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Energy Harvesting Als wörtlich übersetzt Energie Ernten bezeichnet man die Gewinnung kleiner Mengen von elektrischer Ene

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. Die dafür eingesetzten Strukturen werden auch als Nanogenerator bezeichnet. Energy Harvesting vermeidet bei Drahtlostechnologien Einschränkungen durch kabelgebundene Stromversorgung oder Batterien.

Das Energy Harvesting hat eine Bedeutung für die Energieversorgung von Miniaturgeräten in der digitalen Welt. Die nationale Normung wird in Deutschland von der Deutschen Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik und die internationale Normung wird vom Technical Committee 47 "Halbleitergeräte" der International Electrotechnical Commission bearbeitet.

Möglichkeiten des Energy Harvesting Bearbeiten

  • Mikroeffekte
  • Makroeffekte (mechanisch mit oder ohne Induktion)
    • Einige Armbanduhren werden durch die Bewegung des Handgelenks angetrieben. Dabei wird zumeist eine starke Unwucht auf einer Achse durch den Träger meist unwillkürlich zum Rotieren gebracht und die Rotationsenergie mechanisch oder elektromagnetisch der Kernfunktion der Uhr zugeführt. Variationen mit elektrischen Lineargeneratoren finden sich z. B. in Taschenlampen, wobei hier die Beschleunigung des beweglichen Kerns auf Grund des eher hohen Energiebedarfs einer Taschenlampe zumeist sehr intensiv und damit willkürlich zu sein hat.
    • Bodenplatten erzeugen Energie durch darüberlaufende Fußgänger. Dabei wird durch das Gewicht der Personen die Platte um bis zu 1 cm abgesenkt und damit bis zu 50 Watt an Leistung vom System aufgenommen. In Toulouse/ Frankreich gibt es dazu das Projekt Trott-Elec (Trott-Élec; Trottoir Électrique – elektrischer Bürgersteig). Die erzeugte Energie soll zur Beleuchtung der Straße genutzt werden. Ähnliches wurde für Tanzböden und elektrische Kleingeräte von einer Firma aus Rotterdam realisiert.
    • Rucksäcke produzieren beim Auf-und-Ab auf dem Rücken Elektroenergie, um ein Funktelefon zu laden.

Energieumwandlung durch den piezoelektrischen Effekt Bearbeiten

Der direkte piezoelektrische Effekt wandelt mechanischen Druck in elektrische Spannung um. Als Energieerzeuger sind insbesondere Piezozünder bekannt, welche die in die Taste 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. 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.

Energieumwandlung durch den thermoelektrischen Effekt Bearbeiten

1821 entdeckte Thomas Johann Seebeck, dass zwischen Enden einer Metallstange eine elektrische Spannung entsteht, wenn in der Stange ein Temperaturunterschied (Temperaturgradient) herrscht. Mit geeigneten Materialien gelingt es dadurch in Peltier-Elementen, aus Temperaturdifferenzen elektrischen Strom zu erzeugen.

Vorteile sind:

  • keine beweglichen Teile
  • wartungsfrei aufgrund der verwendeten Materialien
  • mögliche Nutzung von natürlichen Wärmequellen oder Restwärme

Ein Nachteil von thermoelektrischen Generatoren ist der geringe Wirkungsgrad von unter 10 %. Thermoelektrische Generatoren gibt es für Petroleumlampen.

Siehe auch Radionuklidbatterie.

Energieumwandlung durch photoelektrischen Effekt Bearbeiten

Bei der Nutzung des photoelektrischen Effekts in der Photovoltaik wird Lichtenergie mittels Solarzellen direkt für elektrische Verbraucher nutzbar gemacht. Es ist das verbreitetste Verfahren autarker Energieversorgungen und betreibt z. B. Parkuhren, Verkehrsleiteinrichtungen, Nachtlichter und Taschenrechner.

Schaltungstechnik Bearbeiten

Die Spannungen und Leistungen, die aus thermoelektrischen Generatoren zur Verfügung stehen, sind in der Regel sehr klein und benötigen entsprechende Elektronik. Ein für die Thermoelektrizität entwickelter integrierter Schaltkreis benötigt z. B. nur 20 mV Eingangsspannung. Auch Amateure versuchen sich mit einfachen Mitteln, zum Beispiel mit Fotodioden als Speisespannungsquelle.

Photovoltaisch betriebene Einrichtungen sind dagegen gut etabliert und benötigen zum Betrieb außer einer Solarzelle zusätzlich oft nur einen Akkumulator. Um Überladung zu vermeiden, muss überschüssiger Strom der Solarzelle abgeleitet werden – es sei denn, der Akkumulator ist ausreichend überladefest.

Literatur Bearbeiten

  • Klaus Dembowski: Energy-Harvesting für die Mikroelektronik: energieeffiziente und -autarke Lösungen für drahtlose Sensorsysteme. VDE-Verlag, 2011, ISBN 3-8007-3234-3.
  • Olfa Kanoun, Jörg Wallaschek (Hrsg.): Energy Harvesting – Grundlagen und Praxis energieautarker Systeme. Expert-Verlag, 2008. ISBN 978-3-8169-2789-1.
  • Franz Peter Zantis: Energy Harvesting: Elektronik ohne Batterien oder Versorgungsnetz. Elektor Verlag, 2021, ISBN 978-3-89576-454-7.

Normen Bearbeiten

  • DIN EN 62830 Halbleiterbauelemente – Halbleiterbauelemente für das Energy-Harvesting und die Energieerzeugung (2014)
    • Teil 1: Schwingungsbasiertes piezoelektrisches Energy Harvesting
    • Teil 2: Thermospannungsbasiertes thermoelektrisches Energy Harvesting
    • Teil 3: Schwingungsbasiertes elektromagnetisches Energy Harvesting
  • IEC 62830 Semiconductor devices – Semiconductor devices for energy harvesting and generation

Weblinks Bearbeiten

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Javier García-Martínez (Hrsg.): Nanotechnology for the Energy Challenge. 2. Auflage. John Wiley & Sons, 2013, ISBN 978-3-527-66513-6, Kapitel 4.
  2. ↑ (Memento vom 7. Juli 2015 im Internet Archive), Jahresbericht 2014 der DKE, abgerufen am 7. Juli 2015
  3. Wilfried Pinson; 7. Mai 2012; LA TRIBUNE; Faute de subventions, l'inventeur du trottoir électrique quitte Toulouse pour New York
  4. Modellprojekt: Fußgänger produzieren Energie für Straßenbeleuchtung, t-online.de, 16. April 2010
  5. www.sustainabledanceclub.com
  6. Nicola von Lutterotti: Der Strom aus dem Rucksack. In: FAZ.net. 8. September 2005, abgerufen am 16. Dezember 2014.
  7. EnOcean GmbH
  8. Peltier-Effekt und andere thermoelektrische Phänomene
  9. Datenblatt für Schaltregler-IC mit VCC bis 20 mV
  10. Amateur-Experimente zum Eigenbau mit MOSFETs und Bipolartransistoren.
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Veröffentlichungsdatum:
Als Energy Harvesting wortlich ubersetzt Energie Ernten bezeichnet man die Gewinnung kleiner Mengen von elektrischer Energie aus Quellen wie Umgebungstemperatur Vibrationen oder Luftstromungen fur mobile Gerate mit geringer Leistung Die dafur eingesetzten Strukturen werden auch als Nanogenerator bezeichnet 1 Energy Harvesting vermeidet bei Drahtlostechnologien Einschrankungen durch kabelgebundene Stromversorgung oder Batterien Das Energy Harvesting hat eine Bedeutung fur die Energieversorgung von Miniaturgeraten in der digitalen Welt 2 Die nationale Normung wird in Deutschland von der Deutschen Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik und die internationale Normung wird vom Technical Committee 47 Halbleitergerate der International Electrotechnical Commission bearbeitet 2 Inhaltsverzeichnis 1 Moglichkeiten des Energy Harvesting 1 1 Energieumwandlung durch den piezoelektrischen Effekt 1 2 Energieumwandlung durch den thermoelektrischen Effekt 1 3 Energieumwandlung durch photoelektrischen Effekt 1 4 Schaltungstechnik 2 Literatur 2 1 Normen 3 Weblinks 4 EinzelnachweiseMoglichkeiten des Energy Harvesting BearbeitenMikroeffekte Piezoelektrische Kristalle erzeugen bei Krafteinwirkung beispielsweise durch Druck oder Vibration elektrische Spannungen Thermoelektrische Generatoren und pyroelektrische Kristalle gewinnen aus Temperaturunterschieden elektrische Energie Uber Antennen kann die Energie von Radiowellen eine Form von elektromagnetischer Strahlung aufgefangen und energetisch verwendet werden Ein Beispiel dafur sind die passiven RFIDs Photovoltaik elektrische Energie aus der Umgebungsbeleuchtung Osmose Makroeffekte mechanisch mit oder ohne Induktion Einige Armbanduhren werden durch die Bewegung des Handgelenks angetrieben Dabei wird zumeist eine starke Unwucht auf einer Achse durch den Trager meist unwillkurlich zum Rotieren gebracht und die Rotationsenergie mechanisch oder elektromagnetisch der Kernfunktion der Uhr zugefuhrt Variationen mit elektrischen Lineargeneratoren finden sich z B in Taschenlampen wobei hier die Beschleunigung des beweglichen Kerns auf Grund des eher hohen Energiebedarfs einer Taschenlampe zumeist sehr intensiv und damit willkurlich zu sein hat Bodenplatten erzeugen Energie durch daruberlaufende Fussganger Dabei wird durch das Gewicht der Personen die Platte um bis zu 1 cm abgesenkt und damit bis zu 50 Watt an Leistung vom System aufgenommen In Toulouse Frankreich gibt es dazu das Projekt Trott Elec Trott Elec Trottoir Electrique elektrischer Burgersteig Die erzeugte Energie soll zur Beleuchtung der Strasse genutzt werden 3 4 Ahnliches wurde fur Tanzboden und elektrische Kleingerate von einer Firma aus Rotterdam realisiert 5 Rucksacke produzieren beim Auf und Ab auf dem Rucken Elektroenergie um ein Funktelefon zu laden 6 Energieumwandlung durch den piezoelektrischen Effekt Bearbeiten Der direkte piezoelektrische Effekt wandelt mechanischen Druck in elektrische Spannung um Als Energieerzeuger sind insbesondere Piezozunder bekannt welche die in die Taste eingebrachte mechanische Energie in einen Zundfunken wandeln Neuere Anwendungen in diesem Bereich sind Funkschalter bei denen die fur das codierte Funksignal notwendige Energie ebenfalls durch von Hand betatigte Piezoelemente bereitgestellt wird 7 Im Bereich autarker Sensoren konnen Piezoelemente die fur das Messverfahren und eine eventuelle Funkubertragung benotigte Energie erzeugen in dem sie in der Umgebung vorhandene Schwingungsenergie wandeln ahnlich dem Prinzip selbstaufziehender Uhren Energieumwandlung durch den thermoelektrischen Effekt Bearbeiten Hauptartikel Seebeck Effekt im Artikel Thermoelektrizitat 1821 entdeckte Thomas Johann Seebeck dass zwischen Enden einer Metallstange eine elektrische Spannung entsteht wenn in der Stange ein Temperaturunterschied Temperaturgradient herrscht Mit geeigneten Materialien gelingt es dadurch in Peltier Elementen aus Temperaturdifferenzen elektrischen Strom zu erzeugen 8 Vorteile sind keine beweglichen Teile wartungsfrei aufgrund der verwendeten Materialien mogliche Nutzung von naturlichen Warmequellen oder RestwarmeEin Nachteil von thermoelektrischen Generatoren ist der geringe Wirkungsgrad von unter 10 Thermoelektrische Generatoren gibt es fur Petroleumlampen Siehe auch Radionuklidbatterie Energieumwandlung durch photoelektrischen Effekt Bearbeiten Bei der Nutzung des photoelektrischen Effekts in der Photovoltaik wird Lichtenergie mittels Solarzellen direkt fur elektrische Verbraucher nutzbar gemacht Es ist das verbreitetste Verfahren autarker Energieversorgungen und betreibt z B Parkuhren Verkehrsleiteinrichtungen Nachtlichter und Taschenrechner Schaltungstechnik Bearbeiten Die Spannungen und Leistungen die aus thermoelektrischen Generatoren zur Verfugung stehen sind in der Regel sehr klein und benotigen entsprechende Elektronik Ein fur die Thermoelektrizitat entwickelter integrierter Schaltkreis benotigt z B nur 20 mV Eingangsspannung 9 Auch Amateure versuchen sich mit einfachen Mitteln zum Beispiel mit Fotodioden als Speisespannungsquelle 10 Photovoltaisch betriebene Einrichtungen sind dagegen gut etabliert und benotigen zum Betrieb ausser einer Solarzelle zusatzlich oft nur einen Akkumulator Um Uberladung zu vermeiden muss uberschussiger Strom der Solarzelle abgeleitet werden es sei denn der Akkumulator ist ausreichend uberladefest Literatur BearbeitenKlaus Dembowski Energy Harvesting fur die Mikroelektronik energieeffiziente und autarke Losungen fur drahtlose Sensorsysteme VDE Verlag 2011 ISBN 3 8007 3234 3 Olfa Kanoun Jorg Wallaschek Hrsg Energy Harvesting Grundlagen und Praxis energieautarker Systeme Expert Verlag 2008 ISBN 978 3 8169 2789 1 Franz Peter Zantis Energy Harvesting Elektronik ohne Batterien oder Versorgungsnetz Elektor Verlag 2021 ISBN 978 3 89576 454 7 Normen Bearbeiten DIN EN 62830 Halbleiterbauelemente Halbleiterbauelemente fur das Energy Harvesting und die Energieerzeugung 2014 2 Teil 1 Schwingungsbasiertes 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