Energy Harvesting in der Produktion zum Sensorbetrieb nutzen

/ 15.2.2019

Nürnberg: Sensoren sind ein wesentlicher Bestandteil für Anwendungen im Industrial Internet of Things IIoT. Damit diese Sensoren Daten erfassen und übertragen können, benötigen sie permanent Energie. Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS hat speziell für IIoT-Sensoren eine autarke Energieversorgung entwickelt, die vorhandene Vibrationen beispielsweise von Maschinen nutzt, um elektrische Energie zu gewinnen. So können diese Sensoren für die Betriebs- und Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) in der Produktion eingesetzt werden und benötigen weder Stromkabel noch ständige Batteriewechsel.

© Fraunhofer IIS/Kurt Fuchs
Autarke Energieversorgung von IIoT-Sensoren mit dem Vibrationswandler vom Fraunhofer IIS

Sensoren werden in produzierenden Unternehmen immer stärker eingesetzt. IIoT-
Systemarchitekturen sollen die Maschinen, Anlagen und IT-Systeme miteinander vernetzen, um eine bessere Ressourceneffizienz, Produktivität und Wartung zu erzielen. Zur Erfassung der notwendigen Daten braucht es smarte Sensoren, die Informationen per Funk an das Gesamtsystem übertragen. Diese Sensoren benötigen jedoch ausreichend Energie. Vorteil einer autarken Energieversorgung ist dabei, dass weder ein störendes Stromkabel noch ein Batteriewechsel notwendig ist.


Autarke Energieversorgung von IIoT-Sensoren mit Energy Harvesting


Mit den Energy-Harvesting-Technologien können Sensoren zur Erkennung von Verschleiß oder Schädigung an Maschinen im sogenannten Condition Monitoring autark mit Energie versorgt werden. Besonders an schwer erreichbaren Stellen oder bei einer häufigen Erfassung von Daten bieten die Technologien des Fraunhofer IIS enorme Vorteile gegenüber herkömmlichen Energieversorgungen mit Batterien. Mit der extrem effizienten Powermanagement-Elektronik vom Fraunhofer IIS lassen sich kleinste Ströme oder Spannungen vom Vibrations- oder Thermowandler nutzbar machen. Vorhandene Vibrationen und Temperaturunterschiede an Produktionsanlagen werden dadurch zur Energiegewinnung von Sensoren genutzt. Somit lassen sich Maschinenzustände permanent und wartungsfrei überwachen und analysieren.


Neu entwickelter Vibrationswandler des Fraunhofer IIS


Bereits kleinste Beschleunigungen von 100 mg reichen aus, um so viel elektrische Energie zu generieren, dass mehrere Sensoren damit versorgt werden können und eine sekündliche Datenübertragung zu einem IT-System stattfinden kann. Das Fraunhofer IIS hat sich auf die Entwicklung von hocheffizienten Powermanagement-Systemen und Energieversorgungen sowie kompletten Mikrosystemen spezialisiert. Die entwickelten Spannungswandler und Maximum Power Point Tracker können mit minimalsten Spannungen und Strömen arbeiten und sind so in der Lage, kleinste Mengen an mechanischer oder thermischer Energie aus der Umgebung zu nutzen und zu speichern. Durch eine optimale mechanische und elektrische Auslegung aller Systemkomponenten werden hocheffiziente Anwendungen auf kleinstem Raum realisiert und setzen sich so durch geringsten Installations- und Wartungsaufwand deutlich vom Stand der Technik ab.