DE202013000989U1

DE202013000989U1 - Optischer Energieerzeuger für Energieautarke Systeme

Info

Publication number: DE202013000989U1
Application number: DE202013000989U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-02-01
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2013-02-26
Anticipated expiration: 2023-02-02

Abstract

Energieerzeuger für ein energieautarkes System, umfassend wenigstens eine Lumineszenz-Diode zur Erzeugung von elektrischer Energie durch Umwandlung von Licht.

Description

Die Erfindung offenbart einen Energieerzeuger für ein energieautarkes System. Energieautarke Systeme (auch Energy Harvester genannt) werden im Wesentlichen mit folgenden Energieerzeugern umgesetzt: Mechanisch-Induktive Generatoren, Piezoelemente, siliziumbasierte Solarzellen, Vibrationsgeneratoren, Peltier-Elemente, durch induktive Kopplung, durch den Empfang Elektromagnetischer Wellen.
Das Dokument DE 10 2009 045 509 A1 offenbart eine Drehzahlsensoranordnung für ein Kraftfahrzeug zur Funkübertragung einer Messinformation an einen Empfänger. Die Anordnung umfasst einen Drehzahlsensor, welcher die Messinformation in Form eines Spannungssignals bereitstellt, und eine Gleichrichtereinheit zur Erzeugung einer Gleichspannung aus dem Spannungssignal. Die Drehzahlsensoranordnung weist ferner eine zwischen einer Antenne und der Gleichrichtereinheit angeordnete Oszillatoreinheit auf, welche ein Hochfrequenzsignal aus der Gleichspannung erzeugt, und welche zur Veränderung des Hochfrequenzsignals korrespondierend mit dem Spannungssignal ausgebildet ist. Die Antenne ist an der Oszillatoreinheit angeordnet, um ein derart durch die Oszillatoreinheit verändertes Hochfrequenzsignal als Funksignal auszugeben. Ferner wird ein Verfahren zur drahtlosen Drehzahlinformationsübertragung offenbart.
Optische Energieerzeuger verwenden üblicherweise siliziumbasierte Solarzellen (z. B. bei solarbetriebenen Taschenrechnern).
Um den Einsatz von siliziumbasierten Solarzellen zu ermöglichen, werden folgende ungünstige Rahmenbedingungen für den Einsatz von siliziumbasierten Solarzellen in Kauf genommen:

• Nur aufwändig automatisiert zu bestücken und zu kontaktieren,
• Hohe Stoßempfindlichkeit,
• Erzeugen nur niedrige Spannungen pro Einzelelement und nur in einem beschränkten Lichtspektralbereichen,
• Haben erhebliche Alterungserscheinungen,
• Erfordern einen hohen Rohstoff- und Energieeinsatz bei der Herstellung,
• Beinhalten in der Regel keine fokussierende Optik.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine neuartige Energieversorgung für die optische Energieerzeugung zu verwenden, die auf einfache und preisgünstige Art, ganz oder teilweise die beschriebenen ungünstigen Rahmenbedingungen von siliziumbasierten Solarzellen verbessert.
Dieses Problem wird gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Energieerzeuger gemäß dem Schutzanspruch 1 gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind mit den Unteransprüchen angegeben.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass elektromagnetische Strahlung in elektrische Energie mittels eines Halbleiter-Bauelements umwandelbar ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Energieerzeuger wenigstens eine Lumineszenz-Diode (LED) als energieerzeugendes Element zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie. Bekanntermaßen weisen LEDs dazu wenigstens ein Halbleiter-Bauelement auf. Lumineszenz-Dioden (LEDs) sind für verschiedene Lichtwellenlängen verfügbar, z. B. für infrarotes Licht, ultraviolettes Licht, spektral beschränktes sichtbares Licht oder breitbandiges weißes Licht. Somit ist der Einsatzbereich von LEDs vielfältig gestaltbar. Überraschenderweise hat sich nun herausgestellt, dass die LED nicht nur Licht durch Beaufschlagung der LED mit elektrischer Energie erzeugen kann, sondern dass unter Beaufschlagung einer ausgeschalteten LED mit Licht, also elektromagnetischer Strahlung an dieser LED ein Spannungspotential anliegt und die LED folglich Licht in elektrische Energie umwandeln kann. Der vorgeschlagene Energieerzeuger ist derart aufgebaut, dass dieser in einem energieautarken System, vorzugsweise in einem energieautarken Funksystem zur Versorgung wenigstens einer Komponente des Funksystems mit einer Versorgungsspannung einsetzbar ist. Vorzugsweise umfasst der Energieerzeuger mehrere Lumineszenz-Dioden, die in einer Matrix- oder Clusterstruktur angeordnet sind. Dadurch lassen sich die elektrischen Eigenschaften, insbesondere die Spannung und die Impedanz auf einfache Weise anpassen. Die Anzahl der in der Matrix- oder Clusterstruktur angeordneten LEDs kann somit abhängig vom Verbraucher bzw. von der benötigten Energiemenge festgelegt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Energieerzeuger mit einer elektronischen Einheit zur Umwandlung der erzeugten elektrischen Energie in eine geeignete Versorgungsspannung für mindestens einen Verbraucher koppelbar. Weiter bevorzugt umfasst der Energieerzeuger die elektronische Einheit. Dadurch kann eine bauliche Einheit bereitgestellt werden, die auf einfache Weise in das energieautarke System integrierbar ist.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Energieerzeuger mit einem Energiespeicherelement, insbesondere einem Kondensator zur Speicherung der erzeugten Energie koppelbar. Weiter bevorzugt umfasst der Energieerzeuger den Kondensator. Mittels des Energiespeicherelementes kann die elektrische Energie für einen zeitlich variablen Betrieb des Verbrauchers gespeichert werden.
Die Umwandlung der Energie erfolgt beispielsweise direkt am Energieerzeuger. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Umwandlung am Energiespeicherelement. Bevorzugt wird mindestens ein Konverter, z. B. Step-Up-Konverter, Step-Down-Konverter.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gibt der Energieerzeuger selbsttätig eine Energiemenge ab, wenn vorgegebene Bedingungen erreicht werden, z. B. dass die Spannung des Energiespeicherelementes einen vorgegebenen Wert erreicht hat. Dieser Wert wird von einer spannungsmessenden Einheit, z. B. eines Differenzverstärkers auf Basis eines Operationsverstärkers erfasst und die Energie wird an den Verbraucher weitergegeben um die Funktion des Verbrauchers auszuführen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Energieerzeugers basiert auf der Ausführungsform des letzten Abschnittes, jedoch wird die Energie, nicht wie im vorangegangenen Abschnitt beschrieben, beim erreichen eines vorgegebenen Wertes der verfügbaren Energie freigegeben, sondern es wird die Information, dass eine ausreichende Energiemenge, beispielsweise die Spannung des Energiespeichers verfügbar ist, an eine Steuerungseinheit weitergeben. Diese Steuereinheit kann beispielsweise aus einer Mikrocontrollereinheit bestehen. Diese Mikrocontrollereinheit startet mindestens einen Verbraucher und somit die Energieentnahme zu einem Zeitpunkt, der für die Funktion des Verbrauchers oder an dessen verbundenes Systems vorgesehen oder günstig ist. Beispielsweise einen günstigen Zeitpunkt für eine störungsfreie Funkübertragung oder einen synchronen Zeitpunkt für eine günstige Datenübertragung an einen Empfänger.
Mit der Erfindung wird erreicht, dass preiswerte auf dem Markt verfügbare Lumineszenz-Dioden zur Energieerzeugung eingesetzt werden können. Die Lumineszenz-Dioden werden im Umkehrbetrieb durch Beaufschlagung mit Licht als Energieerzeuger verwendet. Lumineszenz-Dioden können automatisiert bestückt werden, sind sehr unempfindlich gegen Stöße und erzeugen hohe Spannungen in einem ausgeprägten Lichtspektralbereich und beinhalten üblicherweise eine fokussierende Optik.
Ein Ausführungsbeispiel ist in 1 erläutert. Es zeigt:
1 Energieautarkes System mit Lumineszenz-Dioden-Matrix
In der Figur ist ein energieautarkes System dargestellt. Das Umgebungslicht (1) trifft auf die Lumineszens-Dioden-Matrix (2), diese erzeugt elektrische Energie. Diese Energie wird im Energiemanagement (3) mittels eines Speicherkondensators und eines Spannungs-Konverters in eine für den Verbraucher (4) verwertbare Versorgungsspannung umgewandelt. Der mit dieser Versorgungsspannung betriebene Verbraucher ist eine Informationssendeeinheit und besteht aus einer Funkelektronik, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eingegebene Schaltzustände oder gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gemessene Sensorsignale (beispielsweise Temperaturwerte) an eine Empfängereinheit übermittelt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009045509 A1 [0002]

Claims

Energieerzeuger für ein energieautarkes System, umfassend wenigstens eine Lumineszenz-Diode zur Erzeugung von elektrischer Energie durch Umwandlung von Licht.
Energieerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Lumineszenz-Dioden vorgesehen sind, die in einer Matrix- oder Clusterstruktur angeordnet sind.
Energieerzeuger nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine elektronische Einheit, welche die erzeugte elektrische Energie in eine für mindestens einen Verbraucher geeignete Versorgungsspannung umwandelt.
Energieerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein Energiespeicherelement, insbesondere einen Kondensator zur Speicherung der erzeugten elektrischen Energie für einen zeitlich variablen Betrieb eines Verbrauchers.
Energieerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieerzeuger selbsttätig eine Energiemenge abgibt, wenn vorgegebene Bedingungen erreicht werden.
Energieerzeuger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieerzeuger eine Informationsübertragungseinheit umfasst, mit welcher eine Information, das eine vorgegebene Energiemenge verfügbar ist und/oder dass der oder mindestens ein weiterer Verbraucher diese Energie abrufen kann, an wenigstens einen Verbraucher weitergebbar ist.
Energieautarkes System umfassend eine Steuerungseinheit gekoppelt mit einem zur Versorgung wenigstens eines Verbrauchers mit einer Versorgungsspannung vorgesehenen Energieerzeuger nach einem der vorherigen Ansprüche.