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Das Energy Harvesting, also die Energiegewinnung, ist ein grundlegendes Konzept in der Technik. Überschüssige oder verfügbare Energie zu nutzen und sie für nützliche Arbeiten zurückzugewinnen, ist sinnvoll und verlängert die Lebensdauer von Energiequellen. Bei großen Applikationen wie im Verkehrsbereich kann die Implementierung zusätzlicher Hardware zur Rückgewinnung von Abwärme den Wirkungsgrad des Gesamtsystems um mehrere Prozentpunkte (< 10 Prozent) erhöhen. Hierbei sind die Anzahl der Fahrzeuge und der positive Nettonutzen für die Umwelt, der sich aus der Umwandlung der Wärme in Arbeit ergibt, anstatt sie in die Atmosphäre abzugeben, ausschlaggebend.

In der Elektronik ist der Wirkungsgrad der Energieumwandlung ähnlich niedrig (10 Prozent), wodurch der Bereich stromsparender Anwendungen für solche „Energiesammler“ eingeschränkt ist. Der Energiebeitrag von stromsparenden MCUs begrenzt die Größe einer Batterie, die durch Energy Harvesting ersetzt werden kann, in der Größenordnung von 1-1.000 µW/cm². Dennoch lässt sich durch technische Verbesserungen des Energieumwandlungswirkungsgrads von Energy-Harvesting-Elektronik der Wirkungsgrad des Bauteils erhöhen und die Lebensdauer der Batterie verlängern oder sogar ersetzen.

Es ist wichtig, zwischen maximaler Leistung und maximalem Wirkungsgrad zu unterscheiden. Eine Verbesserung des Umwandlungswirkungsgrads erhöht zwar die Leistung bei gleicher Eingangsenergie, doch fällt diese Bedingung nicht unbedingt mit der höchsten Leistung zusammen. Im Folgenden werden einige Möglichkeiten zur Optimierung typischer MCU-Energiesammler mit extrem niedrigem Stromverbrauch vorgestellt, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen.

Solarenergetischer Wirkungsgrad

Zu den Applikationen, die sich für die Gewinnung erneuerbarer Energie durch Elektronik eignen, gehören Technologien für Wearables und netzunabhängige drahtlose Sensornetzwerke. Der Wirkungsgrad der Energiegewinnung ist in diesen Anwendungsfällen zwar nicht sehr hoch, aber der entscheidende Maßstab ist der Vergleich des Energiebeitrags der Technologie mit dem einer Batterie im Vergleich zu ihren Kosten. Mit Blick auf selbstversorgende Bauteile sind die drei Bereiche der Energiegewinnung durch Solarenergie der Wirkungsgrad der Zellen, der Fläche und der Module.

Der Wirkungsgrad einer Zelle bezieht sich auf eine einzelne Zelle, deren Größe die Entwickler aufgrund der zu erwartenden Solarlast so wählen, dass sie die höchste Wattzahl pro Solarzelle erzeugt. Die Entwickler optimieren das Verhältnis zwischen Ausgangsleistung und Flächeneinheit, um den Wirkungsgrad zu erhöhen. Der dritte Bereich ist der Wirkungsgrad der Module, bei dem das gesamte System in die Wirkungsgradberechnung einbezogen wird. Der Wirkungsgrad bei der Gewinnung von Solarenergie lässt sich am effektivsten auf der Zellenebene verbessern. Die Verwendung fortschrittlicher photovoltaischer Materialien optimiert den Wirkungsgrad der Zellen. Und obwohl die Steigerung der Systemeffizienz manchmal mit Budgetbeschränkungen kollidiert, können Ingenieure das effizientere Zellenmaterial so ausrichten, dass ein höheres Leistungsdifferential erreicht wird, was unter den gegebenen Leistungsbedingungen eine optimale Effizienz ermöglicht.

Wirkungsgrad von Bewegungsenergie

Die Bruchfestigkeit eines piezoelektrischen Materials bestimmt, wie viel Beschleunigung es aushalten kann. Dieser Wert definiert die Leistungsdichte des Materials und bestimmt die Obergrenze für die Ausgangsleistung. Die maximale Leistungsabgabe erfolgt bei der Resonanzfrequenz des Materials.

Um den Wirkungsgrad der Energiegewinnung zu optimieren, sollte man beachten, dass sowohl der Wirkungsgrad als auch die Ausgangsleistung stark von der Frequenz abhängig sind. Da die Ausgangsleistung durch das Material bestimmt wird, ist die Grundfrequenz für das Design des piezoelektrischen Elements entscheidend. Die Abstimmung der piezoelektrischen Lösung zur Energiegewinnung auf die Resonanzfrequenz minimiert die destruktive Welleninterferenz der für die Rückgewinnung verfügbaren Energie und optimiert so den Wirkungsgrad und die Ausgangsleistung.

Thermischer Wirkungsgrad

Der Seebeck-Effekt – die direkte Umwandlung von Wärme in elektrische Energie – ist das Grundprinzip der thermoelektrischen Energiegewinnung. Die Thermodynamik zeigt an, dass der Wirkungsgrad der thermoelektrischen Energiegewinnung bei hohen Temperaturunterschieden am höchsten ist. Dieses Temperaturgefälle ist der treibende Faktor für die Energieübertragung und ermöglicht eine Lösung mit hoher Leistungsdichte. Es ist jedoch insbesondere bei Systemen zur Energiegewinnung mit menschlichem Körperkontakt nicht praktikabel, ein signifikantes Temperaturdifferential (âT) zu realisieren.

Wenn mit âT keine hocheffiziente Energiegewinnung möglich ist, sind Leistungsumwandlung und Wärmeleitfähigkeit weitere Hebel, die den Wirkungsgrad erhöhen können. Dickere Materialien übertragen mehr Energie (Leitfähigkeit), und verlustarme Energieumwandlung reduziert die Ineffizienz, die bei der Umwandlung einer Energieform in eine andere auftritt.

Fazit

Die Energiegewinnung (Energy Harvesting) ist ein entscheidender Schritt zur Ablösung von Batterien in Applikationen mit geringer Leistung. Für eine wirtschaftlich tragfähige Lösung sollte der Wirkungsgrad der Energiegewinnung optimiert werden, um so viel nutzbare Leistung wie möglich aus der Energiequelle zu gewinnen.

Aktuelle Ultra-Low-Power (ULP) MCU-Lösungen für die Energiegewinnung erreichen einen Wirkungsgrad von etwa 10 Prozent. Diese ineffiziente Energieumwandlung macht die Energierückgewinnung für ULP-Anwendungsfälle in der Größenordnung von zweistelligen Mikrowatt-Leistungen pro Quadratzentimeter rentabel. Wenn Sie wissen, wie jede herkömmliche Methode zur Energiegewinnung in der Elektronik Energie zurückgewinnt, können Sie besser einschätzen, wie wahrscheinlich es ist, dass die Batterie einer Applikation vollständig überflüssig wird.