Mouser: Energy Harvesting beschleunigt die IoT-Akzeptanz

Jeden Tag kommen neue potenzielle Anwendungsfälle für das IoT dazu. Durch das Zusammenwirken verschiedener technologischer Fortschritte – zum Beispiel extrem stromsparende Mikrocontroller und Machine Learning an der Edge – nimmt die Vielfalt der IoT-Applikationen immer weiter zu.

Low Power Wide Area Networks (LPWANs) ermöglichen es Sensoren, von abgelegenen Standorten aus regelmäßig Datenberichte zu senden, ohne dass eine Netzstromversorgung erforderlich ist. Alle diese technischen Fortschritte zusammen beseitigen die Hindernisse, die bisher beispielsweise IoT-Anwendungsfällen im Bereich Smart Agriculture im Wege standen. Der Einsatz von batteriebetriebenen Bodenfeuchte- und pH-Sensoren auf Feldern, in deren Nähe es keine Stromleitungen und WLAN-Konnektivität gibt, wird unkompliziert und kostengünstig.

IoT ohne Kabel
Der Einsatz batteriebetriebener IoT-Geräte im Bereich Smart Cities und für Smart-Agriculture-Applikationen, um nur zwei der vielen IoT-Anwendungsfälle zu nennen, wird immer beliebter. Die Batteriekapazität bestimmt jedoch, wie lange ein Gerät betrieben werden kann, und hängt vollständig vom Stromverbrauchsprofil des Geräts ab. Die Kosten für einen Batterieaustausch, insbesondere an abgelegenen Standorten, sind im Vergleich zu den Batteriekosten sehr hoch. Daher ist eine Akkulaufzeit von weniger als sechs Monaten in der Regel nicht praktikabel.

Wenn der Mikrocontroller und der drahtlose Transceiver des Sensors so lange wie möglich im Ruhemodus bleiben, verlängert sich die Akkulaufzeit. Außerdem kann der Duty Cycle (Zeitraum der Datenübertragung) bestimmter Arten von IoT-Sensoren relativ gering sein. So ist es beispielsweise unwahrscheinlich, dass sich die Messwerte für die Bodenfeuchtigkeit in Wurzeltiefe innerhalb von 30 Minuten stark verändern, sodass eine halbstündliche Messung sinnvolle Ergebnisse liefert. In jedem Cycle wacht der Mikrocontroller des Geräts auf, liest den Feuchtigkeitssensor aus und verpackt die Daten für die Übertragung. Der Transceiver muss dann eine Verbindung zum LPWAN herstellen und das Datenpaket senden. Nach einer Empfangsbestätigung können sowohl der Transceiver als auch der Mikrocontroller in den Ruhemodus zurückkehren. Der Stromverbrauch des Geräts wird während des Verbindungsaufbaus und der Datenübertragung deutlich über den einstelligen µA-Wert des Schlafmodus hinausgehen und kurzzeitig vielleicht hundert mA betragen.

Sorgfältige Leistungsmanagementtechniken können die Batteriekapazität aufrechterhalten, aber letztendlich muss die Batterie ersetzt oder aufgeladen werden.

Energy-Harvesting-Technologien
Die Verwendung eines wiederaufladbaren Akkus ist eine kluge Entscheidung, doch wie hält man ihn geladen? Solarmodule werden schon seit langer Zeit zum Aufladen von Geräten im Freien verwendet, stellen aber nicht die einzige Methode dar, um Energie aus der Umwelt zu gewinnen. Aufgrund der energiesparenden Eigenschaften vieler IoT-Sensorgeräte sind die Batteriekapazität und die Energie, die zum Aufladen der Batterie benötigt wird, nicht erheblich. Die Batteriekapazität bestimmt auch die physische Größe, das heißt, sie klein zu halten, bringt noch weitere Vorteile. Neue Energy-Harvesting-Technologien, die Energie im Milliwatt- und Mikrowattbereich liefern, erweisen sich als praktikable Alternativen.

Solar: Wird bereits in großem Umfang als hervorragende Energiequelle für viele Applikationen im Freien genutzt; ermöglicht auch das „Ernten“ von Umgebungslicht in Innenräumen. In Innenräumen hängt die geerntete Energie stark von den verfügbaren Lichtquellen, deren Temperatur und Position ab. Folglich ist die geerntete Energiemenge weniger vorhersehbar und wesentlich geringer als bei Solarmodulen im Freien.

Mechanische Schwingungen: Viele Forschungsarbeiten zeigen die verschiedenen Arten des Energy Harvesting aus mechanischen Bewegungen auf. Die Bewegung kann gelegentlich auftreten, z. B. wenn Menschen über eine Brücke gehen, oder regelmäßig, z. B. durch die natürliche Vibration eines Motorgehäuses. Zu den Energiesensoren gehören die Verwendung eines piezoelektrischen Elements zur Umwandlung von Schwingungen in elektrische Energie und der elektromagnetische Effekt, wenn eine Spule durch ein Magnetfeld geführt wird. Ein anderer Ansatz basiert auf einer elektrostatischen Methode, die auf kapazitiver Induktion beruht. Die piezoelektrischen und elektromagnetischen Methoden scheinen am praktikabelsten zu sein.

Wind und Wasser: Bei diesen Methoden wird die kinetische Energie des Windes oder des Wassers in elektrische Energie umgewandelt. In beiden Fällen kann eine kleine Turbine elektrische Energie erzeugen. Die Größe ist ein wichtiges Kriterium für diese Art von Energy Harvesting und die Sicherheit vor sich drehenden Rotorblättern bei einem Windrad. Die geerntete Energie kann jedoch trotz praktischer Einschränkungen für einen kleinen IoT-Sensor mehr als ausreichend sein.

Thermoelektrik: Die auf diese Weise erzeugte elektrische Energie beruht auf dem Prinzip des Seebeck-Effekts. Dabei wird der Temperaturunterschied zwischen zwei isolierten Platten aus Halbleitermaterialien genutzt, um Strom zu erzeugen. Thermoelektrische Module können kombiniert werden, um die Temperaturunterschiede unter Berücksichtigung der Platzverhältnisse des IoT-Geräts voll auszunutzen. Je größer der Temperaturunterschied ist, desto mehr Energie wird erzeugt; je nach Applikation kann es jedoch praktische Schwierigkeiten geben, dies zu erreichen.

Funkfrequenzen: Das Ernten von elektromagnetischer HF-Energie ist ein relativ neues Konzept. Da drahtlose Daten- und Sprachverbindungen inzwischen allgegenwärtig sind und es zahlreiche terrestrische Radio- und Fernsehsender gibt, erscheint die Möglichkeit des Energy Harvesting innerhalb eines breiten Funkspektrums sehr attraktiv. Die verfügbare Leistung hängt vom Standort, der Frequenz und den geeigneten Signalen ab, aber spezialisierte Halbleiterhersteller sind dabei, sich mit bereits verfügbaren ICs eine Nische zu schaffen. Die Forschung zum Energy Harvesting aus ISM-, WLAN- und Mobilfunkfrequenzen liefert vielversprechende Ergebnisse.

Die Zeit ist reif, um die Energie um uns herum zu ernten
Angesichts der nahezu unbegrenzten Möglichkeiten für IoT-basierte Applikationen bleibt die Bereitstellung einer zuverlässigen Energiequelle eine Priorität. Eine praktische Lösung ist die Versorgung von Geräten mit einer wiederaufladbaren Batterie, die durch das Ernten von Energie aus der Umgebung gespeist wird. Bei einigen Applikationen kann die Batterie durch einen Superkondensator ergänzt oder sogar ersetzt werden. Ein Superkondensator in Kombination mit einer Batterie könnte den Spitzenenergiebedarf decken, der häufig beim Aufbau und Austausch drahtloser Datenverbindungen entsteht. Mehrere Halbleiterhersteller haben bereits eine Reihe von hocheffizienten Leistungsmanagement- und DC/DC-Wandler-ICs im Angebot, die für das Energy Harvesting aus verschiedenen Quellen wie Solarzellen, Piezoelementen und Thermoelementen optimiert sind.

Mehr über Energy Harvesting erfahren Sie unter: https://resources.mouser.com/energy-harvesting

www.mouser.com

  Fordern Sie weitere Informationen an…