Embedded-Kit TheDrop Mit Solar- und Peltierboard Energy-Harvesting-Systeme rascher entwickeln

Energieautonome Sensoren sind flexibel einsetzbar und gefragt. Kits wie TheDrop Wireless von Arrow helfen Entwicklern beim Durchstarten.

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Energieautonome Wireless-Sensoren erfassen von jedem beliebigen Ort Daten für Überwachungs- und Steuerprozesse. Die Sensoren registrieren Umgebungsenergien wie Sonnen-, Wärme- oder kinetische Energie. Damit befreit sich der Anwender von Batterien und Netzkabeln und profitiert von geringen Betriebskosten, Flexibilität und Umweltfreundlichkeit.

Diese Sensoren bilden einen wichtigen Bestandteil des Marktes für Energy-Harvesting-Systeme, für den das Marktforschungsinstitut ABI Research bis zum Jahr 2016 ein Umsatzwachstum von über 400 Mio. Dollar prognostiziert.

Flexible, energieautonome Wireless-Sensoren

Von den Vorzügen energieautonomer Wireless-Sensoren profitieren zahlreiche Anwendungen. Das Fehlen von Batterien schafft zusätzliche Freiheit bei der Formgestaltung. Die Sensoren brauchen keine Verkabelung, sind schnell installiert und können bei Bedarf jederzeit neu positioniert werden. Die so betriebenen Einheiten arbeiten autonom, zuverlässig und langfristig ohne Wartungsbedarf.

Sie lassen sich unauffällig und an unzugänglichen Orten installieren. Ein jüngstes Anwendungsbeispiel sind energieautonome Wireless-Sensoren an Flugzeugkomponenten für die Überwachung der Umgebungsbedingungen und Leistung zu Sicherheitszwecken.

Der Hauptanwendungsbereich in der nächsten Zukunft dürfte die intelligente Gebäudetechnik für Wohnungen, Büros und Fabriken sein. In so genannten Smart Buildings überwachen zahlreiche Sensoren Umgebungsvariablen wie Temperatur- und Lichtwerte an verschiedenen Orten und aktivieren nach Bedarf Services wie die automatische Regulierung von HLK (Heizungs- Lüftungs- und Klimatechnik) oder Raumbeleuchtung für optimalen Komfort und höchste Energieeffizienz.

Der Markt für intelligente Gebäudetechnik verzeichnet ein erhebliches Wachstum. Erhebungen von IDC zufolge beträgt dies jährlich 29%, was auf einen Gesamtumsatz des Sektors in Höhe von 10,2 Mrd. Dollar im Jahr 2015 schließen lässt. Es liegt auf der Hand: Der Markt für energieautonome Wireless-Sensoren ist neu, viel versprechend und potenziell sehr groß.

Neue Möglichkeiten zur Energiegewinnung

Kleine Solarpanels und Peltier-Zellen zählen zu den am besten geeigneten Energy-Harvesting-Systemen für den Einsatz in Wireless-Netzwerkanwendungen. Solarpanels sind eine bereits bewährte Technologie und werden seit vielen Jahren zur Unterstützung der Batterien kleiner Geräte wie Taschenrechner und Uhren eingesetzt.

Allerdings ist die aus solchen Vorgängen gewonnene Energiemenge sehr gering. Obgleich die durchschnittliche Effizienz von Geräten wie Solarzellen in den vergangenen Jahren stark zugenommen hat, war es die Wirkung dieser Optimierungen in Kombination mit der erheblichen Minderung des Energiebedarfs elektronischer Komponenten, die maßgeblich zum Erfolg der Anwendungen mit Eigenantrieb beigetragen hat.

Ultra-Low-Power CMOS-Prozesse, erweiterte Energiemanagement-Modi sowie energieeffiziente Wireless-Standards wie 2,4 GHz IEEE 802.15.4 oder Protokolle für geringe Datenraten wie ZigBee sind Technologien, durch die Wireless-Systeme mit einem Energieaufwand von nur wenigen Millijoule (mJ) nützliche Datenmengen über erhebliche Entfernungen übertragen können.

Dies ist eine realistische Energiemenge, die mit einer geringen Anzahl Solarpanels oder Peltier-Elementen innerhalb eines akzeptablen Zeitrahmens gewonnen werden kann. Die gewonnene Energie wird durch das Laden eines Elektrolytkondensators gespeichert, der dann zur Energieversorgung des Wireless-Subsystems wieder entladen wird. Eine Bedingung hierfür ist, dass die Energie schnell genug freigegeben wird, um den Spannungsbedarf des elektronischen Systems zu decken.

Die Kombination von Energiegewinnung, Speicherung und dem Einsatz von Wireless-Subsystemen eignet sich insbesondere für Anwendungen, bei denen kleine Datenpakete in längeren Intervallen übertragen werden müssen. Die Erfassung von Umgebungsvariablen wie Temperatur und Lichteinfall sind hierfür ideal, da sich diese Faktoren langsam und präzise ändern und generell Hochgeschwindigkeits-Reaktionen nicht dringend benötigt werden. Die Intervalle für den Versand der Datenpakete können so festgelegt werden, dass das Energy-Harvesting-Subsystem hinreichend Energie akkumulieren kann, um die Funkverbindung herzustellen.

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