AKE Sitzung November 2018

Die November-Sitzung des AKE stand unter dem Thema „Energy-Harvesting – Bauelemente und Sensorsysteme, die sich selbst mit Strom versorgen“. Prof. Dr.-Ing. Reinhard Riekeles, der zu den Mitgliedern des AKE zählt, machte in seinem Referat die Anwesenden mit einem wichtigen Aspekt vertraut: Stromversorgung und Stromverbrauch der für das IoT (Internet of Things – Internet der Dinge) grundlegenden Bauteile wie Sensoren und Integrierte Schaltkreise.
Für ein funktionierendes IoT und eine funktionierende drahtlose Kommunikation (Stichwort: Smartphone) sind solche Bauteile in großer Anzahl erforderlich. Zwar ist der Stromverbrauch des einzelnen Bausteins sehr gering, jedoch ergibt sich in der Summe ein beachtlicher Stromverbrauch. Aus diesem Grunde werden heutzutage große Rechenzentren vor allem dort gebaut, wo eine ausreichende und stabile Energieversorgung ohne lange Übertragungswege zur Verfügung steht und so auch Übertragungsverluste minimiert werden können.
Die spannende Frage mit Blick auf Bauelemente und Sensorsysteme, die im Mittelpunkte des Vortrags standen, ist deren Versorgung mit Strom. Dies sei an einem Beispiel erläutert: Sensoren kontrollieren z. B. den Druck im Autoreifen. Wie können sie an diesem Ort mit ausreichend Energie versorgt werden? Die Antwort ist rasch gefunden: Energiequelle kann hier die Bewegungsenergie eines sich drehenden Reifens sein.
Hier kommen nun die diversen Möglichkeiten der Energieversorgung dieser kleinen Bauteile ins Spiel und die spannende Frage dabei ist, welche Leistungen sind möglich. Mögliche Energiequellen sind: Licht (Photovoltaik) mit einer Effizienz von 10 bis 24 % und einer Ausbeute von 10 μW bis 10 mW pro cm2; Vibration mit unterschiedlicher Effizienz und einer Ausbeute von 4 μW bis 100 μW pro cm2; im Bereich der thermischen Energie beträgt die Effizienz zwischen 0,1 und 3 % und die Ausbeute bewegt sich im Bereich von 25 μW bis 10 mW pro cm2; im Bereich Hochfrequenz beträgt die Effizienz etwa 50 % und die Ausbeute liegt bei ca. 0,1 μW pro cm2.
Damit eine gesicherte Stromversorgung solcher Bauteile überhaupt möglich ist, bedarf es eines im Bauteil integrierten Stromspeichers. Mit modernen Energiewandlern und Kondensatoren lässt sich dies erreichen, so dass man nicht mehr auf Batterien angewiesen ist, die periodisch ausgewechselt werden müssen. Außerdem besteht die Möglichkeit, mehrere Bauteile zu einer deutlich leistungsfähigeren Einheit zusammenzufassen. Um dies erreichen zu können, sind hoch präzise Fertigungsmethoden unerlässlich – man denke z. B. an einen Schichtaufbau mehrerer Platinen, die dann durchkontaktiert werden müssen. Ein solches Durchkontaktieren ist heute mittels Laser möglich.
Betrachtet man ein Energy-Harvesting-System im Kontext von Sensoren und ihrer Anwendung, dann lassen sich zwei integrierte Baugruppen spezifizieren: das
Wandlersystem für die aus der Umgebung bezogene Energie, samt Energie-Management und Energiespeicher. Die so erzeugte elektrische Energie versorgt die zweite Baugruppe, die der Verarbeitung der vom Sensor gelieferten Daten dient und die so verarbeiteten Daten per Funk an ein Steuergerät übermittelt, das z. B. der Überwachung des Reifendrucks dient und dem Fahrer signalisiert, ob alles in Ordnung ist.
Der hauptsächliche Einsatz von Energy-Harvesting-Systemen ist im industriellen Bereich oder auch im Kfz zu sehen. Oder anders ausgedrückt: Überall dort, wo es schwierig ist, elektronische Bauteile über Leitungen mit Strom zu versorgen bzw. gemessene Daten per Kabel an eine Steuer- und Kontrolleinheit zu übermitteln, bieten sich Energy-Harvesting-Systeme an. Ob solche Systeme auch im Haushalt zum Einsatz kommen, wird sich weisen.
Wichtige Informationen zum Thema Energy-Harvesting finden sich in den folgenden Publikationen:
Klaus Dembowski, Energy Harvesting für die Mikroelektronik (VDE-Verlag, 2011)
Volker Quaschning, Regenerative Energiesysteme (Hanser Verlag 2013)
Bernd Hoefflinger (Hrsg.), CHIPS 2020, VOL.2 (Springer Verlag 2016)

Posted in AKE Sitzungen.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

Diese Website verwendet Akismet, um Spam zu reduzieren. Erfahre mehr darüber, wie deine Kommentardaten verarbeitet werden.