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Energie aus der Umgebung

Autark für die digitale Welt

Mobile Kommunikationsgeräte, dezentrale elektronische Steuerungen oder Sensorsysteme bilden die Basis der digitalen Zukunft. Sie alle benötigen für ihren Betrieb elektrische Energie, die aus dem Netz oder mittels Batterien bereitgestellt wird. Dabei arbeiten diese elektronischen Systeme in einer Umgebung voller Energie: in einer warmen Umgebung, auf einer sich bewegenden Maschine, in beleuchteter oder lauter Umwelt.

Diese Energie aus der Umgebung aufzunehmen und in elektrische Energie zu wandeln ist die Aufgabe von Bauelementen für das Energy Harvesting. Je nach Art der Energie in der Einsatzumgebung des elektronischen Systems gibt es unterschiedliche Möglichkeiten und darauf abgestimmte Bauelemente für die Energiewandlung (z. B. aus bewegter Materie, Licht, Wärme, Schall). Die so gewonnene elektrische Energie lässt sich dann für den Betrieb des elektronischen Systems nutzen, um es von einer stationären Energieversorgung unabhängig zu machen. Der Anschluss an die Netzversorgung oder das aufwendige Wechseln von Energiespeichern kann so entfallen.

Elektomagnetisches Feld

Im IEC/TC 47 „Semiconductor devices“ werden Normungsprojekte bearbeitet, die Halbleiterbauelemente für das Energy Harvesting und die Energiewandlung behandeln. Derzeit werden die Festlegungen für die folgenden drei Arten von Bauelementen für die Normenreihe IEC 62830 diskutiert: * Teil 1: Schwingungsbasiertes piezoelektrisches Energy Harvesting * Teil 2: Thermospannungsbasiertes thermoelektrisches Energy Harvesting * Teil 3: Schwingungsbasiertes elektromagnetisches Energy Harvesting

Im ersten Teil dieser Normenreihe werden Begriffe, Symbole, Konfigurationen und Prüfverfahren zur Bestimmung und Bewertung von Leistungskenngrößen schwingungsbasierter piezoelektrischer Bauelemente zum Energy-Harvesting festgelegt. Ein solches Bauelement zur Wandlung von Schwingung in Elektrizität besteht aus Trägheitsmasse, Feder und piezoelektrischem Wandler. Letzterer umfasst die beiden Elektroden und die piezoelektrische Schicht. Die induzierte Schwingung erzeugt durch die hin- und hergehende Bewegung der Masse und das Verbiegen der Feder Zug- und Druckspannungen in der piezoelektrischen Schicht. Die Kopf- und Bodenelektroden der piezoelektrischen Schicht akkumulieren (Harvesting) die über den piezoelektrischen Effekt erzeugte Ladung.

Der zweite Teil der Normenreihe legt Verfahren und Begriffe zur Messung der Thermospannungen von dünnen Schichten fest, die in mikrometergroßen thermoelektrischen Generatoren, Mikro-Heizelementen und Mikro-Kühlern Verwendung finden. Es werden thermoelektrische Drähte, Substrate sowie Dünnschichten mit Dicken von kleiner 5 µm und die Energy-Harvesting-Bauelemente mit thermoelektrischen Dünnschichten behandelt.

Bei ausreichendem Temperaturunterschied sind thermoelektrische Werkstoffe in der Lage, Wärmeenergie direkt in elektrische Energie zu wandeln. Umgekehrt lassen sich thermoelektrische Bauelemente aber auch zum Kühlen oder Erwärmen einsetzen, wenn elektrische Energie zugeführt wird. Da solche Systeme keine beweglichen Teile enthalten, die mechanische Geräusche erzeugen, werden sie insbesondere dort verwendet, wo eine leise Betriebsweise gefordert ist. Thermoelektrische Bauelemente sind außerdem sehr haltbar und geben keine Schadgase ab.

Der dritte Teil der Normenreihe behandelt schwingungsbasierte elektromagnetische Bauelemente. Neben notwendigen Begriffen und Symbolen sind insbesondere Aufbauanordnungen und Prüfverfahren beschrieben. Ein schwingungsbasiertes Energy-Harvesting-Bauelement enthält eine Kombination aus Spule und Magnet, der auch als Trägheitsmasse dient. Die induzierte Schwingung erzeugt über das Feder-Masse-System eine Relativbewegung zwischen Magnet und Spule. Die dadurch in der Spule generierte elektromotorische Kraft, ist als Spannung über die Anschlüsse abgreifbar. Norm-Entwürfe für die oben angesprochenen drei Teile wurden vom DKE/K 631 „Halbeiterbauelemente“ in der Reihe DIN EN 62830 im Jahr 2014 veröffentlicht. Bauelemente für das Energy Harvesting auch anderer Energiequellen aus der Umgebung des Einsatzortes elektronischer Geräte folgen in den nächsten Jahren. Damit wird ein umfassender Beitrag zu einer energieeffizienten digitalen Zukunft erbracht.

Kontakt
Lieber, Theodor Bernd
+49 69 6308-287
theodor-bernd.lieber@vde.com