Energie umgibt uns immer und überall – wir müssen sie nur ernten

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Wie viel Leistung ist zum Betreiben von WSNs nötig

Zum Beispiel: Wie oft muss ein Messwert erfasst werden? Oder, noch wichtiger, wie groß ist das Datenpaket und wie weit muss es übermittelt werden? Dies deswegen, weil der Sender rund 50 Prozent der Energie verbraucht, die vom System benötigt wird, um einen einzigen Messwert vom Sensor zu übertragen. Mehrere unterschiedliche Faktoren beeinflussen den Leistungsbedarf des Energieerntenden Systems eines WSN. Diese sind in Tabelle 2 aufgelistet.

Die Leistungsdichte zählt, nicht die Energiedichte

Natürlich hängt die von der Energie erntenden Quelle produzierte Energie davon ab wie lange die Quelle in Betrieb ist. Deshalb ist das primäre Maß zum Vergleich von Energieerntenden Quellen die Leistungsdichte und nicht die Energiedichte. Das Energy Harvesting hängt allgemein mit kleinen, variablen und unvorhersehbaren Mengen von verfügbarer Leistung zusammen, sodass häufig eine hybride Struktur, die den Energieernter mit einem sekundären Leistungsspeicher verbindet, benutzt wird.

Die Energieernter sind mit ihrer unbegrenzten Energielieferung und geringen Leistung die Energiequelle des Systems. Der sekundäre Leistungsspeicher, entweder eine Batterie oder ein Kondensator, ermöglicht höhere Ausgangsleistungen speichert aber weniger Energie, und liefert die Leistung, wenn sie benötigt wird, erhält aber ansonsten dauernd Leistung vom Energieernter. Deshalb, muss der sekundäre Energiespeicher in Situationen, in denen keine Energie aus der Umgebung verfügbar ist, aus der man Leistung gewinnen könnte, dazu benutzt werden, die WSN zu versorgen.

Vom Standpunkt eines Systemdesigners bringt dies zusätzliche Komplexität, da sie nun mit in Betracht ziehen müssen, wie viel Energie im sekundären Energiespeicher gespeichert werden muss, um das Fehlen einer Energiequelle in der Umgebung zu kompensieren. Wie viel sie davon gerade benötigen, hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter:

• Die Länge der Zeitspanne, die die Umgebungs-Energiequelle fehlt,

• der Taktzyklus der WSN (das ist die Frequenz mit der eine Messwerterfassung und Datenübertragung durchgeführt wird),

• die Größe und Art des sekundären Energiespeichers (Kondensator, Superkondensator oder Batterie),

• ist ausreichend Energie in der Umgebung vorhanden, um als primäre Energiequelle zu agieren und bleibt genügend Energie übrig, den sekundären Energiespeicher zu laden, wenn dieser für eine spezifizierte Periode nicht verfügbar ist?

Worauf es bei DC/DC-Wandler-ICs ankommt

Allgemein ausgedrückt sind die nötigen IC-Leistungscharakteristiken, die für die Integration und Anwendung in der Energie erntenden Applikation wie einem WSB benötigt werden u.a. die folgenden:

• Geringe Standby-Ruheströme, typischerweise unter 6 µA bis hinunter zu 450 nA,

• kleine Einschaltspannungen bis 20 mV,

• hohe Eingangsspannungsbereiche: bis zu 34 V kontinuierlich und 40 V Spitze,

• Möglichkeit zur Handhabung von AC-Eingängen,

• Mehrfachausgänge und autonomes System-Power-Management,

• Betrieb im Auto-Polaritäts-Modus,

• MPPC (maximum power point control) für Eingänge von Solarzellen,

• die Möglichkeit, Energie aus Temperaturunterschieden von nur 1 °C zu ernten,

• kompakte Lösung mit nur minimalen externen Komponenten.

Ein exzellentes Beispiel der Möglichkeiten, die durch alternative Energien präsentiert werden ist der Markt für Solarzellen betriebene elektronische Geräte. Er wächst kontinuierlich, da die Firmen nach Wegen suchen, den Energieverbrauch zu senken. Betrachten wir dazu Smart-Meter. Diese werden im Smart Grid eingesetzt und über eine Energiequelle in ihrer Umgebung versorgt, um die Energiekosten für den Betrieb zu reduzieren.

Und eine mögliche und in ausreichendem Maße vorhandene Energie kommt von Solarzellen. Da die Leistung der Solarzellen jedoch variabel und unzuverlässig ist, enthalten praktisch alle solar-betriebenen Geräte wieder aufladbare Batterien. Deshalb ist es ein wichtiges Ziel so viel Solarleistung wie möglich zu extrahieren, um diese Batterien schnell zu laden und ihren Ladezustand zu erhalten, um sie dann als Energiequelle zu nutzen, wenn keine Solarleistung vorhanden ist.

Umgekehrt, wenn Smart-Meter Batterien als ihre Primär-Leistungsquelle nutzen, dann müssen die Leistungswandlung und die Power-Management-Elektronik im Standby-Modus sehr kleine Ruheströme haben, um die Batteriebetriebszeit zu verlängern. Glücklicherweise offeriert Linear Technology eine große Palette an ICs, die Ruheströme im Bereich von typischerweise unter 25 µA besitzen.

Meist lassen sich nur wenige Milliwatt ernten

Modernste und handelsübliche Energieernte-Techniken wie die Energieernte aus Vibrationen oder Indoor-Photovoltaikzellen, generieren unter üblichen Betriebsbedingungen Leistungspegel in der Größenordnung von Milliwatt. Obwohl solche Leistungsmengen eingeschränkt erscheinen mögen, kann der Betrieb von Energieernte-Elementen über mehrere Jahre bedeuten, dass diese Techniken durchaus vergleichbar mit langlebigen Primärbatterien sind, sowohl bezüglich der Energielieferung und den Kosten pro gelieferter Energieeinheit.

Darüber hinaus sind Systeme, die die Energieernte beinhalten üblicherweise in der Lage, nach einer Vollentladung wieder neu zu laden, etwas, das Systeme, die von Primärbatterien versorgt werden, nicht machen können. Energiequellen in der Umgebung sind Licht, Temperaturdifferenzen, vibrierende Stäbe, übertragene HF-Signale oder einfach nur jede andere Quelle, die eine elektrische Ladung übereinen Wandler produzieren kann.

Enormes Wachstumspotenzial für Energy Harvesting

Jedes Produkt, das auf grüne Energie oder das Energy Harvesting abzielt, wird in den kommenden Jahren und darüber hinaus ein großes Wachstumspotenzial haben. Energiekosten und die Beachtung von Umweltaspekten und auch die Notwendigkeit, die Betriebszeit von Batterien von mobilen Geräten zu verlängern, haben dazu geführt, dass man sich in einer Vielzahl von Applikationen, einschließlich dem Smart Grid, auf die Optimierung des Leistungsverbrauchs fokussiert.

Zudem erlaubt die Stromernte von verlustleistungsarmen Produkten es den Anwendern Leistung effektiver zu wandeln, weniger Leistung zu verbrauchen und die Batteriebetriebszeit zu verlängern. Alle diese Faktoren erlauben es den Entwicklern WSNs ohne Kabel oder Batterien zu entwickeln und einzusetzen und tatsächlich die schier unendlich vorhandene und frei verfügbare Umgebungsenergie um uns herum zu nutzen.

* Tony Armstrong ist Director of Product Marketing, Power Products, Linear Technology Corporation

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