Die Energiegewinnung mit Energy Harvesting bietet beträchtliche Vorteile, um das „Internet der Dinge“ voranzutreiben und zu verbessern. Sie ist ein entscheidender Baustein zur Schaffung einer verbesserten Klasse autonomer und mobiler Anwendungen, die eine erheblich längere Betriebsdauer ermöglichen, ohne dass Akkus aufgeladen werden müssen. Nicht zu verlachlässigen sind auch die Einsparmöglichkeiten durch den viel später notwendigen Wechsel der Batterie, dessen Arbeitsaufwand oftmals mehr kostet als die Batterie selbst. Nicht zuletzt leistet Energy Harvesting auch einen wichtigen Beitrag, um Intelligenz an die Peripherie zu bringen und dem IoT eine Fülle neuer Einsatzorte und Anwendungen zu erschließen. Analog Devices kann Anbietern von Energy-Harvesting-Lösungen bei der Einreichung ihrer Ideen für das Arrow Zertifizierungsprogramm unterstützen.
Stromversorgung am Knoten
Betrachten wir zunächst den Aufbau eines Energy-Harvesting-Systems. Am Beginn steht ein Energy-Harvesting-Transducer, der die in der Umgebung vorhandene Energie sammelt. Als Nächstes kommt die PMU (Power Management Unit). Ihre Aufgabe ist die Umwandlung der „geernteten“ Energie in nutzbare Energie. Die Energiespeicherung ist die dritte Säule des Konzepts zur Stromerzeugung mit Energy Harvesting. Die Speicherung dient als Energiepuffer zur Sammlung von Energie für die Verbrauchsanforderungen des Sensorknotens. Dazu zählen neben der eigentlichen Sensorerfassung auch die Verarbeitung und drahtlose Übertragung der Daten.
Der effektivste Weg zum Entwurf eines autarken Systems besteht in der Ermittlung, wie viel Strom aus der verfügbaren Energie gewonnen werden kann. Bei einem fotovoltaischen System wäre dies die vorhandene Lichtenergie. Zur Gewinnung von thermoelektrischer Energie gewonnen muss der vorhandene Temperaturunterschied (Temperaturgradient) gemessen werden. Bei Vibrationsenergie wären sowohl der Beschleunigungsgrad als auch die Vibrationsfrequenz erforderlich, um ein effektiv autarkes System zu entwickeln. Die Auswahl des Harvester-Typs richtet sich nach der verfügbaren Umgebungsenergie. Als Nächstes kommt die Energiebilanzgleichung ins Spiel. Der Sensorknoten wird unter Berücksichtigung des Energiebudgets entworfen. Designtechniken für extrem energieeffiziente Systeme dienen zur Abstimmung der Leistungsanforderungen des Sensorknotens. Die Dimensionierung von Harvester und Speicherung sowie das Design des Sensorknotens erfordern gewöhnlich ein iteratives Vorgehen.
Beim Einsatz dieser neuen Technologieform müssen noch einige Hürden überwunden werden. Unregelmäßige und schwache Energiequellen können Einfluss darauf haben, wann und wie viel Energie sich ernten lässt. Gleichzeitig bedeuten der geforderte größere Funktionsumfang am Knoten und die Übertragung hoher Datenmengen eine erhebliche Belastung der verfügbaren elektrischen Leistung.
Analog Devices bietet Ultra-Low-Power-Lösungen, die diese Hindernisse überwinden. Dies unterstützt Ingenieure bei der Entwicklung und Realisierung einer neuen Klasse hochleistungsfähiger Energy-Harvesting-Anwendungen mit einem geringen Energieverbrauch.
Analog Devices bietet ein Sortiment von PMUs an, die eine äußerst effiziente Leistungswandlung optimierte Speichernutzung ermöglichen – mit einer sehr geringen Leerlauf-Stromaufnahme. Die PMU ADP5091 ermöglicht mit ihrem extrem energieeffizienten Aufwärtsregler die Nutzung und Umwandlung von Innenraum-Umgebungslicht mit hohem Wirkungsgrad. Die effiziente Umwandlung (bis hinab zu 10 µW) erfolgt mit sehr geringen Verlusten im Bereich unterhalb von einem µW. Einen weiteren Beitrag zur Optimierung der Energiegewinnung leistet die Spannungserkennung bei offenem Stromkreis.
Ein anderer PMU-Baustein, der LTC3109, stellt enthält einen Aufwärtswandler und Power-Manager für extrem niedrige Spannungen. Der LTC3109 eignet sich für Anwendungen mit unregelmäßigen und schwachen Energiequellen, bei denen die Verarbeitung kleiner Eingangsspannungen unverzichtbar ist, beispielsweise thermoelektrische Generatoren, Thermosäulen oder kleine Solarzellen.
Der LTC3331 eröffnet dank Multimode-Harvesting die Nutzung von zwei Energiequellen. Dies ermöglicht das Ernten zusätzlicher Energie in bestimmten Umgebungen. Außerdem lassen sich auch DC-Quellen wie etwa Solarzellen oder Thermosäulengeneratoren mit einem piezoelektrischen Hochspannungs-Harvester zusammenschalten, um die Energiegewinnung zu maximieren.
Jenseits der Energiegewinnung: Bereitstellung von Intelligenz am Knoten
In der Industrie findet derzeit ein Paradigmenwechsel bei Sensoreinheiten zur dezentralen Messung und Verarbeitung direkt am Entstehungsort (Edge Processing): Energieeffiziente Edge-Computing-Geräte entwickeln sich schneller als Cloud-Geräte. Der Grund ist ihre Fähigkeit, nicht nur die Netzwerkanbindung an den Messort zu bringen, sondern auch Intelligenz. Dadurch lassen sich die von mehreren Eingangsquellen erfassten Daten zu einem einzigen Prozessor zusammenfassen. So ließe sich beispielsweise ein System zur Überwachung der Außenluftqualität mit mehreren Gas- und Partikelsensoren ausstatten, die in einem gemeinsamen Sensorknoten bereitgestellt werden.
Die Nutzung intelligenter Edge-Knoten eröffnet immense Vorteile. Zum einen ist durch die intelligente Filterung und Entscheidungsfindung an der Peripherie weniger Energie erforderlich, weil die leistungsintensive Datenübertragung in die Cloud erheblich reduziert wird. Zum anderen ist auch die Latenz geringer. Wenn die Datenverarbeitung direkt am Knoten erfolgt, sind aussagekräftigere Informationen schneller verfügbar als bei der Übertragung großer Datenmengen in die Cloud mit einem höheren Zeitbedarf zum Sortieren, Analysieren und Bereitstellung von Ergebnissen.
Smart-City-Anwendungen
Durch den geringeren Aufwand für die Wartung und den Austausch von Batterien kann Energy Harvesting die intelligente Erfassung an entfernten und schwer zugänglichen Orten städtischer Infrastrukturen ermöglichen. So lassen sich beispielsweise Leitplanken mit ADXL372-Sensoren ausstatten, die einen Aufprall erkennen können. Diese Informationen können lokal verarbeitet und danach an einen Aggregator zur Alarmierung von Ersthelfern weitergeleitet werden. Notwendige Hilfe kann so schneller vor Ort sein und vielleicht sogar Leben retten.
Außerdem ermöglicht die Energy-Harvesting-Technologie die Anbringung einer Vielzahl von Sensoren und Prozessoren auf mehreren Streckenkilometern ohne den häufigen und kostspieligen Austausch von Batterien.
Energiezähler sind ein weiterer Bereich, wo intelligente Knoten ihre Vorteile ausspielen können. Mithilfe eines Mesh-Netzwerks, das mit extrem energieeffizienten drahtlosen Messeinheiten ausgestattet ist, lassen sich die Daten ganzer Zählernetzwerke ganz einfach mit einem Erfassungsfahrzeug durch Befahren des Gebiets ermitteln. Dies kann den Zeitbedarf zur Erfassung von Abrechnungsdaten erheblich reduzieren.
Smart-Factory-Anwendungen
Sensoranwendungen mit extrem geringem Energieverbrauch können auch Vorteile in der industriellen Zustandsüberwachung bieten. Die Verbindung des extrem rauscharmen Beschleunigungsmessers ADXL357 mit dem ADuCM3029 zur Edge-Knoten-Verarbeitung wertet Vibrationsdaten über eine integrierte FFT-Funktion aus und trägt so zur präventiven Warnung und Erkennung von Warnzeichen bei. Diese Informationen können das Werks- und Fertigungspersonal beim frühzeitigen Eingreifen unterstützen, um Defekte und kostspielige Ausfallzeiten zu vermeiden.
Da das Cloud-Computing einen starken Fokus auf das IoT hat, erkennen immer mehr Unternehmen und Produktentwickler die Vorteile und den Wert der Erfassung und Verarbeitung von Daten direkt an der Peripherie. Dabei darf allerdings nicht vergessen werden, dass die allgegenwärtige Erfassung in datenintensiven Umgebungen nur möglich ist, wenn die Kosten zur Wartung dieser Sensorlösung niedriger sind als der Wert der gelieferten Daten. Den Schlüssel hierzu bilden Energy Harvesting und Energie-Management. Analog Devices ermöglicht mit seinem Sortiment extrem energieeffizienter Mikrocontroller und Sensoren die effiziente Verarbeitung direkt am Knoten. Dadurch lassen sich wiederum mehr Sensorsysteme autonom versorgen. Durch den Einsatz selbstversorgter Sensorknoten in solchen Umgebungen lassen sich die Gesamtsystemkosten der Lösung reduzieren. Dies ermöglicht die Sensorerfassung in Bereichen, wo dies bislang als unpraktikabel galt. Und dadurch wiederum lassen sich letztlich Probleme lösen, die bisher als unlösbar galten.