Dieser Blog enthält eine kurze Beschreibung der aktuellen Situation auf dem Energy-Harvesting-Markt, aktuelle Trends und Beispiele für Lösungen mit den wichtigsten Betriebsparametern.
Technologische Fortschritte bei der Minimierung des Stromverbrauchs und der Steigerung der Effizienz der Energiegewinnung aus externen Quellen haben es möglich gemacht, dass aktuelle Geräte mit niedrigem Energieverbrauch batterielos arbeiten können. (Abbildung 1).
Abb. 1: Das Konzept von “Energy Harvesting”
Technologien zur Energiegewinnung aus unabhängigen Quellen werden seit mehr als einem Jahrzehnt eingesetzt. Das Haupthindernis für die Entwicklung des Marktes war die Effizienz solcher Lösungen und der Verbrauch von Strom durch "Pseudo"-Lösungen mit niedrigem Energieverbrauch. Gegenwärtig steht der Markt für Energy-Harvesting-Lösungen trotz aller Probleme mit der Verfügbarkeit von Rohstoffen und der Steigerung von Optimierung und technologischer Effizienz an der Schwelle zu seiner Größe.
Technologieriesen und innovative Unternehmen haben damit begonnen, diese Art von Lösungen in ihre Produkte einzubauen, um Batterien zu ersetzen oder die Lebensdauer der Geräte zu verlängern. Auf breiter Ebene wird dieser Schritt den Bedarf an Batterien als Energiequelle erheblich reduzieren und zu "autonomen" und wartungsfreien Lösungen führen.
Der Innovationsaspekt eines wartungsfreien Produkts wird für die Endkunden bei der Entscheidung für diese Art von Lösung sicherlich von Bedeutung sein.
Energieumwandlung und -management aus Wärme-, Licht- und Wechselstromquellen
Der erste Aspekt bei der Energierückgewinnung ist die effiziente Umwandlung und das Management der gewonnenen Energie. Zu diesem Zweck werden DC-DC-Wandler mit sehr geringen Verlusten und hohem Wirkungsgrad eingesetzt. Deutlich höhere Markterwartungen haben zur Entwicklung einer eigenen Produktgruppe geführt, die sich ausschließlich dem Energy Harvesting widmet.
Ein starker Akteur auf dem Markt der Lösungen für das Energy Harvesting ist E-peas Semiconductors, ein Unternehmen, das sich auf Systeme für die Verarbeitung und das Management von zurückgewonnener Energie spezialisiert hat. Der Hersteller bietet Lösungen für die Erfassung von Energie aus Wärme-, Licht- und HF-Quellen an (Abbildung 2). Die speziellen PMIC-Lösungen von E-peas sind für eine einfache und effiziente Verwaltung der gewonnenen Energie konzipiert. Je nach Design des Geräts, das sich hauptsächlich aus dem Energiebedarf ergibt, sind verschiedene Topologievarianten verfügbar (Boost / Buck-Boost / Buck-Boost Batterieladegerät / Boost Batterieladegerät Wearable). Die Festlegung der Art des Gerätebetriebs sowie die Auswahl der richtigen PMIC-Lösung sollte auf der Grundlage einer Energieanalyse des Betriebsplans des Geräts und der rückgewinnbaren Energiemenge erfolgen.
Abb. 2: E-peas PMIC Lösungen
Ein weiterer entscheidungsrelevanter Aspekt ist die Art der für die Energierückgewinnung verwendeten Quelle, wobei jede einzelne Quelle unterschiedliche Auswahlkriterien erfordert. Die wichtigsten Faktoren, die die verschiedenen Quellen charakterisieren, sind ihre Effizienz und die tägliche Verfügbarkeit von Energie. Derzeit finden in der Praxis vor allem Lösungen für Solarquellen aufgrund ihrer Effizienz und Effektivität die größte Anwendung.
Im Portfolio der Hersteller gibt es Lösungen mit unterschiedlichen Arbeitstopologien, was es ermöglicht, verschiedene Varianten des Gerätebetriebs zu berücksichtigen. Ein Blockdiagramm der fortschrittlichsten Lösung ist in Abbildung 3 dargestellt, während Tabelle 1 die wichtigsten Parameter der Solarlösungen enthält.
Abb. 3: Blockdiagramm der AEM10941 Chip-Konfiguration
Ein sehr wichtiges Kriterium bei der Auswahl einer Lösung sind die Betriebsbedingungen und kritischen (Rand-)Parameter, die den Betrieb eines Systems und den erreichbaren Wirkungsgrad bestimmen.
Tab. 1: Zusammenfassung der wichtigsten Parameter der AEM10xxx-Familie
Energiegewinnung aus Licht mit photovoltaischen (PV) Zellen
Ein wichtiger Teil der Energieerzeugungseinheit für Lichtquellen ist eine PV-Zelle. Bei batteriebetriebenen Geräten mit geringem Stromverbrauch und in Innenräumen wird Kunstlicht als Energiequelle verwendet.
Im Vergleich zu den auf dem Markt erhältlichen Lösungen zeichnen sich die Produkte von Epishine durch ihre hohe Effizienz und Anpassungsfähigkeit an die Anwendung aus. Das Portfolio des Herstellers umfasst sechs Standardlösungen mit unterschiedlicher Anzahl von PV-Zellen für Innenlichtanwendungen und aktiver Fläche, die die erreichbaren Leistungsparameter definieren (Tabelle 2).
Tab. 2: Zusammenfassung der verfügbaren PV-Modul-Lösungen
Je nach der aktiven Fläche des gewählten PV-Moduls (Anzahl der Zellen) und des Energiespeicherelements wird das endgültige Gerät durch eine bestimmte Funktionalität, einen bestimmten Preis und die Möglichkeit des Betriebs in einer bestimmten Umgebung gekennzeichnet. Tabelle 3 zeigt Beispiele für die Anwendung von Photovoltaikmodulen zusammen mit Beispielen für Speicherelemente im Hinblick auf ihre Vor- und Nachteile beim Betrieb.
Tab. 3: Ausgewählte Beispiele für Anwendungen von PV-Modulen
Die Betriebsbedingungen des PV-Zellenmoduls, wie Beleuchtungsstärke, Umgebungstemperatur und aktive Oberfläche, bestimmen die elektrischen Eigenschaften der Module. Eine Zusammenfassung der wichtigsten Eigenschaften, wie in Abbildung 4 dargestellt, ermöglicht die richtige Auswahl einer Lösung für den Stromkreis und die im Raum verfügbare Lichtintensität.
Abb 4: Zusammenfassung der wichtigsten PV-Eigenschaften
Die Empfindlichkeit und Effizienz von PV-Zellen ist unter schwierigen Bedingungen wie geringer Lichtintensität, Temperaturschwankungen, Lichtwinkel und Lichtfarbe von entscheidender Bedeutung. Vom Hersteller bereitgestellte Vergleichstabellen und -grafiken veranschaulichen den Wirkungsgrad und die Empfindlichkeit von Lösungen in Abhängigkeit von Änderungen der Betriebsbedingungen.
Bei schlechten Lichtverhältnissen, bei denen die Bedingungen für eine minimale Beleuchtungsstärke nicht garantiert werden können, spielt die Empfindlichkeit der PV-Zellen eine wichtige Rolle. Ein beispielhafter Vergleich der Ausgangsleistung für ausgewählte PV-Module und sehr niedrige Beleuchtungswerte ist in Tabelle 4 zusammengestellt.
Tab. 4: Vergleich der Ausgangsleistung bei geringen Beleuchtungsstärken
Ein weiterer wichtiger Umweltfaktor, der den Wirkungsgrad der PV-Zellen beeinflusst, ist die Umgebungstemperatur, die sich auf die Leistungs- und Spannungsverluste auswirkt (Abb. Nr. 5). Die Leistungs- und Spannungsschwankungen überstiegen bei der ausgewählten LEH3_50x50_6_10-Modullösung nicht +/-20 % über das gesamte Spektrum des getesteten Temperaturbereichs.
Abb. 5: Die Umgebungstemperatur beeinflusst die Leistungs- und Spannungsverluste
Der Einfallswinkel ist ebenfalls von großer Bedeutung für die Aufrechterhaltung des Wirkungsgrads, dessen Überschreitung zu einem drastischen Abfall des Wirkungsgrads führt. Abbildung 6 zeigt die Abhängigkeit der Modulleistung von der Variation des Einfallswinkels, woraus sich ableiten lässt, dass die Module bei Werten von +/-30⁰ arbeiten sollten.
Abb. 6: Abhängigkeit von der Modulleistung
Der letzte wichtige Faktor ist die Farbe des von einer bestimmten Art von Lichtquelle erzeugten Lichts. Abbildung 7 veranschaulicht, wie Photovoltaikmodule mit verschiedenen Lichtquellen und Farben arbeiten können. Die Zellen arbeiten im Wellenlängenbereich des Lichts von >300 nm bis >700 nm, wobei sie einen nahezu konstanten und maximalen Umwandlungsfaktor beibehalten.
Abb. 7: Fotovoltaikmodule arbeiten mit verschiedenen Lichtquellen und Farben
Schlussfolgerung
Der Elektronikmarkt und die Anforderungen an die Unternehmen, die Endprodukte liefern, schaffen neue Herausforderungen und zwingen zu Veränderungen. Technologiegetriebene Veränderungen sind oft langsam und weniger effektiv in ihren Resultaten. Im Fall der oben beschriebenen Energy Harvesting- und batteriebetriebenen Geräte werden Rohstofffragen zu schnelleren Entscheidungen und Maßnahmen führen. Die Zahl der batteriebetriebenen Geräte steigt rapide an, was zusätzliche Anforderungen an die Stromversorgung und Probleme bei der Wartung der einzelnen Geräte nach der angegebenen Betriebszeit mit sich bringt.
In Anbetracht der aktuellen Technologie, der Probleme bei der Komponentenzuordnung und der Notwendigkeit eines Redesigns ist es eine gute Idee, Alternativen zu erwägen und eine Korrektur beim Thema Stromversorgung von Geräten vorzunehmen. Innovative Ansätze für Stromversorgungslösungen mit der Entwicklung der Energy-Harvesting-Technologie haben einen zunehmenden Einfluss auf die Minimierung des Energiebedarfs.
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