Die Nutzung von Energie aus der Umwelt (Energy Harvesting) ermöglicht die Versorgung drahtloser Systeme und deren Integration in Umgebungen, wo große oder häufig zu wechselnde Batterien oder die Versorgung über Kabel keine Option darstellen. Damit ist diese Technologie ein Enabler für innovative Anwendungen für das Internet der Dinge und insbesondere der damit verbundenen drahtlosen Sensoren.
© Fraunhofer IIS
Daher beschäftigen wir uns an den Fraunhofer-Instituten IIS und LBF seit vielen Jahren mit dieser Technologie und konnten deren Potential demonstrieren. Zu den erfolgreich umgesetzten Anwendungen gehören unter anderem die Nutzung von Vibrationen zur energieautarken Zustandsüberwachung von Güterwagen und Brücken, die Versorgung von körpernahen Sensoren und Funksystemen über Temperaturunterschiede oder die Umwandlung von Strömungsenergie zur elektrischen Versorgung von funkbasierter Volumenmessung.
Zu den Herausforderungen bei der Umsetzung zählt erstens die geringe verfügbare Energiemenge aus den üblicherweise genutzten Quellen wie Licht, Temperaturdifferenzen oder Schwingungen. Dies erfordert bei der Entwicklung ein besonderes Augenmerk auf die Energieeffizienz der elektrischen Verbraucher und eine optimale Auslegung der Generatoren.
Zweitens ist die Verfügbarkeit der Quellen je nach Anwendung extremen zeitlichen Schwankungen unterworfen. Beispiel: Solarzellen sind oft von Tageszeit, Wetter und dem Verschmutzungsgrad der Umgebung abhängig; die Schwingungswandler am Güterwagen liefern je nach Fahrzustand und Streckenbeschaffenheit unterschiedlich viel Energie; der Energieertrag von Thermogeneratoren ist abhängig von der Temperaturdifferenz, damit aber auch Luftströmung und Lichteinstrahlung. All diese Schwankungen stehen unter Umständen in Widerspruch zu den Anforderungen drahtloser Sensoren.
Daher ist die vorausschauende Auslegung des Gesamtsystems angepasst an die jeweilige Anwendung und ein leistungsfähiges Energiemanagement wesentlich, um die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit abzusichern und so das energieautarke System erfolgreich zu implementieren.
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Unser Leistungsangebot umfasst daher zunächst die Beratung bei der Auslegung und Konzeption von Energy-Harvesting-Systemen, um die Frage nach der Wahl der geeigneten Energiequelle und der Dimensionierung der Komponenten für die konkrete Aufgabe zu klären.
Natürlich unterstützen wir darüber hinaus auch bei der Neu- und Anpassungsentwicklung der Systeme, aufbauend auf der Konzeption, über die Implementierung von Prototypen, die Durchführung von Labor- und Feldtests bis zur Absicherung der Zuverlässigkeit für den Betrieb in industriellen Umgebungen.
Wir sind immer an Kontakten zu potentiellen Anwendern interessiert, mit denen wir gemeinsam neue Applikationen für energieautarke Systeme erschließen können.