Es sieht alles so einfach und auf den ersten Blick auch vollständig sinnvoll aus. Wir leben in einer Welt, die voller elektronischer Signale ist – Radio-, TV-, Wi-Fi-, Mobiltelefonsignale sind nur die wichtigsten davon. Durch die große Verbreitung von Mobilgeräten, Wearables und des Internets der Dinge (IoT) ist eine der Hauptstoßrichtungen der Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten im Elektronikbereich die Entwicklung von Anwendungen, die mit sehr geringer Energie auskommen.
Warum richten wir nicht eine Antenne auf, um einen Teil dieser Radiofrequenz zu erfassen und umzuleiten? Ein Mikrowatt ist kein Problem, und wir können damit eine Batterie oder einen Superkondensator langsam aufladen. Diese Energie reicht gerade aus, um ein IoT-Gerät mit Strom zu versorgen, das nur hin und wieder eingeschaltet werden muss, um einen Messwert zu übertragen, und dann wieder in den Ruhezustand geht. Wenn unser IoT-Gerät dann wieder eingeschaltet wird, setzt es das Energy Harvesting fort, und es steht mehr als genug Energie für das nächste Aufwachen zur Verfügung.
Soweit jedenfalls die Theorie. Und dies klingt doch sehr gut. Schließlich gibt ein TV-Sender eine enorme RF-Menge ab. Nur ein Bruchteil davon wird in den Detektorphasen aller TV-Empfänger dissipiert, die auf den Sender eingestellt sind. Der Rest befindet sich ganz einfach dort draußen und wartet darauf, eingefangen zu werden.
Im Forschungslabor
Das RF Power Harvesting beginnt mit einer Antenne. Eine Antenne kann nur die von einer in der Nähe befindlichen Frequenzquelle abgestrahlte Energie effizient erfassen. Ein guter Ausgangspunkt ist das UKW-Fernsehen. Selbst bei 500 MHz wäre ein Dipol 0,3 m lang. Dies ist bereits ein echtes Problem, da dies ein sehr großer Platzbedarf für das Harvesting einer recht geringen Energiemenge ist. Dazu kommt, dass die Antenne in einer bestimmten räumlichen Ausrichtung zur Übertragungsantenne der TV-Station platziert werden muss. Beide diese Anforderungen zusammen machen die Technologie für Wearable-Geräte impraktikabel.
Die Empfangsantenne des Harvesters hat eine Impedanz von 50 Ohm, der die Eingangsimpedanz des übrigen Geräts gleichkommen muss. Die an der Antenne empfangene Spannung muss dann um mindestens ein Volt erhöht werden, damit sie zu Gleichstrom gleichgerichtet werden kann. Dies kann mit einer so genannten Ladepumpe bewerkstelligt werden, die die Spannung erhöht, die Gesamtenergie aber natürlich nicht erhöhen kann.
Eine interessante Serie von Experimenten dreht sich um das Harvesting von RF-Energie, die von einer TV-Sendestation von Japan TV in Tokyo in einer Entfernung von 6,5 km generiert wird. Das Blockdiagramm für dieses Projekt sieht wie folgt aus.
Abbildung 1: Repräsentation der Beschreibung eines Energy Harvesting-Geräts auf Systemebene. (Quelle: „A Battery-Less, Energy Harvesting Device for Long Range Scavenging of Wireless Power from Terrestrial TV Broadcasts“, Georgia Institute of Technology)
Das Projekt wurde am Georgia Institute of Technology in Zusammenarbeit mit Forschern der Universität Tokyo durchgeführt. In dieser Implementierung ist die genannte Ladepumpe im RF-DC-Block enthalten.
Wichtige Ergebnisse des Projekts sind im folgenden Diagramm zusammengefasst. Die grünen Blöcke stehen für die Energiemenge – in Mikrowatt –, die in der relevanten Entfernung von 6,5 km von der Antenne aus den UKW-Frequenzen erfasst wurden, die für das japanische Fernsehen typisch sind. Das blaue und das rote Band repräsentieren die Energie, die zum Aufladen des im Blockdiagramm erwähnten Superkondensators auf 1,8 und 3,0 V erforderlich sind.
Abbildung 2: Der Superkondensator wurde in angemessener Zeit auf 2,9 V aufgeladen. (Quelle: „A Battery-Less, Energy Harvesting Device for Long Range Scavenging of Wireless Power from Terrestrial TV Broadcasts“, Georgia Institute of Technology)
Die unpraktischen Aspekte des Energy Harvestings
Die Unterstützer des Energy Harvestings für IoT-Geräte bestehen darauf, dass dieses Konzept für die Stromversorgung eines Remote-Sensors in einem Stadtgebiet nützlich wäre. Wie wir jedoch gesehen haben, ist dazu eine relativ lange Antenne erforderlich, die dazu fest auf die TV-Station oder eine andere Energiequelle ausgerichtet sein muss. Und wenn die Energiequelle wechselt oder sich verschiebt, müssen alle entsprechenden IoT-Geräte neu ausgerichtet werden. Dies widerspricht dem gesamten Zweck der Nutzung von Power Harvesting für das IoT, bei dem es doch darum geht, physische Zugriffe auf das betriebene Gerät zu vermeiden. Allein die Antennenanforderungen machen das Remote Power Harvesting für Wearable-Geräte völlig unpraktisch.
Wenn man bedenkt, dass die Verbreitung der Solarenergie so viel größer ist als die RF-Menge, die in besiedelten Bereichen der entwickelten Welt zulässig ist, lässt sich die Nutzung dieses Konzepts schwer rechtfertigen. Dazu kommt, dass sich die Situation wahrscheinlich nicht ändern wird, da es Grenzen dafür gibt, wie viel Energie an einem der Öffentlichkeit zugänglichen Ort präsent sein darf. Eher ist zu erwarten, dass diese Grenzwerte enger werden, da RF-Energie mit Gesundheitsrisiken für Menschen in Verbindung gebracht wird.
Die praktischen Anwendungen des Energy Harvestings
Gerichtete RF-Energie für Power Harvesting
Es gibt Situationen, in denen ein Sensor in einem Bereich installiert wird, der schwer zugänglich oder an sich für Menschen gefährlich ist. Für diese Fälle wurde eine Methode entwickelt, bei der ein Sensor nicht durch das zufällige Energy Harvesting mit Strom versorgt wird, sondern durch das Harvesting von Energie, die speziell auf den Sensor gerichtet wird. Anstatt sich von den Unwägbarkeiten einer Antenne oder dem Vorhandensein oder der Abwesenheit eines TV-Signals abhängig zu machen, kann der Techniker einen RF-Transmitter aus einer sicheren Entfernung direkt auf die Einheit richten.
Powercast Corporation bietet ein Evaluierungskit, mit dem Organisationen die Möglichkeiten dieser Technologie erkunden können. Das Evaluierungskit P2110-EVAL-02 des Unternehmens ist von Arrow Electronics erhältlich. Laut Datenblatt gehören dazu ein RF-Transmitter und -Empfänger, eine Antenne und eine Ladeplatine für die Erfassung der übertragenen Energie. Und natürlich ist RFID ein Bereich, dem weitere Aufmerksamkeit gewidmet werden sollte.
RFID – Remote Frequency Identification
Die Remote Frequency Identification (oder RFID) verwendet Funkwellensignale zur Identifizierung eines mit einem Tag versehenen Objekts. Das Gerät, das den Tag liest, bedeckt diesen mit einem RF-Signal, das zwei Zwecken dient. Zum einen erfasst der Tag – ein sehr kleines elektronisches Gerät – die präsente RF-Energie, durch die er selbst mit Strom versorgt wird. Dann überträgt der Tag, der die gespeicherten digitalen Identifizierungsinformationen enthält, diese Daten zurück an das Lesegerät.
Das Lesegerät kennt jetzt die Identität des abgetasteten Artikels. Die Tags können im Vergleich zu visuellen Barcode-Tags sehr klein sein. Dazu kommt, dass ein menschlicher Mitarbeiter die Identifizierung aus einer gewissen Entfernung durchführen und das gesamte Konzept sehr leicht automatisiert werden kann.
Fazit
Sofern Sie kein IoT- oder Wearable-Konzept zum Betrieb in einem Gebäude entwickeln, das auch einen TV-Sender beherbergt, deutet alles daraufhin, dass ein solches Unterfangen kaum zum Erfolg führen dürfte und daher als impraktikabel zu werten ist. Andererseits gibt es durchaus Situationen, in denen das RF Power Harvesting speziell ausgerichteter Funkwellen sehr praktisch und sinnvoll sein kann.
