Energy Harvesting

Als Energy Harvesting (wörtlich übersetzt Energie-Ernten) bezeichnet man die Gewinnung kleiner Mengen von elektrischer Energie aus Quellen wie Umgebungstemperatur, Vibrationen oder Luftströmungen für mobile Geräte mit geringer Leistung. Energy Harvesting vermeidet bei Drahtlostechnologien Einschränkungen durch kabelgebundene Stromversorgung oder Batterien.

Möglichkeiten des Energy Harvesting

• Piezoelektrische Kristalle erzeugen bei Krafteinwirkung (Beispielsweise durch Druck oder Vibration) elektrische Spannungen
• Einige Armbanduhren werden durch die Bewegung des Handgelenks angetrieben
• Thermoelektrische Generatoren gewinnen aus Temperaturunterschieden elektrische Energie
• Über Antennen kann die Energie von Radiowellen, eine Form von elektromagnetischer Strahlung, aufgefangen und energetisch verwendet werden. Ein Beispiel dafür sind die passiven RFIDs.
• Photovoltaik, elektrische Energie aus der Umgebungsbeleuchtung.

Energieumwandlung durch den Piezoelektrischen Effekt

Der direkte piezoelektrische Effekt wandelt mechanischen Druck in elektrische Spannung um. Als Energieerzeuger sind insbesondere Piezozünder bekannt, welche die meist durch Handbetätigung eingebrachte mechanische Energie in einen Zündfunken wandeln. Neuere Anwendungen in diesem Bereich sind Funkschalter, bei denen die für das codierte Funksignal notwendige Energie ebenfalls durch von Hand betätigte Piezoelemente bereitgestellt wird.^[1] Im Bereich autarker Sensoren können Piezoelemente die für das Messverfahren und eine eventuelle Funkübertragung benötigte Energie erzeugen, in dem sie in der „Umgebung“ vorhandene Schwingungsenergie wandeln, ähnlich dem Prinzip selbstaufziehender Uhren.

Beispiele von Sensoren, die möglichst ohne Verkabelung auskommen sollten, sind z. B. Regen- oder Lichtsensoren, die direkt an der Windschutzscheibe eines Kfz angebracht werden und die vorhandenen Karosserieschwingungen zu Energiegewinnung ausnutzen.^[2]

Energieumwandlung durch den Thermoelektrischen Effekt

1821 entdeckte Thomas Johann Seebeck, dass zwischen Enden einer Metallstange eine elektrische Spannung entsteht, wenn in der Stange ein Temperaturunterschied (Temperaturgradient) herrscht. Jean Peltier fand 1834 heraus, dass wenn zwei Leiter mit unterschiedlichen elektronischen Wärmekapazitäten in Kontakt gebracht werden und durch einen von außen angelegten elektrischen Strom Elektronen aus dem einen Leiter in den anderen fließen, dies eine Änderung der Temperatur in den Leitern bewirkt.^[3] Mit geeigneten Materialien gelingt es dadurch in Peltier-Elementen, mit elektrischem Strom beispielsweise zur Kühlung Temperaturdifferenzen zu erzeugen oder umgekehrt aus Temperaturdifferenzen elektrischen Strom zu erzeugen.^[4]

Vorteile der Thermoelektrizität sind:

• Keine beweglichen Teile
• Wartungsfrei aufgrund der verwendeten Materialien
• Einfache Umkehrung des Wärmeflusses
• Mögliche Nutzung von natürlichen Wärmequellen oder Restwärme

Ein Nachteil von thermoelektrischen Generatoren ist der geringe Wirkungsgrad von unter 10 %. Allerdings ist abzusehen, dass durch den Einsatz und die Entwicklung neuer Materialien in absehbarer Zeit eine Steigerung des Wirkungsgrads möglich ist. Zurzeit strebt man danach, thermoelektrische Generatoren verstärkt auch zur Nutzung von Abwärme, z. B. in Kfz, Blockheizkraftwerken, Abwasseranlagen oder Müllverbrennungsanlagen einzusetzen.

Energieumwandlung durch Photoelektrischen Effekt

Bei der Nutzung des Photoelektrischen Effekts in der Photovoltaik wird Lichtenergie mittels Solarzelle direkt für elektrische Verbraucher nutzbar gemacht.

Schaltungstechnik

Die Spannungen und Leistungen, die aus den Generatoren zur Verfügung stehen sind in der Regel sehr klein und benötigen entsprechende Analogtechnik. Entsprechende Bauelemente sind auf dem Markt.^[5] Die Technik ist auch für den Amateur, mit einfachen Mitteln zugänglich.^[6]

Weblinks

• www.energieautark.com
• Zeitschrift iX August 2009
• Informationsportal für Energy Harvesting der Hochschule Reutlingen

Einzelnachweise

1. ↑ [1] EnOcean GmbH
2. ↑ [2] hdt-essen
3. ↑ Thermoelektrizität
4. ↑ Peltier-Effekt und andere thermoelektische Phänomene
5. ↑ [3] Schaltregler-IC mit VCC bis 20mV
6. ↑ [4] Eigenbau mit MOSFETs und Bipolartransistoren