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Energy Harvesting: Strom ernten

In Smart Cities müssen unzählige Geräte und Sensoren mit Strom versorgt werden. Der Anschluss an Stromleitungen ist nicht immer möglich, das Wechseln von Batterien bei tausenden Geräten hingegen zu aufwendig und teuer. Die Lösung: Energy Harvesting.

Ernten Bildquelle: © moellerthomsen - 123rf

Intelligente und vernetzte Städte sollen ihren Bewohnern in Zukunft mehr Komfort und Lebensqualität bieten. Dafür sind unter anderem Sensoren zur Erfassung verschiedenster Parameter wichtig. „Beispiele für Aufgaben von solchen Sensoren sind die Überwachung von Verkehrsdichte, Messung von Luftqualität, Detektion von Parkraumbelegung, Erfassung von Straßenqualität – um nur einige zu nennen“, erklärt Peter Spies, Energy Harvesting Experte am Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltung. Doch die unzähligen Geräte und Sensoren, die Daten übertragen, benötigen Strom. Der Anschluss an Stromleitungen ist jedoch nicht überall möglich. „Gerade auf Gebäuden oder an Straßen wäre eine kabelgebundene Energieversorgung schwierig und aufgrund der nötigen Kabel teuer zu realisieren“, so Spies weiter. Batterien hingegen sind bei der Vielzahl der Geräte schlicht zu teuer: Sie liefern nur über einen absehbaren Zeitraum Strom und der Wartungsaufwand ist immens. Eine Lösung für das Problem bietet das sogenannte „Energy Harvesting“: Dabei wird Energie aus der Umgebung „geerntet“, beispielsweise aus Bewegung, Temperaturunterschieden oder dem Wind.

Für die Methode werden miniaturisierte Energiewandler benötigt, die zusammen mit einem Funkmodul, Energiemanagement-Komponenten und einem energiesparenden Funkprotokoll ein aufeinander abgestimmtes System ergeben. „Die Lösungen zeichnen sich nicht nur durch ihre Wartungsfreiheit sondern auch durch flexibles Positionieren und die Möglichkeit zur unkomplizierten Nachrüstung aus“, ergänzt Jürgen Baryla, Vice President Sales bei EnOcean. Zudem seien sie
ressourcenschonend.

Photoelektrischer Effekt
„Energy Harvesting kann aus unterschiedlichen Umweltquellen wie etwa der Sonne, aber auch aus Wärme- oder Vibrationsquellen elektrische Energie gewinnen. Beispiele wären Solarzellen auf Dächern oder an Straßen“, so Spies. Solche miniaturisierten Solarzellen stellen das verbreitetste Verfahren autarker Energieversorgung dar. In Taschenrechnern, Verkehrsleitsystemen oder Nachtlichtern kommen sie bereits seit mehreren Jahren zum Einsatz, da diese Art der Energiegewinnung als besonders energieeffizient gilt: Bei einer Größe von 13 mal 35 Quadratmillimetern können sie schon die geringe Lichtstärke von Innenlicht nutzen. So reichen für die regelmäßige Übertragung – etwa alle 15 Minuten – eines Temperaturmesswertes bei einer Lichtstärke von 200 Lux bereits 3,6 Stunden Ladezeit am Tag, um einen unterbrechungsfreien Betrieb zu gewährleisten.  

Kinetische Energie
Kinetische Energie wird bereits für die Energieversorgung verschiedener Schalter genutzt. Ähnlich wie bei einem Fahrraddynamo treibt bei der Betätigung eines Schalters ein kleiner Magnet einen magnetischen Fluss durch zwei ebenfalls magnetische Anker, die in einem U-förmigen, mit einer Induktionsspule umwickelten Kern schließen. Dieser Kern kann zwei Positionen einnehmen, in denen er das jeweils gegenüberliegende Ankerblech berührt. Als mechanischer Energiespeicher dient ein Federblatt, das zunehmend gebogen wird und dabei solange mechanische Energie speichert bis 3,5 Newton erreicht sind – dann können die magnetischen Selbsthaltungskräfte den U-Kern nicht mehr in seiner Position halten. Der Wechsel zwischen der ersten und zweiten Position führt gleichzeitig zu einem Wechsel des Magnetfeldes und damit zu einem Spannungsimpuls in der Induktionsspule. Dabei entsteht eine Energiemenge von 120 µWs – ausreichend für drei Funktelegramme. Da auch die Rückbewegung einen Energiepuls auslöst. erlaubt diese Methode Start-/Stopp-Signale, die beispielsweise für Torsteuerungen oder Lichtschalter genutzt werden kann.