Beim Energy Harvesting wird natürlich vorkommende Energie genutzt, um die verfügbare Energie über die Möglichkeiten endlicher Energiequellen (z. B. Batterien) hinaus zu erweitern. Dieses Konzept verbessert die Gesamteffizienz der Energiequelle, verlängert die Zeit zwischen zwei Ladezyklen und verbessert die Leistung von Geräten, die mit unzuverlässigen erneuerbaren Energiequellen betrieben werden. Im Zuge der Entwicklung hin zu mehr Nachhaltigkeit suchen Entwicklungsingenieure nach neuen Lösungen, die über die endlichen und begrenzten Energieträger hinausgehen und vollständig erneuerbar sind: eine solche Lösung sind beispielsweise Solarzellen. Sie werden auch als photovoltaische (PV) Zellen bezeichnet und wandeln die Strahlungsenergie der Sonne durch den photovoltaischen Effekt in einem Schritt in nutzbare elektrische Energie um. Dabei reagieren positiv und negativ geladene Siliziumschichten miteinander, wodurch ein elektrisches Feld entsteht.

Mit diesen unabhängigen Mikrogeneratoren werden ausschließlich lokale Verbraucher mit Strom versorgt und somit die Anforderungen an das Stromnetz reduziert und gleichzeitig die Stromrechnungen der Besitzer gesenkt. Solarzellen werden unter anderem für netzunabhängige Haushalte und kleinere Lasten wie elektronische Beschilderungen am Straßenrand und IoT-Geräte (wie beispielsweise Sensoren und Aktoren) eingesetzt, die ferngesteuert installiert und drahtlos miteinander vernetzt werden. Die Energiequelle von Solarzellen ist kostenlos. Idealerweise werden solche Energiesystem einmal installiert und laufen dann ohne weiteres Zutun, denn die Sonne ist ein unerschöpflicher Energielieferant. Bei der Umsetzung dieses Konzepts für das IoT müssen die Entwickler jedoch mehrere Herausforderungen bewältigen.

Die wichtigste Herausforderung ist die Frage, ob die vorhandene Energie den Verbrauch unter verschiedenen Bedingungen abdeckt. IoT-Sensoren mit kurzer und langer Reichweite könnten innerhalb von 200 Sekunden zwischen 7 und 16,4 µA an zusätzlicher Energie benötigen. Entwicklungsingenieure optimieren PV-Zellen für eine bestimmte Energiequelle und integrieren Kondensatoren, um Energieverluste bei der Speicherung zu minimieren und die Abhängigkeit von zusätzlicher Energie zu verringern. Zudem setzen sie Schnittstellensensoren ein, um Informationen zur Datenspeicherung und -übertragung zu erfassen.

Doch trotz aller Sorgfalt bei der Entwicklung bringt die Solarenergie aufgrund ihrer natürlichen Energiequelle Herausforderungen für das Entwicklungsteam mit sich. Diese Herausforderungen lassen sich jedoch mit innovativen Produkten und einem fundierten und detaillierten Fachwissen meistern.

Der DC-DC-Wandler erhält Energie von der PV-Anlage und erzeugt daraus elektrischen Strom für die Geräte in einem kleinen Solar-Mikrogenerator. Zwei der wichtigsten Leistungskennzahlen sind hohe Energieeffizienz und Stromqualität. Diese beiden Parameter sind wichtig, denn der Benutzer erwartet ein kleines Gerät, das eine konstante Leistung liefert. Die Schwankungen der Solarenergie, die durch die PV-Zellen bereitgestellt wird, bringen jedoch drei wesentliche Herausforderungen für autarke photovoltaische IoT-Sensoren mit sich:

• Unzureichende Eingangsleistung durch zu schwache Strahlungs-, PV-, HF-, thermische oder mechanische Energiequellen
• Begrenzte Speicher- und Antriebskapazität durch den Kondensator
• Zu häufig auftretende überhöhte Spitzenströme durch Sensorabtastung, Datenspeicherung oder Übertragungsgerät

Diese Leistungshemmnisse führen zu Temperaturbeschränkungen, nicht zulässigen Spannungen, Wandlungsverlusten, Energieentladung zur falschen Zeit und Alterung/Verschlechterung des Sensors. Aufgrund dieser Faktoren ist die Stromversorgung instabil und kann Schwankungen oder Welligkeiten aufweisen.

Zudem steht die Sonnenenergie nur einen Teil des Tages zur Verfügung und trifft mit unterschiedlicher Intensität auf die Solarzelle. Diese Schwankungen beeinträchtigen die Leistungsfähigkeit des IoT-Geräts zusätzlich. Aufgrund der Probleme, die sich aus der geringen oder nicht konstanten Energiezufuhr in Verbindung mit der begrenzten Speicherkapazität und dem übermäßigen Spitzenstrom ergeben, ist eine Backup-Lösung erforderlich, mit der der Energiebedarf ausgeglichen werden kann.

Die Lösung für diese Leistungsprobleme ist die Glättung von Energieversorgungsspitzen und die Ergänzung ungleichmäßiger Sonneneinstrahlung durch eine gleichmäßigere Stromversorgung aus Sonnenenergie durch Energy Harvesting.

Ein PV-Energy-Harvester kann diese wichtige Backup-/Ergänzungsleistung durch den Einsatz eines modernen Superkondensators wie dem Vishay Hybrid Storage 196 HVC ENYCAP™bereitstellen. Der ENYCAP ist ein Hybridspeicher, das bedeutet, dass er sowohl elektrostatische als auch elektrochemische Energie speichert, die als Backup-Stromversorgung dienen kann. Der ENYCAP bietet eine robuste Spannungsflexibilität von 1,4 V für Einzelzellen und bis zu 8,4 V für Mehrfachzellen und ist in gestapelter Durchsteckausführung (radial), Aufbaumontage flach und Lay-Flat-Konfigurationen erhältlich.

Er ist polarisiert, bietet eine hohe Kapazität und eine hohe Energiedichte von 13 Ws/g, sodass der Bauraum minimiert wird. Der Kondensator zeichnet sich durch eine lange Lebensdauer von bis zu 1000 Betriebsstunden bei 85 °C ohne Wartung oder Service aus. Darüber ist beim 196 HVC ENYCAP kein Balancing der Zellen erforderlich, was einen Zeitvorteil gegenüber herkömmlichen Superkondensatoren darstellt, und er enthält einen ungefährlichen Elektrolyten. Im Vergleich zu marktüblichen Superkondensatoren weist er außerdem eine geringere Selbstentladung auf.

Der 196 HVC ENYCAP ist weit mehr als ein konventioneller Kondensator für das Energy Harvesting. Er ist ein hybrider Energiespeicher-Kondensator, ein Backup-System für Anwendungen wie miniaturisierte Systeme, Speicher-Controller, SRAM/DRAM, Cache-Schutz, Industrie-PCs/Steuerungen sowie Notbeleuchtungen und Mikro-USV-Stromquellen.

Der ENYCAP kann in der oben beschriebenen IoT-Sensoranwendung bis zu 2 mA Strom liefern, wobei der Leckstrom sehr gering ist. Diese Leistung minimiert den Sperrstrom und steigert somit Leistung und Effizienz.

Angesichts des immer stärker wachsenden Marktanteils der Solarenergie in der Verbraucher- und Industrieelektronik müssen die Gerätehersteller sicherstellen, dass ihre Produkte eine gleichbleibend hohe Leistung bieten. Die Entwickler müssen darüber hinaus die Schwankungen der erneuerbaren Energien sowie ihren Hauptvorteil der kostenlosen, nahezu unbegrenzten Verfügbarkeit berücksichtigen. Hierbei kann durch den Einsatz eines Energy-Harvesting-Elements wie dem Hybrid-Speicherkondensator 196 HVC ENYCAP von Vishay eine leistungsstarke Hybrid-Speicherlösung und ein Backup für Solarzellen bereitgestellt werden.