Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS
Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS
Energy Harvesting
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Das Fraunhofer IIS untersucht und entwickelt mikroelektronische Schaltungen, Energiewandler und Systeme zur Nutzung von Energie aus der Umgebung.

Energy Harvesting: Kleine Quelle – Große Wirkung

Wir nutzen regenerative Energiequellen aus der Umgebung, um kleine elektronische Verbraucher zu versorgen.

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Energy Harvesting - Autarke Energieversorgung

Die Technologie Energy Harvesting

Im Bereich Energy Harvesting untersuchen und entwickeln wir Technologien und Systeme zur Nutzung von Energie aus der Umgebung, um kleine elektronische Verbraucher zu versorgen.

Energy Harvesting macht Kabel zur Stromversorgung oder das Nachladen von Batterien in mobilen Geräten überflüssig. Vibrationen an Geräten, Maschinen oder Bauwerken oder Temperaturunterschiede zwischen Rohren, Leitungen, Heizkörpern oder Ventilen und der Umgebung können genutzt werden, um elektrische Energie zu erzeugen. Diese elektrische Energie kann direkt zur Versorgung von kleinen elektronischen Systemen genutzt werden.

Wie funktioniert Energy Harvesting?

Datenschutz und Datenverarbeitung

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Unser Entwickler erklärt Ihnen die Funktionsweise von Energy Harvesting.

Erfahren Sie von unserem Entwickler mehr über unsere Energy Harvesting Lösungen wie dem BlueTEG, einem thermoelektrisch versorgten Funksensor oder einem Vibrationswandler zur Nutzung von Vibrationen und mechanischer Energie. Im modularen, energieautarken Trackingsystem ENTRAS werden diese Energy Harvesting Lösungen genutzt, um eine durchgängige und energieeffiziente Lokalisierung von Waren, Personen und Tieren zu ermöglichen. Dabei kann die Batterie während des Betriebs nachgeladen werden und ein aufwendiger Batteriewechsel ist nicht mehr notwendig.

Systemarchitektur

Ein Energy Harvesting System besteht typischer Weise aus dem Energiewandler, einem Powermanagement und einem Energiespeicher. Damit werden beliebige elektronische Komponenten, vorallem aber Funksender, Sensoren oder Aktoren mit Energie versorgt.

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Energiewandler

Verschiedene Wandlerarten, die Umgebungsenergie in elektrische Energie umwandeln, sind in den letzten Jahren populär geworden. Die Wahl des Wandlers hängt von der spezifischen Anwendung und der verfügbaren Umgebungsenergie ab:

  • Solarzellen: Wandeln Licht in elektrische Energie um.
  • Thermoelektrische Generatoren: Nutzen Temperaturunterschiede zur Stromerzeugung.
  • Kinetische Wandler: Verwenden Bewegungen und Vibrationen zur Energiegewinnung.

Powermanagement

Das Powermanagement passt die gewonnene elektrische Energie an die Anforderungen des Anwendungsgeräts oder des Speicherelements an. Dies umfasst die Gleichrichtung und Filterung von Pulsströmen sowie die Spannungswandlung und Laderegelung. Techniken wie Maximum Power Point Tracking (MPPT) können eingesetzt werden, um die Effizienz zu maximieren.

Energiespeicherung

Ein Energiespeicherelement – Batterie oder Kondensator – ist normalerweise erforderlich, um die variable und nicht immer verfügbare Umgebungsenergie zu speichern. Es sammelt die verfügbare Energie, um das Anwendungsgerät auch bei fehlender Umgebungsenergie zu versorgen und ermöglicht den Betrieb bei Leistungsspitzen.

Funkmodul, Sensoren und Aktuatoren

Je nach Anwendung und den verwendeten Sensoren oder Aktuatoren sind verschiedene Kommunikationsprinzipien und -standards anwendbar. Typische Sensoren messen Temperatur, Licht, Gas, Beschleunigung oder Feuchtigkeit. Anwendungen mit Aktuatoren umfassen Türschlösser oder Heizungsventile. Besondere Aufmerksamkeit sollte dem Stromverbrauch geschenkt werden, der durch geeignete Leistungsverwaltung minimiert werden kann.

Vorteile von Energy Harvesting

Installationsarm und Wartungsfrei

Vermeiden Sie den Aufwand für Installation und Wartung von drahtlosen Sensoren, indem Sie durch die Nutzung von Energy Harvesting auf Stromkabel, Batterien und deren Nachladung verzichten.

Langlebig

Profitieren Sie von einer kontinuierlichen Energieversorgung, die unbegrenzte Betriebs- und Standby-Zeiten ermöglicht, ideal für den Einsatz in schwer zugänglichen und abgelegenen Orten.

Robust

Mit Energy Harvesting und Kondensatoren statt Batterien können Ihre Systeme in einem deutlich größeren Temperaturbereich betrieben werden.

Arten der Energiegewinnung

Es gibt unterschiedliche Arten elektrische Energie aus der Umgebung zu gewinnen:

 

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Thermoelektrische Energieversorgung

Bei der thermoelektrischen Energiegewinnung wird der Temperaturunterschied von einem warmen oder kalten Objekt zur Umgebung genutzt, um elektrische Energie zu gewinnen. Dabei wird der sogenannte Seebeck-Effekt genutzt.

Thermoelektrische Energieversorgung
 

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Mechanische Energieversorgung

Mechanische Bewegung, Druck oder Schwingungen können mit piezoelektrischen oder induktiven Generatoren in elektrische Spannungen umgewandelt werden um. So können beispielsweise vorhandene Vibrationen an Maschinen oder Motoren genutzt werden, um kleine elektronische Geräte mit Energie zu versorgen.

Mechanische Energieversorgung

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Energiegewinnung über Photovoltaik

Unter Photovoltaik versteht man die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mit Solarzellen. Neben der Energieversorgung von Haushalten mit Solaranlagen können auch kleine Sensoren mit Sonnenenergie versorgt werden. Das vorhandene Licht wird somit genutzt, um elektrische Energie für Kleinverbraucher zu gewinnen.

Unser Leistungsportfolio

Wir bieten Ihnen aktuell folgende Leistungen zur Realisierung von Energieversorgungen an:

F&E-Projekte

Wir entwickeln maßgeschneiderte Lösungen für ihre Anwendungen. 

Technische Beratung

Wir beraten und unterstützen Sie bei Ihrem individuellen Anliegen rund um Energy
Harvesting und autarke Funksensoren.

Lizenzierung

Ergebnisse aus früheren Projekten können spezifisch an ihre Anwendungen und
Bedürfnisse angepasst werden und über
Lizenzverträge genutzt und kommerzialisiert werden.

Bewertung von Systemen und Bauelementen

In unseren Laboren nutzen wir vielfältige Messtechnik zur Charakterisierung von
Energiewandlern, Energiespeichern und elektronischen Schaltungen.

Machbarkeits- und Technologiestudien

Wir analysieren Ihre Anwendung und nutzen multiphysikalische Simulationstools, um mögliche Lösungen für eine autarke
Energieversorgung oder einen autarken Funksensor zu erarbeiten und zu bewerten.

Prototypen für Energy Harvesting und Powermanagement

Aus vorangegangenen Projekten bieten wir Prototypen mit unterschiedlichsten Spezifikationen an.

Anwendungsgebiete

Unsere Energy Harvesting-Lösungen bieten vielseitige Einsatzmöglichkeiten, die Ihre Innovationskraft und Effizienz steigern:

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Zustandsüberwachung

Energieautarke Sensoren bieten eine kostengünstige und installationsarme Möglichkeit, den Zustand von beliebigen technischen Systemen und Anlagen zu überwachen und bei Störungen, Fehlfunktionen oder Schäden rechtzeitig zu warnen. 

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Strukturüberwachung

Drahtlose Sensoren mit autarker Energieversorgung können auch ausgedehnte Strukturen wie Brücken oder Bauwerke mit geringem Installationsaufwand grossflächig überwachen und deren Stabilität und Funktionstüchtigkeit bewerten. 

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Gebäudeautomation

Energieautarke Sensoren oder Aktoren überwachen und steuern beliebige Funktionen im Gebäude wie Klimatisierung, Beschattung, Belüftung und Beleuchtung. So kann der Energiebedarf eines Gebäudes signifikant reduziert werden. 

Logistik und Verkehr

Autarke Positionssensoren ermitteln den aktuellen Standort ihrer Güter, Waren oder Fahrzeugen und ermöglichen eine präzise Planung.

Unsere Projektbeispiele auf dem Gebiet Energy Harvesting

 

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Ambient IoT

Ambient IoT bezeichnet eine neue Klasse drahtloser IoT-Kommunikation, die Energie aus der Umgebung nutzt. Durch Energy Harvesting werden Kabel zur Stromversorgung oder die Nachladung von Batterien in mobilen Geräten überflüssig.

Ambient IoT

LoLiPoP-IoT

Langlebige autarke Stromversorgungen für drahtlose Sensoren in IoT-Anwendungen sind Ziel des Chips JU Projekts LoLiPoP IoT. Einsatz finden solche Sensorsysteme in Anwendungen wie Industrie 4.0, Smart Mobility oder Smart City. Sie sorgen für längste Betriebs- und Lebenszeiten bei geringsten Wartungs- und Installationsaufwänden. 

LoLiPoP-IoT
 

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Intelligente Schraubverbindung Q-Bo®

Mit der intelligenten Schraubverbindung Q-Bo® wird eine drahtlose, energieautarke Überwachung der Vorspannkraft mit Hilfe eines nachrüstbaren Sensorsystems für DIN-Schrauben möglich.

Q-Bo®
 

© candy1812 & Fraunhofer IIS/Pachl

GreenICT

Nachhaltige IoT-Technologien für eine umweltschonende und vernetzte Zukunft ist das Ziel von GreenICT@FMD, einer Forschungsinitiative mehrerer deutscher Forschungsinstitute. Sie arbeiten gemeinsam an Methoden, Benchmarks und Lösungen zur Ressourcen- und Energieeffizienz aktueller und zukünftiger Generationen von Sensorsystemen, IoT- und Mobilfunkkommunikation.

Nachhaltige IoT
 

© Fraunhofer IIS, EnABLES

EnABLES

Im EU-Projekt EnABLES (European Infrastructure Powering the IoT), ein Förderprojekt im Rahmen des Programms »Horizon 2020« kooperieren zehn namhafte europäische Forschungsinstitute – darunter das Fraunhofer IIS, das Fraunhofer IMS, das IMEC, das CEA und das KIT unter der Leitung des Tyndall National Instituts. Die Institute und Universitäten arbeiten auf dem Gebiet nachhaltiger Mikroenergielösungen für IoT-Anwendungen. Die Vision von EnABLES besteht darin, die Notwendigkeit eines Batteriewechsels zu beseitigen, indem Energy Harvesting Lösungen entwickelt oder Wege gefunden werden, den Stromverbrauch von Geräten zu reduzieren.

EnABLES

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Handbook of Energy Harvesting Power Supplies and Applications

Dr. Peter Spies, Markus Pollak und Dr. Loreto Mateu; ISBN-13: 978-9814241861
Verlag: Pan Stanford Publishing Pte Ltd

»This is an ideal book for those wanting to learn more about wireless energy harvesting in general. Its main focus is on power supply design for energy harvesting applications of wireless sensors. It contains a wealth of information that can be used to design energy harvesting circuits and to create ideas for new circuit topologies.« – IEEE Electrical Insulation Magazine

Veröffentlichungen

Barth, Stephan; Nizard, Harry; Bartzsch, Hagen; Göller, Julia; Spies, Peter (2022): AlScN-Dünnschichten auf Metallsubstraten für Energy Harvesting Anwendungen, in: 2022 Energieautonome Sensorsysteme (EASS), pp. 62-64.

Pollak, Markus; Kiziroglou, Michail; Wright, Steven; Spies, Peter (2021): Cold-Starting Switched-Inductor Bipolar Power Management for Dynamic Thermoelectric Harvesting, in: 2021 IEEE 20th International Conference on Micro and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Applications (PowerMEMS), pp. 116-119.

Becker, Thomas; Kiziroglou, Michail; et al. (2021): Energy harvesting for a green internet of things: PSMA white paper, in: 2021 PSMA White Paper, PSMA Energy Harvesting Technical Committee, pp. 1-66.

Pozo, Borja; Araujo, José Ángel; Zessin, Henrik; Mateu, Loreto; Garate, José Ignacio; Spies, Peter (2020): Mini Wind Harvester and a Low Power Three-Phase AC/DC Converter to Power IoT Devices: Analysis, Simulation, Test and Design, in: 2020 Appl. Sci., pp. 1-45.

Kementh, Ferdinand; Gemeinhardt, Anja; Pollak, Markus; Spies, Peter (2020): Maintenance-free MIOTY LPWAN enabled by Energy Harvesting, in: 2020 Embedded World Conference., pp. 1-4.

Tobola, Andreas; Leutheuser, Heike; Pollak, Markus; Spies, Peter; Hofmann, Crhistian; Weigand, Christian; Eskofier, Bjoern; Fischer, Georg (2018): Self-Powered Multiparameter Health Sensor, in: 2018 IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics, pp. 15-22.

Zessin, Henrik; Spies, Peter; Mateu, Loreto (2016): Power density improvement of the power conditioning circuit for combined piezoelectric and electrodynamic generators, in: 2016 16th International Conference on Micro and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Applications (PowerMEMS 2016), pp. 1-4.

Nilsson, Erik; Mateu, Loreto; Spies, Peter; Hagström, Bengt (2014): Energy Harvesting from Piezoelectric Textile Fibers, in: 2014 Procedia Engineering, pp. 1569-1572.

Zessin, Henrik; Mateu, Loreto; Spies, Peter (2014): Modeling of hybrid piezoelectrodynamic generators, in: 2014 Energy Harvesting and Systems, pp. 217-222.

Mayordomo, Iker; Mateu, Loreto; Roth, Maximilian; Sobirai, Dirk; Köhler, Alexander; Spies, Peter; Münch, Ulli (2014): An Evaluation of Energy Harvesting for Smart UHF RFID Tags, in: 2014 Smart SysTech, European Conference on Smart Objects, Systems and Technologies, pp. 1-8.

Mayordomo, Iker; Dräger, Tobias; Spies, Peter; Bernhard, Josef; Pflaum, Alexander (2013): An Overview of Technical Challenges and Advances of InductiveWireless Power Transmission, in: 2013 Proceedings of the IEEE, pp. 1302-1311.

Mateu, Loreto; Lühmann, Lars; Zessin, Henrik; Spies, Peter (2013): Modified parallel SSHI AC-DC converter for piezoelectric energy harvesting power supplies, in: 2011 IEEE 33rd International Telecommunications Energy Conference (INTELEC), pp. 1-7.