoT-Lösungen steigt auch die Nachfrage nach energieeffizienten Geräten, die mit natürlicher Energie betrieben werden können. Nun stellen sich Fragen: Vor welchen Herausforderungen stehen Energiesammler bei der Energiegewinnung? Welche Energieoptionen existieren für Geräte? Welche Halbleiterlösungen gibt es für Ingenieure?
Was ist Energiegewinnung?
Energiegewinnung ist, wie der Name schon sagt, die Gewinnung von Energie zur Stromversorgung eines Geräts. Im Gegensatz zu batterie- oder netzbetriebenen Geräten kann ein Energiesammler Energie aus seiner Umgebung gewinnen und macht damit einen Stromanschluss überflüssig. Während Energiesammler immer häufiger eingesetzt werden, gibt es die Idee von Energiesammler-Schaltkreisen schon seit Jahrzehnten.
Ein Beispiel dafür ist ein Taschenrechner mit kleinen Solarzellen, der bei Umgebungslicht funktioniert. Solche Taschenrechner gibt es seit den 1990er Jahren, und sie waren nur dank des geringen Energieverbrauchs von einfachen Taschenrechnerchips und LCD-Anzeigen ohne Hintergrundbeleuchtung möglich.
Bei Geräten, die mehr Strom benötigen, laden Energiesammler häufig einen kleinen Kondensator oder eine Batterie über einen gewissen Zeitraum hinweg auf. Wenn eine bestimmte Ladung oder Spannung erreicht ist, wird die Energie schnell wieder freigegeben. Dadurch kann ein Gerät zwar nur für kurze Zeit einsatzbereit sein, aber es ist völlig unabhängig von externen Stromquellen (d. h. es kann an den entlegensten Orten betrieben werden).
Da die von Energiesammlern genutzten Energiequellen oft begrenzt sind, waren Geräte mit dieser Technologie zur Energiegewinnung in der Vergangenheit auf sehr einfache Funktionen beschränkt. Aber die Einführung von SoC (Systems-on-Chips) mit niedrigem Stromverbrauch und fortschrittlichen IC (integrierten Schaltkreisen) für das Energiemanagement öffnet die Welt der Elektronik allmählich für Energiesammler als praktikable Energiequelle. Was sind die Herausforderungen bei der Energiegewinnung? Welche Energiequellen gibt es? Und welche Lösungen gibt es zur Zeit für Ingenieure?
Woher kann Energie herkommen?
Wenn es um Energiesammler geht, kann so gut wie jede in der Umgebung natürlich vorkommende Energiequelle Strom liefern. Zu diesen Energiequellen gehören Licht, Wind, mechanische Einwirkungen, Temperatur, Schall und Radio.
Licht ist eine der gebräuchlichsten Energiequellen, da es im Überfluss vorhanden ist, aber es sollte nicht mit Solarenergie verwechselt werden. Sonnenkollektoren und Solarzellen werden zur Stromerzeugung verwendet, wenn sie dem Sonnenlicht ausgesetzt sind (wie dies auch bei einem Energiesammler der Fall ist); im Gegensatz zu Energiesammlern funktionieren sie jedoch nicht mehr, wenn sie beschattet werden. Ein Lichtenergiesammler hingegen kann auch bei wenig Licht arbeiten und ist häufig in Taschenrechnern und kleinen Geräten zu finden. Dadurch können auf Licht basierende Energiesammler auch nachts unter künstlichem Licht (z. B. Straßenlaternen und Gebäudeschilder) funktionieren. Darüber hinaus lassen sich die Solarzellen, die in Energiesammlern verwendet werden, aufgrund ihrer geringen Größe leicht in ein Design integrieren, und das Fehlen beweglicher Teile trägt zu einer höheren Zuverlässigkeit bei, wenn sie an einem abgelegenen Ort eingesetzt werden.
Wind ist ein weiteres Beispiel für eine natürliche Energiequelle, die genutzt werden kann. Wie bei den Sonnenkollektoren besteht ein deutlicher Unterschied zwischen einer Windturbine, die zur Erzeugung großer Energiemengen eingesetzt wird, und einer, die für den Einsatz mit einem einzigen Gerät miniaturisiert wird. Ein Energiesammler, der Wind nutzt, ist so konfiguriert, dass er bei schwachen Brisen arbeitet, die durch Luftkonvektion, Luftströmung in Gebäuden und die Bewegung eines Geräts durch die Luft verursacht werden. Doch selbst ein kleines Windenergiegerät wäre sehr groß, weshalb es nur selten eingesetzt wird (wenn Windenergie gewünscht ist, wird wahrscheinlich eine Turbine verwendet).
Mechanische Vorgänge können auch als Energiequelle für kleine Geräte genutzt werden, so zum Beispiel Druck, Zug, Biegung und Beschleunigung. Typischerweise wird ein piezoelektrisches Element verwendet, um eine mechanische Kraft in Elektrizität umzuwandeln (z. B. Türklingeln und Gehwege). Tragbare Geräte können Energie aus der Bewegung der Arme über einen an Federn, die eine Spule umgeben, aufgehängten Magneten erzeugen. Solche Energiequellen sind ideal, wenn bei einem Gerät mit häufigen mechanischen Kräften zu rechnen ist, aber die Verwendung von beweglichen Teilen kann im Laufe der Zeit zu Verschleiß führen – und eine unregelmäßige mechanische Energie kann es schwierig machen, sie als zuverlässige Energiequelle zu nutzen.
Energiesammler können auch thermische Energie gewinnen, sofern ein Temperaturgradient besteht (d. h. sowohl eine heiße als auch eine kalte Seite). Dies wird in der Regel beim Einsatz von Thermoelementen ausgenutzt, die eine Spannung erzeugen, wenn sie einem Temperaturgradienten ausgesetzt werden. Wenn der Temperaturgradient gleichmäßig ist, kann er eine sehr zuverlässige Energiequelle darstellen, aber der geringe Wirkungsgrad von Thermoelementen macht sie unpraktisch in der Anwendung. Da Thermoelemente Festkörper sind, gibt es keine beweglichen Teile, was sie für den langfristigen Einsatz zuverlässig macht. Der Einsatz eines speziellen TEG (Thermoelektrischer Generator) kann jedoch dazu beitragen, die aus einem Temperaturgradienten gewonnene Energie zu erhöhen.
Auch die vom Menschen verursachten Radioemissionen stellen für Energiesammler eine brauchbare Energieoption dar. Die Funkwellen von Wi-Fi-Routern, Mobilfunknetzen und Radiosendern können zur Stromversorgung von Geräten genutzt werden. Quarzradios, die sich in der Nähe einer Radiostation befinden, können sogar ohne zusätzlichen Strom betrieben werden. Die meisten Radioenergiequellen sind jedoch extrem klein, was den Betrieb von Energiesammlern erschweren kann.
Was sind die Herausforderungen bei der Energieumwandlung?
Energie ist zwar in unserer Umgebung natürlich vorhanden, doch die Nutzung dieser Energie stellt uns vor große Herausforderungen. Die erste große Hürde, die Energiesammler überwinden müssen, ist die Tatsache, dass die in der Natur vorkommenden Energiequellen unglaublich klein sind. Während Solarzellen beträchtliche Spannungen erzeugen können, kann die durch Mechanik, Vibration, Radiowellen und Schall erzeugte Energie im Nanowattbereich liegen. Da sowohl Spannung als auch Strom proportional zur Leistung sind, wird die erzeugte Leistung entweder eine sehr geringe Spannung oder einen sehr geringen Strom erzeugen.
Damit sind wir bei der ersten großen Hürde für Energiesammler angelangt: der Energiegewinnung. Ein Energiesammler-Schaltkreis, dessen erzeugte Spannung zu niedrig ist, kann die Halbleiterkomponenten nicht aktivieren, da eine Vorspannung in Durchlassrichtung erforderlich ist (z. B. leiten Siliziumdioden erst ab einem Durchlassspannungsabfall von 0,6 V).
Die Spannung kann erhöht werden, indem die Art des Energiesammlers verändert wird (z. B. durch Hinzufügen weiterer Schleifen zu einem Induktor oder durch Erhöhung der Eingangsimpedanz des Energiesammlers), was jedoch in einem geringeren Strom resultiert. Ein geringerer Strom bedeutet, dass mehr Zeit benötigt wird, um einen Kondensator oder eine Batterie aufzuladen, und dies führt zu einem geringeren Betriebs-Lade-Verhältnis.
Wenn ein Energiesammler diese Herausforderung meistern kann, besteht die zweite Herausforderung darin, diese Energie zuverlässig zu speichern. Kondensatoren sind klein, können Ladung speichern und schnell auf großen Strombedarf reagieren; je nach verwendeter Technologie können sie jedoch Leckagen aufweisen. Außerdem weist der Ladestromkreis ein gewisses Maß an inhärenten Leckagen auf, die durch nicht-ideale Komponenten verursacht werden. Ein Energiesammler muss also dafür sorgen, dass er schneller laden kann als durch natürliche Leckagen entladen wird.
Die dritte Herausforderung für Energiesammler besteht darin, festzustellen, wann die gespeicherte Energie ausreicht, um ein Gerät zu betreiben. Eine der einfachsten Möglichkeiten besteht darin, einen Kondensator bekannter Größe zu verwenden und zu warten, bis die Spannung einen bestimmten Wert erreicht hat (der direkt der gespeicherten Energie entspricht), bevor sie in einen Stromrichter eingespeist wird. Allein die Messung der Spannung erfordert jedoch Energie (vorausgesetzt, die Schaltung zur Spannungserkennung basiert auf aktiven Komponenten), was die Ladegeschwindigkeit des Systems beeinträchtigt.
Sobald die richtige Energiemenge gespeichert ist, besteht die letzte Herausforderung darin, die Energie effizient und mit einer geeigneten Spannung an ein Gerät abzugeben. Linearregler sind sehr gut geeignet, um rauschfreie Versorgungsspannungen zu liefern, aber sie sind extrem verschwenderisch; deshalb werden in Energiesammlern Spannungsregler verwendet. Diese können jedoch ein Rauschen im Schaltkreis erzeugen, was bedeutet, dass bei der Entwicklung große Sorgfalt geboten ist.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Energiequellen oft winzig klein sind, was bedeutet, dass die Impedanzen zwischen der Energiequelle und dem Energiesammler richtig dimensioniert sein müssen; Leckströme bedeuten, dass die Komponenten sorgfältig ausgewählt werden müssen; die niedrigen Spannungen, die mit Energiesammlern verbunden sind, bedeuten, dass aktive Komponenten mit niedrigen Vorwärtsspannungsabfällen gewählt werden müssen; und Leistungswandler müssen so effizient wie möglich sein.
Welche Optionen existieren für manche Geräte?
Die Herausforderung, dass für den Betrieb aktiver Komponenten, die die gespeicherte Energie überwachen, Strom benötigt wird, kann durch den Einsatz von Knopfzellenbatterien gelöst werden. Diese haben zwar nur eine sehr begrenzte Kapazität, die aber ausreichen kann, um die Komponenten des Überwachungsgeräts über einen extrem langen Zeitraum (möglicherweise Jahre) zu betreiben.
Der einzige Zweck einer solchen Batterie besteht darin, eine Vorspannung aufrechtzuerhalten, die den Betrieb des Stromüberwachungsschaltkreises ermöglicht, und wenn die MOS-Technologie verwendet wird, verbraucht das gesamte Design nur eine unbedeutende Menge an Strom, was die Knopfzelle zu einer praktikablen Option macht. Die Verwendung einer Batterie macht jedoch den Sinn der Energiegewinnung zunichte, und die Tatsache, dass die Batterie irgendwann leer sein wird, ist kein gutes Zeichen für Remote-Anwendungen.
Für die Energiespeicherung sind Kondensatoren aufgrund ihres geringen Widerstands, ihrer schnellen Lade- und Entladefähigkeit und ihrer einfachen Integration ideal. Superkondensatoren ermöglichen jedoch eine viel größere Speicherkapazität bei niedrigeren Spannungen, und ihr Niederspannungsbetrieb macht sie auch ideal für den Einsatz mit Niederspannungsenergiequellen.
Da die meisten Energiequellen extrem klein sind, kann es für Ingenieure auch von Vorteil sein, mehrere Energiequellen in einem einzigen Gerät zu kombinieren. Zum Beispiel kann eine kleine Solarzelle in Kombination mit einem Thermoelement und einem piezoelektrischen Generator verwendet werden, um gleichzeitig Energie aus Licht, Schall und Wärme zu gewinnen. Eine solche Konstruktion bietet mehr Energieoptionen für das Gerät und erhöht gleichzeitig die Ladegeschwindigkeit. Einige energiesammelnde IC haben sogar eigene Anschlüsse für verschiedene Energiequellen.
Der MAX17710 ist ein Beispiel für einen IC, der speziell für das Sammeln von Energie entwickelt wurde. Der IC verfügt über zwei Eingangsspannungsoptionen für unterschiedliche Energiequellen (eine Hochspannungsquelle und eine Niederspannungsquelle), einen Verstärkungsregler und ein internes Zustandsgerät für den Anschluss an einen Mikrocontroller. Darüber hinaus ist der MAX17710 auch für den Betrieb mit THINERGY MEC101-Batterien ausgelegt, welche flache Feststoffbatterien sind. Die geringe Dicke dieser Batterien in Verbindung mit ihrer Festkörpertechnik bedeutet, dass sie kompakt, inhärent sicher und ideal für den Einsatz in schlanken Remote-Geräten sind.
Das SPV1040 von STMicroelectronics ist ein Beispiel für ein Solar-Akkuladegerät, das speziell für die effiziente Energiegewinnung mit Hilfe von MPPT (Maximum Power Point Tracker) entwickelt wurde. Ein MPPT ermöglicht es, den Lastpunkt einer Solarzelle so einzustellen, dass er für eine maximale Energieübertragung optimal ist, und das SPV1040 nutzt dies, um einen Wirkungsgrad von bis zu 95 % zu erreichen. Darüber hinaus kann das SPV1040 mit Spannungen von bis zu 0,3 V (d.h. sehr kleinen Spannungen) arbeiten.
Der e-peas AEM30940 ist ein spezieller Energiesammler-IC, der sich ab einer Eingangsspannung von 380 mV mit einer Eingangsleistung von 3 µW selbst einschalten kann. Der IC extrahiert Energie aus RF-Streustrahlung und integriert ein MPPT zur Maximierung der Energieübertragung vom Radioeingang und dem Energiewandler; er kann mit allen Speicheroptionen, einschließlich Batterien, Kondensatoren und Superkondensatoren, betrieben werden und kann für den ausfallsicheren Betrieb an eine Primärbatterie angeschlossen werden. Darüber hinaus verfügt der AEM30940 über mehrere LDO-Regler zur Erzeugung verschiedener Ausgangsspannungen, die von vielen modernen Mikrocontrollern benötigt werden (z.B. 1,8 V Core und 3,3 V E/A).
Fazit
Bei dem Versuch, Energie aus der Umgebung zu gewinnen, sehen sich Energiesammler mit einer Vielzahl von Herausforderungen konfrontiert - der Verfügbarkeit von Energie, der Notwendigkeit aktiver Komponenten zur Erfassung des Ladungszustands, dem Leckstrom von Komponenten und den hohen Wirkungsgraden, die für Leistungswandler erforderlich sind. Die grundsätzlichen Grenzen von Halbleitermaterialien verhindern den Betrieb bei sehr niedrigen Spannungen, und die nicht konstante Natur der natürlich vorkommenden Energiequellen macht einen zuverlässigen Betrieb praktisch unmöglich.
Es wurden jedoch große Fortschritte bei der Energieernte gemacht, und es gibt Optionen für Ingenieure, wie z. B. die e-peas AEM30940 und MAX17710. Aber unabhängig von der verwendeten Technologie ist es für einen Ingenieur am sinnvollsten, Mikrocontroller mit extrem geringem Energiebedarf sowie solche mit Tiefschlafmodus zu wählen. Schließlich braucht man sich keine Gedanken über die Speicherung großer Energiemengen zu machen, wenn eine Bauweise von vornherein wenig Energie benötigt.