Research 2022 | Phase 2

Energieautonome drahtlose 5G-Sensoren

ICNAP Research /

Ziel dieser Studie war es, den Einsatz von Energy Harvesting für die Energieversorgung von drahtlosen (5G) Sensorplattformen in der Industrie zu untersuchen. Basierend auf einer Marktrecherche zu industriell einsetzbaren Energy Harvestern haben wir verschiedene Komponenten und Module von unterschiedlichen Herstellern beschafft. Energy Harvesting braucht zunächst eine Energiequelle, die durch den Prozess selbst oder aus der Umgebung bereitgestellt wird. Typische Energiequellen sind Licht, Wärme oder Vibration. Der Energy Harvester (EH) wandelt diese in elektrische Energie um. Ein Managementsystem regelt die optimale Versorgung des Sensorsystems mit Energie. Für jeden EH gibt es einen vordefinierten Widerstand, der die maximale Energieumwandlung, den sogenannten Maximum Power Point (MPP), definiert.

In Experimenten wurde dieser für verschiedene Energiequellen und Modulhersteller ermittelt. Anschließend wurden die maximalen Energieerträge der Module ermittelt. Eine der ausgewählten Vibrations-EH erreichte einen Wert von 200 mW bei 51 Hz. Andere Vibrations-EH lieferten Werte im Bereich von weniger als 1 bis 65 mW (Modul des Anbieters Xidas). Die Temperatur-EH erreichen die niedrigste Energieabgabe im Bereich von 0,37 mW bei 140 °C Temperaturdifferenz. Die Verwendung von Kühlkörpern auf den EH erhöht die Energieabgabe um das Fünffache. Solar-EH erzeugen in Innenräumen eine Energieabgabe im Bereich von 0,2 - 2 mW. Als unterschiedliche Lichtquellen wurden Leuchtstoffröhren und LEDs verwendet. Die Energieverbrauchsmessungen für den 5G-Transceiver Quectel RM500Q ergaben Werte im Bereich von 1 - 1,8 W.

Ein energieautarker Betrieb einer 5G-Sensorplattform mit EH ist also zum jetzigen Zeitpunkt nur möglich, wenn die Übertragungsrate entsprechend niedrig ist und eine Batterie zur Energiespeicherung integriert wird. Für die Zukunft ist jedoch eine Steigerung der Leistungsfähigkeit von EH-Systemen sowie eine Erhöhung der Energieeffizienz von 5G-Übertragungen absehbar.

Diese Studie gibt einen ersten Einblick in die aktuelle Leistung von EH und wie sie zur Versorgung drahtloser Sensorplattformen genutzt werden kann. Durch den Einsatz von EH könnten moderne Infrastrukturen wie Sensornetzwerke energieeffizienter betrieben werden. Dies gilt nicht nur für 5G-Sensorplattformen, sondern auch für die drahtlose Sensorik im Allgemeinen, so dass die Anwendung weitreichend ist und die Ergebnisse übertragbar sind.