Batterien und Energy Harvesting

Senta Pessel, Sommersemester 2011

Schon seit langer Zeit muss man marode Bauwerke überwachen um eine ausreichende Sicherheit für die Nutzer des Bauwerks zu gewährleisten und um frühzeitig mögliche Versagensereignisse vorhersagen zu können. Bislang war dies aber nur mit kabelgebundenen Zuleitungen möglich, um zum einen die Überwachungsanlage vor Ort mit Strom zu versorgen und zum anderen die gemessenen Daten an eine Rechnerzentrale weiterleiten zu können. Mitte des 19. Jahrhunderts machte man die Entdeckung der drahtlosen Datenübertragung. Seit dem Jahre 1999 ist die WLAN Technik ausgereift und für private Nutzer zu erschwinglichen Preisen zu erwerben. Nur ein paar Jahre später erkannte man, dass diese Technik auch für das Bauwesen sinnvoll eingesetzt werden kann, um nicht mehr an Kabeltechnik gebunden zu sein. Stand der Technik ist eine Überwachungsanlage, die weder Kabelzuleitungen für die Stromversorgung, noch Kabel für die Datenübermittlung benötigt. Im Folgenden wird eine solche Anlage beschrieben.

Aufbau eines modernen Überwachungssystems

Am Bauwerk befinden sich die Sensorknoten (die sogenannten „Motes“), die die Messdaten erfassen und per Funk an einen Router übertragen. Dafür wird das Funkübertragungssystem „ZigBee“ verwendet. Im Gegensatz zu WLAN hat ZigBee nur eine begrenzte Reichweite von mehreren hunderten Meter, jedoch hat dieses System den Vorteil eines extrem geringen Strombedarfs. Dies ist ein entscheidender Faktor, weil die Energie bei modernen drahtlosen Überwachungsverfahren nicht in üppiger Menge zur Verfügung steht. Der Router überträgt die Daten schließlich über GPRS und Internet an einen zentralen Rechner, von wo aus die Daten über das Bauwerk eingesehen werden können. Dadurch kann sich der Rechner irgendwo auf der Erde befinden und muss nicht in unmittelbarer Nähe zum Bauwerk stehen. Die Technik vom Router zum Rechner ist bereits bekannt und soll daher nicht genauer erläutert werden. Entscheidend ist die Technik im Mote, dessen einzelne Bestandteile der Grafik dargestellt sind.

Die Hauptbestandteile eines Motes sind die Sensoren, die die Daten messen und erfassen. Die CPU ist ein kleiner Rechner, der die Daten zunächst von den Sensoren sammelt und im Speicher ablegt. Von Zeit zu Zeit holt sich der Prozessor die gemessenen Daten wieder, setzt die Kommunikationseinheit in Gang und überträgt die Daten zum Router. Damit das System arbeiten kann, benötigen natürlich alle Komponenten Energie, die entweder im Mote bereitgestellt wird oder von außen zugeführt wird. Somit kann das Mote völlig autark arbeiten.

Sensoren und MEMS

Zu Beginn der Kette zur Datenerfassung stehen die Sensoren. Es gibt eine Vielzahl an Arten von Sensoren, die verschiedenen Aufgaben haben und unterschiedlich funktionieren. Dieses komplexe Thema soll hier nicht genauer erläutert werden, kann jedoch unter Sensoren und MEMS eingesehen werden.

Energieversorgung mittels Batterien und Energy Harvesting

Zweck des Einsatzes einer autarken Energieversorgung

Eine der wesentlichen Grundvoraussetzungen für einen reibungslosen Betriebsablauf ist die Sicherstellung einer ausreichenden Stromversorgung. Schließt man nun die Messeinrichtung mit Kabelzuleitungen an das örtliche Stromnetz an, so ist die Anlage bei einem Stromausfall nicht mehr zuverlässig einsatzbereit. Da sich die Rechnerzentrale weit entfernt von der Messstation befinden kann und vor Ort kein Personal stationiert ist, kann es unter Umständen lange dauern bis der Stromausfall wieder behoben und die Anlage wieder einsatzbereit ist, da oft genau solche Stellen eines Bauwerks überwacht werden, die nur sehr schlecht zugänglich sind. In dieser „stromlosen“ Zeit können keine zuverlässigen Messungen erhoben werden. Daher besteht bei modernen drahtlosen Überwachungsverfahren immer mehr die Forderung nach autarken Systemen, die ihre Energie nicht über das örtliche Stromnetz mit Kabelzuleitungen beziehen, sondern über eigene Stromquellen vor Ort. Dies kann entweder über eingebaute Batterien oder über Energy Harvesting geschehen. Man setzt diese Technik ein, wenn …

• … am Bauwerk definitiv kein Strom vorhanden ist.
• … keine Kabelzuleitungen erlaubt sind.
• … die Motes häufig versetzt werden sollen und man dadurch flexibel sein muss.
• … vor Ort keine Datenaufzeichnung durchgeführt werden soll, weil dafür Energy Harvester nicht ausreichend Strom zur Verfügung stellen können.

Zudem sind kabelgebundene Lösungen teuer bei der Installation. Zusammen mit der Tatsache einer fehlenden Flexibilität ist die Forderung nach kabellosen Systemen plausibel.

Übersicht der Verfahren und Funktionsweisen

Die Begriffe „Batterie“ und „Energy Harvesting“ beschreiben beide eine Methode zur Bereitstellung elektrischer Energie ohne die Nutzung des örtlichen Stromnetzes. Batterie bedeutet „Ansammlung, Konzentration“ von Energie. Energy Harvesting dagegen bedeutet „Energie – Ernte“. Gemeinsamkeiten und Unterschiede von Batterien und Energy Harvestern sind in folgender Tabelle dargestellt:

Beide Systeme haben ein ähnliches Prinzip bei der Energieabgabe. Es werden Energiewandler benutzt, die die gewonnene Energie nicht elektrischer Art in elektrische Energie umwandeln und so Strom für die Messeinrichtung zur Verfügung stellen. Der Unterschied beider Systeme liegt in der Herkunft der nicht–elektrischen Energie. Bei Batterien werden dafür chemische Stoffe in einem internen Speicher verwahrt. Sobald es zu einer chemischen Reaktion dieser Stoffe kommt, der sogenannten Redoxreaktion, entsteht chemische Energie. Durch den oben genannten Energiewandler wird diese Energie anschließend in elektrische Energie umgewandelt. Es gibt zwei verschiedene Systeme, die man heute unter dem Begriff „Batterie“ versteht:

• Primärzellen, die nach ihrer Herstellung nur eine bestimmte Menge an Energie abgeben können. Danach sind sie „leer“ und können nicht wieder aufgeladen werden. Man muss die Primärzellen nach ihrem Gebrauch entsorgen.
• Sekundärzellen, die nicht nur Energie abgeben können, sondern auch Energie speichern können. Gebräuchliche Begriffe dafür sind derzeit „Akkumulator“ oder kurz „Akku“. Sobald die gespeicherte Energie verbraucht ist, kann durch Anlegen einer äußeren Stromquelle wieder Strom zugeführt und gespeichert werden.

Bei Energy Harvestern wird die nicht-elektrische Energie nicht in Form eines internen Speichers zur Verfügung gestellt, sondern direkt aus der Umgebung gewonnen. Dafür gibt es verschiedene Quellen, aus denen die Energie bereitgestellt werden kann. Diese sind:

• Bewegte Materie (Rotation, Linearbewegung, Vibration, Strömungen)
• Licht
• Temperaturdifferenz
• Funkwellen
• Schall
• biologische Prozesse

Historische Entwicklung

Batterien und Akkus

Im Jahre 1800 konnte man das erste Mal von der Entwicklung einer funktionierenden Batterie sprechen. Damals entdeckte Alessandro Volta (1745 – 1827) die sogenannte „Voltasäule“, die allerdings nur über 1,1 Volt je Element verfügte und den Elektrolyten in flüssiger Form enthielt. Nur drei Jahr später entdeckte Johann Wilhelm Ritter (1776 – 1810) den ersten wiederaufladbaren Akku. Der wohl bekannteste Akku – der Bleiakkumulator – wurde in den Jahren 1850 bis 1886 erforscht. 1901 entwickelte Paul Schmidt (1868 – 1948) die erste Trockenbatterie mit 4,5 Volt für Taschenlampen und damit fand die Batterie Einzug in die deutschen Haushalte.

Energy Harvesting

Auch die Grundlage der „Energie – Ernter“ wurde schon im 19. Jahrhundert gelegt. Die bereits erwähnte Piezoelektrizität wurde im Jahre 1880 von den Brüdern Jaques (1855 – 1941) und Pierre (1859 – 1906) Curie entdeckt. Der thermoelektrische Effekt wurde von Thomas Johann Seebeck (1770 – 1831) im Jahre 1821 entdeckt. Da diese Technologien erst seit kurzem in Miniaturbauweise für Motes eingesetzt werden, gibt es keine historische Verbesserung der Prozesse. Eine der ältesten Methoden ist die Stromerzeugung mittels Induktion: Erstmals im Jahre 1832 baute Hippolyte Pixii (1808 – 1835) den ersten Generator, der aus zwei Spulen und einem Hufeisenmagneten bestand. Die Grundlage für den photoelektrischen Effekt ist die Strahlungshypothese von Max Planck (1858 – 1947) im Jahre 1900. Fünf Jahre später entwickelte Albert Einstein (1879 – 1955) eine Erklärung für den photoelektrischen Effekt. Es gibt noch weitere historische Entwicklungen, die aber für die heutige Zeit nicht von entscheidender Bedeutung sind und daher an dieser Stelle nicht genauer erläutert werden.

Physikalische Grundlagen und Wirkungsweisen

Folgende Tabelle zeigt übersichtlich die oben erwähnten Verfahren mit dem jeweiligem physikalischen Effekt und dem Energiewandler:

Es werden nun die physikalischen Grundlagen der Energiequellen erläutert:

Induktionsgesetz

Eine konstant gehaltene Fläche ist immer dann von einem elektrischen Wirbelfeld umgeben, wenn sich der magnetische Fluss $//<![CDATA[ \begin{array}{l}B\end{array} //]]>$ in einem Zeitintervall $//<![CDATA[ \begin{array}{l}\delta t\end{array} //]]>$ um dieses Areal ändert. Dieses Wirbelfeld produziert eine Spannung, um der Flussänderung $//<![CDATA[ \begin{array}{l}\delta \rho\end{array} //]]>$ entgegen zu wirken. Die induzierte Spannung ergibt sich dann als:

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}U = -\frac{\delta \rho}{\delta t}\end{array} //]]>$ mit $//<![CDATA[ \begin{array}{l}\rho = \int Bx dA\end{array} //]]>$

Mit Hilfe eines Drehgenerators kann das benötigte homogene Magnetfeld durch die Rotation einer Spule erzeugt werden, das die Spannung schließlich auslöst. Bei einem Lineargenerator taucht der Magnet eines Kolbens in eine Spule ein und verlässt anschließend den Bereich wieder. Dadurch entsteht ebenfalls ein homogenes Magnetfeld. Mikrogeneratoren sind spezielle Formen des Lineargenerators mit dem Unterschied, dass Mikrogeneratoren durch Vibrationen (kurze, aber dafür schnelle Wege) angeregt werden und somit im hochfrequenten Bereich arbeiten.

Piezoeffekt

Ein Festkörper besteht aus negativen und positiven Ladungen, die fest an der Oberfläche oder im Volumen angeordnet sind. Die Summe der positiven Ladungen ergibt irgendwo einen Ladungsschwerpunkt der positiven Ladungen. Dies gilt genauso für die negativen Ladungen. Bringt man nun auf einen Körper eine gerichtete Verformung auf („gerichtet“ bedeutet von z.B. gegenüberliegenden Seiten), so verschieben sich die Ladungsschwerpunkte und es entsteht ein Dipol im Festkörper. Aus diesem Dipol entsteht schließlich eine elektrische Spannung. Man benötigt nur ein Dipol, also eine Polarisation, die sich aus dem Produkt der mechanischen Spannung $//<![CDATA[ \begin{array}{l}T\end{array} //]]>$ und des piezoelektrischen Spannungskoeffizienten $//<![CDATA[ \begin{array}{l}e\end{array} //]]>$ ergibt, wobei $//<![CDATA[ \begin{array}{l}e\end{array} //]]>$ abhängig von der elektrischen Feldstärke $//<![CDATA[ \begin{array}{l}E\end{array} //]]>$ ist:

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}P = e T\end{array} //]]>$ mit $//<![CDATA[ \begin{array}{l}e = \frac{\delta T}{\delta E}\end{array} //]]>$

Bei diesem Effekt benötigt man zwei Materialien mit unterschiedlicher Elektronenaffinität – also die Energie um ein Elektron aus einem Ion zu lösen:

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}X^{-} \rightarrow X + e^{-}\end{array} //]]>$

Durch mechanische Reibung zwischen diesen beiden Materialien werden die Elektronen an den beiden Oberflächen unterschiedlich stark – aufgrund der verschiedenen Elektronenaffinitäten – verteilt. Daraus kann schließlich eine Spannung abgegriffen werden (hohe Spannungen, geringe Stromstärken).

Photoelektrischer Effekt

Es gibt viele verschiedene photoelektrische Effekte. Alle haben das gleiche Prinzip: Ein Photon wird von einem gebundenen Elektron absorbiert und das Elektron dadurch aus der Bindung gelöst. Beim photovoltaischen Effekt als Teilbereich des photoelektrischen Effekts werden weiterhin zwei Materialien mit unterschiedlicher Dotierung (also eines negativ, das andere positiv) benötigt, um eine Ladungstrennung der entstandenen positiven und negativen Ladung zu erzielen. Daraufhin lässt sich eine Spannung abgreifen. Dieser Vorgang findet heute in Solarzellen statt, die als einzelne Einheit somit Strom produzieren kann. Entscheidend ist also die Energie $//<![CDATA[ \begin{array}{l}E\end{array} //]]>$ der Photonen, die sich aus dem Produkt der Frequenz $//<![CDATA[ \begin{array}{l}f\end{array} //]]>$ des Lichts und dem Planck’schen Wirkungsquantum $//<![CDATA[ \begin{array}{l}h\end{array} //]]>$ ergibt:

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}E = h f\end{array} //]]>$

Seebeck-Effekt

Grundlage für den Seebeck-Effekt ist das Pelitier–Element (benannt nach Jean Peltier (1785 – 1845)), bei dem durch Zuführung elektrischer Energie an zwei Halbleitern die eine Seite erwärmt und die andere Seite abgekühlt wird. Kehrt man diesen Effekt um, so kann aus einer Temperaturdifferenz zwischen zwei Halbleitern elektrischer Strom erzeugt werden. Diese Umkehrung des Peltier–Effekts heißt Seebeck–Effekt (benannt nach Thomas Johann Seebeck). Er „entdeckte zufällig, dass in einem Stromkreis aus zwei unterschiedlichen Metallstangen eine elektrische Spannung entsteht, wenn in den Stangen ein Temperaturunterschied (Temperaturgradient) herrscht“.

Verwendet man verschiedenen Leitermaterialien, so entsteht zwischen diesen Bereichen eine Spannung, wenn die Metallstangen unterschiedlich erwärmt werden. Die Stromausbeute ist dabei aber nicht zufriedenstellend. Setzt man statt normaler elektrischer Leiter Halbleitermaterialien ein, wird die Effizienz gesteigert und ein Minimum an Strom abgegriffen. Man spricht von einem Thermogenerator. Es gibt noch weitere physikalische Effekte, die als Grundlage zur Energiegewinnung bei Energy Harvestern eingesetzt werden können. Die wesentlichen und heutzutage gebräuchlichsten Varianten wurden aber bereits erläutert.

Anwendungen und Bedeutung der Verfahren für das Bauwesen

Theoretisch könnte man alle genannten Verfahren zur Energiegewinnung mittels Energy Harvesting in die Praxis einsetzen. Der Einsatz ist auch von der jeweiligen Situation vor Ort abhängig, …

• … wie der Energy Harvester vor Ort installiert werden kann.
• … ob die Energie gespeichert werden muss.
• … für welche Zwecke die Energie verwendet wird. ^[1]
• … ob überhaupt und wenn ja, ob ausreichend, Energie aus der Umgebung entnommen werden kann.

Derzeit werden aber von den Herstellern im Wesentlichen drei Verfahren produziert, die im Folgenden genauer erläutert werden.

Linearbewegung

Wird eine Feder einmal durch eine Kraft von ca. 2,1 ± 0,5 N auf einer Wegstrecke von ca. 2 mm bewegt, so wird für kurze Zeit von wenigen Millisekunden ein Spannungsimpuls von ca. 5 V durch die Spule nach dem oben erläuterten Induktionsgesetz generiert. Diese Energie wird gänzlich zur Kommunikationseinheit weitergegeben, die dann die Daten per ZigBee zum Router übermitteln kann. Es reicht eine einmalige Betätigung der Feder aus, um genügend Energie für einen Kommunikationsvorgang zu erzeugen. Die oben abgebildete Einheit ist kaum größer als eine 1-Euro Münze. In der Praxis werden solche Verfahren zum Beispiel in Schütteltaschenlampen eingesetzt. Im Bauwesen lassen sich damit vor allem drahtlose Schaltvorgänge für Gebäude- und Industrieautomation mit Energie versorgen. Zur drahtlosen Bauwerksüberwachung ist dieses System nicht gut geeignet, weil oft keine Wege von 2 mm vorhanden sind, die die Feder aktivieren könnten.

Licht

Die Nutzung des Lichtes erfolgt mithilfe von Solarzellen, in denen durch den oben erläuterten photovoltaischen Effekt Strom aus Sonnenlicht erzeugt werden kann. Im Bauwesen werden diese Solarzellen hauptsächlich zur Bauwerksüberwachung im Freien eingesetzt, weil sie den ganzen Mote und nicht nur Teile davon mit Strom versorgen können.

Temperaturdifferenz

Wird der Energy Harvester von einem Wärmestrom durchflossen, so entsteht elektrische Energie. Der Stand der Technik erlaubt hierbei eine Stromausbeute von $//<![CDATA[ \begin{array}{l}\mu W\end{array} //]]>$ bis $//<![CDATA[ \begin{array}{l}mW\end{array} //]]>$ im $//<![CDATA[ \begin{array}{l}\mu V\end{array} //]]>$ bis $//<![CDATA[ \begin{array}{l}mV\end{array} //]]>$ Bereich – je nachdem, wie hoch der Temperaturgradient ist. Wie bereits erwähnt braucht ein Vorgang zur Datenübermittlung per Funk nur ungefähr $//<![CDATA[ \begin{array}{l}5 \mu W\end{array} //]]>$. Es bleibt also auch bei diesem System noch genügend Energie übrig, um andere Endverbraucher mit ausreichender Strommenge zu versorgen und trotzdem mehrmals pro Stunde eine Datenerhebung mit Funkübertragung durchführen zu können. Als durchschnittliche Energieausbeute kann angenommen werden, dass aus einer Temperaturdifferenz von 7 K ca. $//<![CDATA[ \begin{array}{l}100 \mu W\end{array} //]]>$ gewonnen werden können. Der Einsatz dieser EnergyHarvester wird in Zukunft problemlos möglich sein, da die Energieausbeute durch modernste Technologien ausreichend hoch ist. Außerdem wurden in letzter Zeit thermoelektrische Generatoren mit einer Grundfläche von 14 x 14 mm und einer Höhe von nur 5 mm entwickelt, was einen Einsatz sogar in MEMS ermöglicht. Auch dieses Verfahren eignet sich hervorragend für die Praxis. Zum Betrieb von Wohngebäuden kann man zum Beispiel die Abwärme des menschlichen Körpers oder eines Heizkörpers verwenden. Bei Industrieanlagen reicht die Wärme von Maschinen. In der Automobilindustrie möchte man künftig die Wärme der Abgase zur Stromerzeugung nutzen. Zur Überwachung von Bauwerken kann das System nur bedingt eingesetzt werden, weil allein die Außentemperaturen in den gemäßigten Breiten nicht ganz ausreichen um genügend Strom für den kompletten Mote zu erzeugen.

Es gibt noch weitere Verfahren, wie zum Beispiel die Nutzung von Windenergie mit Drehgeneratoren. Doch dieses System spielt in der Praxis keine Rolle, weil am Bauwerk oft derart unterschiedliche Windverhältnisse herrschen können, die eine zuverlässige Stromerzeugung mittels dieses Verfahrens kaum ermöglichen. Alternativen, wie zum Beispiel die Stromerzeugung aus biologischen Prozessen, sind noch nicht so weit entwickelt, als dass man sie schon zum Energy Harvesting benutzen könnte. Die andere Sparte zur Energiebereitstellung mittels Batterien spielt bei drahtlosen Bauwerksüberwachungen nur dann eine Rolle wenn aus anderen Gründen in bestimmten Zeitabständen Personal vor Ort ist, sodass die Batterien gewechselt werden können. Dies kann der Fall sein, wenn von Zeit zu Zeit die Motes versetzt werden sollen. Weiterhin ist zu beachten, dass Batterien bei tiefen Temperaturen nicht ganz zuverlässig arbeiten.

Vor- und Nachteile der Verfahren und Zusammenfassung

Es wurden bereits einige Vor- und Nachteile der Energiebereitstellung für drahtlose Überwachungsverfahren genannt. Nachfolgend gibt eine Übersicht Aufschluss über sämtliche bekannten Vor- und Nachteile zwischen den beiden Methoden zur Energiebereitstellung Batterien und Energy Harvesting:

Von Bedeutung sind zudem die Vor- und Nachteile der einzelnen Energy Harvester:

Rotation: Aus der Windenergie lässt sich durch Drehgeneratoren Strom erzeugen. Innerhalb des Bauwerks ist aber meistens kein Wind vorhanden. Außerhalb bläst der Wind auch nicht überall und in unregelmäßigen Böhen. Zudem ist der Rotor oft vom Bauwerk selbst verdeckt, sodass kein Wind angreifen kann. Bei Windenergieanlagen kann das nicht passieren, weil diese frei im windreichen Bereich stehen. Rotationsbewegungen sind also zum Energy Harvesting bei drahtlosen Überwachungsverfahren nicht sehr gut geeignet. An windigen Küstenregionen kann man dieses Verfahren noch am besten einsetzen, wobei hier die Problematik des Salzwassers besteht.

Linearbewegungen: wurden bereits ausführlich erläutert. Im Alltag hat dieses System Vorteile, weil man zum Beispiel wie in Schüttelbatterien immer Strom zur Verfügung hat und damit nie das Licht ausgehen kann. Für drahtlose Überwachungsverfahren hat dieses System überwiegend Nachteile, weil das Bauwerk oder umgebende Elemente eine lineare Bewegung von wenigen Millimetern machen müsste, um durch den Energy Harvester Energie erzeugen zu können. Normalerweise haben aber Bauwerke an keiner Stelle derartige Bewegungen.

Vibrationen: brauchen im Allgemeinen schnelle, kurze Bewegungen. Daher ist diese Methode für bestimmte Bereiche bei Bauwerksüberwachungen ganz gut geeignet. Am Lehrstuhl für Verkehrswegebau der Technischen Universität München wurde 2010 im Rahmen einer Bachelorarbeit untersucht, inwieweit in Straßen Strom aus Vibration der überfahrenden Fahrzeuge erzeugt werden kann. Die Ergebnisse waren vielversprechend. Durch die hohen Verkehrsstärken hat man den Vorteil einer ausreichenden Stromversorgung für Motes.

Strömungen: Mithilfe einer Turbine kann man Strömungen in elektrische Energie umwandeln. Doch diese Methode ist derzeit noch im Bauwesen ungenutzt. Die neueste Entdeckung sind nicht rotierende „Turbinen“. Doch diese Art der Stromgewinnung wird gerade noch erforscht.

Licht: Die Vorteile der Solarzellen zur Stromgewinnung sind immens. Zum einen gibt es keine beweglichen Teile bei Solarzellen. Dadurch entfallen Wartungsarbeiten. Zum anderen sind sie überall dort, wo die Sonne auf das Bauwerk trifft, einzusetzen. Daraus ergibt sich ein breites Einsatzgebiet. Schließlich erzeugen sie im Vergleich zu den anderen Energy Harvestern am meisten Strom und haben durch die stetig verbesserte Technik in den letzten Jahren auch den besten Wirkungsgrad. Ein Nachteil liegt sicherlich in der Herstellung der Solarzellen, wobei giftige Dämpfe entstehen und viel Energie benötigt wird. Da aber die Solarzellen sehr effizient und zuverlässig arbeiten, wird diese Art von Energy Harvesting heutzutage hauptsächlich zur drahtlosen Bauwerksüberwachung benutzt und stellt den Stand der Technik dar.

Temperaturdifferenz: Thermogeneratoren haben den Nachteil eines sehr geringen Wirkungsgrades. Dafür sind sie aber allen anderen Energy Harvestern bezüglich der Zuverlässigkeit und der Lebensdauer überlegen. Zudem haben sie einen sehr einfachen Aufbau. Man setzt sie nach den oben genannten Solarzellen am zweit häufigsten zum Energy Harvesting ein. Ein weiterer Vorteil ist zudem, dass sie keine beweglichen Teile besitzen, die kaputt gehen könnten und keinerlei Materialien verwendet werden, die Wartungsarbeiten erforderlich machen. Im Bauwesen können sie aber nur an den Stellen eingesetzt werden, wo ausreichend Wärme zur Verfügung steht, um den geringen Wirkungsgrad kompensieren zu können.

Funkwellen, Schall und biologische Prozesse: Diese Techniken stecken noch in den Kinderschuhen und werden großenteils gerade entwickelt. Im Alltag haben zumindest die Schallwellen schon ein breites Einsatzgebiet, wobei ein Mikrofon Schall in elektrische Energie umwandelt. Vor allem die biologischen Prozesse werden gerade noch intensiv erforscht.

Kommunikationsalgorithmen

Die gemessenen Daten der Sensoren müssen von Zeit zu Zeit an den Router übertragen werden. Auch diese Aufgabe ist derart komplex, dass dieses Themengebiet einer eigenen Ausführung bedarf.

Datenerfassung und –auswertung

Auch der Umgang der Daten im Mote sowie die Auswertung vor Ort oder auch in der Rechnerzentrale sind von entscheidender Bedeutung. Denn wertet man die Daten falsch aus, so hilft ein einwandfreies Sensoren- und Energiesystem nichts. Um bei der Datenverwaltung keine Fehler zu machen gibt es umfangreiche Methoden und Aspekte, die beachtet werden müssen.

Literatur

• Krüger, M.: A combination of energy harvesting methods to power wireless sensor networks efficiently. Vortrag. 3.11.2010.
• Grosse, C. U.: Grundlagen der Zerstörungsfreien Prüfung. p. 71 – 76.
• Pessel, S.: Sensoren und MEMS.
• Seebeck-Effekt. Wikipedia.
• Energiewandler. Enocean.com.

Einzelnachweise

1. Krüger, M.: A combination of energy harvesting methods to power wireless sensor networks efficiently. Vortrag, Folie 8. 3.11.2010.