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(Quelle: Franz Metelec/Shutterstock.com)

Das Stromversorgungsdesign für das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) ist immer eine Herausforderung. Da IoT-Geräte oft an abgelegenen Orten eingesetzt werden, ist ein häufiger Batteriewechsel nicht immer praktikabel. Die Designer müssen alternative Wege finden, um sie mit Strom zu versorgen. Die Minimierung des Stromverbrauchs ist normalerweise der Heilige Gral; dies lässt sich jedoch nur durch einen Kompromiss bei Funktionen, Konnektivität, Reichweite und sogar eingebauten Sicherheitsfunktionen (wie Kryptographie) realisieren.

Trotz stromsparender Kommunikationsoptionen (wie LoRa, LPWAN), energieeffizienter ICs und Verbesserungen im Batteriedesign überschreitet die Lebensdauer der Geräte selbst meist die Batterielebensdauer. Aber was wäre, wenn IoT-Geräte dynamisch Strom erzeugen könnten, anstatt sich ausschließlich auf eine statische Stromquelle zu verlassen? Das so genannte Energy Harvesting ist genau hierbei eine vielversprechende Option.

Energy Harvesting für das IoT erforschen

Die Anzahl der IoT-Sensoren und -Geräte, die an entlegenen Orten eingesetzt werden, kann leicht in die Tausende gehen. Häufige Anfahrten mit LKW oder Servicewagen für einen Batteriewechsel wirken sich nicht nur negativ auf die Gewinnspannen und die Kapitalrendite aus, es besteht dabei auch immer die Gefahr von Datenverlusten.

Die Möglichkeit, Energie aus der Umgebung zu gewinnen, wird in vielen konkreten IoT-Anwendungsfällen realisiert. Dabei ist die Energiegewinnung aus Umweltquellen wie Sonnenlicht, Bewegung, Funkwellen in der Umgebung, Wärme, Wind, Vibrationen usw. kein völlig neues Konzept. Aber die wachsende Nachfrage nach energieeffizienten, sicheren und langlebigen Systemen, die nur minimale bis gar keine Wartung erfordern, treibt die Nachfrage nach diesem Konzept an.

Laut Forschungen von IDTechEx wird der Markt für Energy Harvesting von 400 Millionen US-Dollar im Jahr 2017 auf 2,6 Milliarden US-Dollar im Jahr 2024 anwachsen. Die zunehmende Verbreitung von IoT- und drahtlosen Sensornetzwerken ist eng mit diesen Prognosen verknüpft.

Beim Energy Harvesting werden Wandler eingesetzt, um Energie aus der Umgebung in Elektrizität umzuwandeln und Elektronik mit Strom zu versorgen. Je nach Energiequelle kann die Wandlertechnologie piezoelektrisch, thermoelektrisch, elektromagnetisch, photovoltaisch, funkwellenbasiert usw. sein.

Gegenwärtig werden Solarzellen häufig zur Stromversorgung von Spielzeug, Gadgets und sogar Haushaltsgeräten verwendet. Sie wandeln Sonnenenergie in Elektrizität um. Im Falle von RFID werden starke lokale Signale gleichgerichtet, die direkt auf den Sensor gerichtet sind. Der P2110 RF-Harvester von Powercast ist beispielsweise ein Bauteil, das niederfrequente HF-Signale in Gleichstrom (5,25V, bis zu 50mA) umwandelt. Mit dem P2110 lassen sich batterielose drahtlose Sensorknoten konzipieren, die mit sehr geringem HF-Eingang (-11,5dBm) in verschiedenen industriellen Anwendungen wie Smart Grids, Gebäudeautomatisierung, Militär, Landwirtschaft usw. arbeiten können.

Potenziale und Herausforderungen von Energy Harvesting für das IoT

Das größte Potenzial des Energy Harvesting besteht darin, die Lebensdauer von IoT-Akkus zu verlängern oder sogar ganz auf sie zu verzichten. Diese Technologien zur Energiegewinnung werden seit mehr als zehn Jahren intensiv erforscht, doch die Kosten und die Komplexität sind noch immer die Herausforderungen, die der Installation und Integration im Wege stehen, und die sorgfältig abgewogen werden müssen. Sie müssen in einem vernünftigen Verhältnis zur IoT-Gesamtlösung stehen.

Eine weitere Überlegung ist der unterschiedliche Stromverbrauch bei der M2M-Kommunikation (Machine-to-Machine-Kommunikation): Ein Sensor in der Landwirtschaft sendet/empfängt z.B. Daten in Bursts zu verschiedenen Tageszeiten, ansonsten verbraucht er im Leerlauf meist nur sehr wenig Strom. Der Stromverbrauch steigt beim Senden von Datenbursts sprunghaft an, und das Bauteil für das Energy Harvesting muss diese Anforderungen in Bezug auf Spitzenlaststrom (Ampere) und Betriebsspannungsbedarf (Volt) bewältigen.

Energy Harvesting schreibt IoT-Erfolgsgeschichten

Energy-Harvesting-Technologien für den IoT-Bereich sind weltweit zwar noch immer im Laborstadium, es gibt jedoch bereits einige ermutigende Erfolgsgeschichten.

Rectenna: MIT-Forscher erzeugen Energie aus WLAN-Signalen

Eine Rectenna ist ein Gerät, das mit einer flexiblen Antenne elektromagnetische Wellen (einschließlich der allgegenwärtigen WLAN-Signale) einfängt und diese in Gleichstrom umwandelt. Die Antenne ist mit einem zweidimensionalen Halbleiter mit einer Dicke von nur wenigen Atomen verbunden. Wenn das Wechselstromsignal in den Halbleiter gelangt, wird eine Gleichspannung erzeugt, die zur Versorgung elektronischer Schaltungen, PMICs oder zum Aufladen von Batterien verwendet werden kann.

Bei typischen WLAN-Leistungspegeln (ca. 150µW [Mikrowatt]) produzierte die Rectenna in Laborversuchen etwa 40µW. Die Konversionsrate ist relativ gut und die Leistung reicht aus, um einen Chipsatz mit Energie zu versorgen oder eine LED aufleuchten zu lassen.

Hybride Solar-Wind-Plattform

Wissenschaftler des National Center for Nanoscience and Technology (NCNT) in Beijing konnten eine integrierte Plattform entwerfen, mit der sich sowohl Sonnen- als auch Windenergie erzeugen lässt (Abbildung 1). Sie integriert einen triboelektrischen Nanogenerator (zur Umwandlung von Windenergie in Elektrizität) mit einer hocheffizienten Solarzelle. Die Komponente wurde getestet und liefert 8mW Leistung auf der Sonnenseite und bis zu 26mW auf der Windseite. Angesichts einer Plattformgröße von 120mm × 22mm × 2mm bedeutet dies eine hohe Leistungsdichte.

Dieser hybride Nanogenerator wurde hauptsächlich als erneuerbare Energiequelle für „Intelligente Städte“ konzipiert, kann aber auch Embedded- und IoT-Geräte mit Strom versorgen.

Abbildung 1: Darstellung von hybriden Solar- und Wind-Zellen (Quelle: NCNT)

RF-Energy Harvester

Der AEM40904 von E-peas ist ein PMIC mit winzigem Footprint (5 mm × 5 mm), der Wechselstrom aus HF-Quellen der Umgebung entnimmt. Der Boost-Wandler hat einen Wirkungsgrad von 94 Prozent und bietet einen sehr niedrigen Anlaufstrom (380 mV/3 µW) und niedrige HF-Eingangspegel (-18,5 dBm bis zu 10 dBm).

Die gewonnene Energie kann gleichzeitig eine Vielzahl von IoT- und eingebetteten Systemen versorgen und überschüssige Energie in Akkus und Kondensatoren speichern. Systemdesigner können diese Fähigkeit in drahtlosen IoT-Anwendungen wie Wearables, Hausautomatisierung, Industrieüberwachung usw. nutzen, um die Batterielebensdauer zu verlängern.

Fazit

Energy-Harvesting-Systeme (EHS) treiben eine Verschmelzung von Energiegewinnung und Batteriespeicherung voran. Bei der Betrachtung von EHS für das Systemdesign ist das Kosten-Nutzen-Verhältnis ein wichtiger Faktor. Mit zunehmender Reife von EHS-Modulen ist zu erwarten, dass die Kosten sinken werden. Es ist auch wichtig, die Anforderungen des konkreten Anwendungsfalles abzuwägen. So ist beispielsweise das Leistungsmanagement für Fabrikeinrichtungen ganz anders als bei landwirtschaftlichen Sensoren.

Einige EHS-Experten sind der Ansicht, dass sich Photovoltaik, Funkwellen aus der Umgebung sowie Vibrationen als die „großen drei“ Optionen zu Energiegewinnung herauskristallisieren, da sie relativ kostengünstig und einfach zu installieren sind.

Das Elektronik-Design sollte sich weiterhin auf einen niedrigen Stromverbrauch konzentrieren. Die Entwickler können Energy Harvesting einsetzen, um den Anforderungen spezifischer IoT-Anwendungsfälle Rechnung zu tragen. Wenn die Stromversorgung keine Einschränkung mehr darstellt, lassen sich viele attraktive Funktionen und Sicherheitsmerkmale umsetzen.