Energie und Energiemanagement

Energiequellen

Physikalischen Größe und Materialien/Komponenten:

  • Wärme: Thermoelektrika
  • Schwingung: u. a. Piezoelektrika
  • Bewegung: u. a. Piezoelektrika, Generatoren
  • Elektromagnetische Wellen: Antennen
  • Licht: Solarzellen

Natürliche und technische Quellen:

  • Abwärme von Maschinen vs. Körperwärme des Menschen
  • Schwingung/Bewegung von Maschinenelementen vs. Bewegung des Menschen/von Tieren
  • Beleuchtung in Innenräumen vs. Sonnenlicht etc.

Energiequellen

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Abb. 1. Energieernte und zu erwartende Ausbeute (Leistungsdichte) bei verschiedenen Energiequellen [S. Boisseau, 2012]

Energiequellen

Angebot

figenharv2[R. J. M. Vullers, 2009]

Nachfrage

figenharv3[C. O. Mathuna, 2008]

Energiequellen

Grundprinzip: Methoden der Umsetzung

Mechanisches System
System aus Feder, Masse und Dämpfer.
  1. Piezoelektrische Konverter
  2. Elektromagnetische Konverter
  3. Elektrostatische Konverter

figenharv4[S.Boisseau, 2012]

Energiequellen

Thermische Systeme
Ausnutzung des Seebeck Effekts, d.h. Spannungsabfall in einem Stromkreis aus zwei unterschiedlichen elektrischen Leitern bei Vorliegen einer Temperaturdifferenz zwischen den Kontaktstellen

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Abb. 2. Typischer Aufbau eines Thermogenerators aus Einzelelementen (n- und p-Halbleiter) für Temperaturdifferenz senkrecht zur Fläche des Thermogenerators

Energiequellen

Optische Systeme
Ausnutzung des fotoelektrischen Effekts (Solarzellen, Fotodioden)

Energiemanagement

  • Energieernte muss eingebettet in das Gesamtsystem betrachtet werden.

  • Energiemanagement findet auf verschiedenen Ebenen statt:

    • Systemebene
    • Netzwerkebene
    • Sensorknotenebene
    • Gerätebene (Mikroprozessor, IO Prozessoren, ..)
    • Sensorebene

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Energiemanagement

Verbraucher

Energieverbraucher in einem materialintegrierten Sensornetzwerk:

  • Signalverarbeitung analog
  • Signalverarbeitung digital
  • Datenverarbeitung
  • Kommunikation innerhalb des Netzwerks und nach außen
  • Verluste/begrenzte Wirkungsgrade: Leitung, Speicherung etc.

figem2[S.Boisseau, 2012]

Energiemanagement

Energiemodell

  • Zeitliche Komponente: Sowohl Energieverbrauch als auch Energiegewinnung sind Funktionen der Zeit

Energiemodell: Jeder Sensorknoten verfügt über einen Energiespeicher, der

  1. Über eine zeitlich fluktuierende Energiequelle (Energy Harvester) mit Energie gespeist wird, und der
  2. Durch Berechnungs- und Kommunikationaktivität (Digitale Signalverarbeitung) des Sensorknotens entladen wird,
  3. Und analoge Signalverarbeitung führt zu einer Entladung des Speichers.
\[\begin{gathered} E(t) = {E_0} + \sum\limits_{\tau = 0}^t {{e_{harvest}}(\tau )} - \sum\limits_{\tau = 0}^t {{e_{computing}}(\tau )} - \sum\limits_{\tau = 0}^t {{e_{analog }}(\tau )} \hfill \\ {e_{computing}}(t) = \sum\limits_{i = 0}^n {{e_{instruction}}(i)} \hfill \\ \end{gathered} \]

Energiemanagement

figem3[R. J. M. Vullers, 2009]

Abb. 3. Zeitliche Abweichungen zwischen Verfügbarkeit von/Bedarf an Energie: Speicher erforderlich.

Energiemanagement

  • Maßnahmen zur Minimierung des Energieverbrauchs in Sensornetzwerken:
    • Erfassung und Verarbeitung von Messwerten nicht kontinuierlich, sondern in bestimmten Zeitintervallen.
    • Verkürzung der Zeitintervalle bei kritischen Betriebszuständen.
    • Normalbetrieb mit reduzierter Sensoranzahl, aktivieren weitere Sensoren bei kritischen Betriebszuständen.
    • Datenverarbeitung in Abhängigkeit vom Betriebszustand - Normalbetrieb mit energetisch vorteilhaften Algorithmen auf Kosten der Genauigkeit, bei kritischen Betriebszsutänden Wechsel zu energetisch aufwändigeren, aber numerisch genaueren Algorithmen.

Algorithmische Selektion

Beispiel für die Auswirkungen einer an die Energiesituation angepassten Wahl des Algorithmus zur lokalen Datenverarbeitung in den Knoten eines Sensornetzwerkes ist ein PID-Regler.

Energiemanagement

  • Leistungsbedarf von Digitalelektronik hängt von der mittleren Schaltaktivität von Logikgattern pro Zeiteinheit ab
    • Parasitäre Kapazitäten und Verlustwiderstande sind Ursachen

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Abb. 4. Schaltaktivität eine Digitallogikschlatkreises (PID Regler) in Abhängigkeit von der Datenverarbeitung (zeitlich) und der Auswahl der Algorithmen (Links) P-Regler (Rechts) PID-Regler

Energiespeicher

Energie wird i.A. in Form von elektrischer Energie gespeichert.

  • Batterien
  • Kondensatoren (Supercaps)

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Abb. 5. Verschiedene Batterieformen