- Auf einen Skihelm montiert ist es nahezu unsichtbar: das Solarmodul, das vom Fraunhofer IZM entwickelt wurde und den MP3-Player mit Strom speist. Erstmals lassen sich die leistungsfähigen Solarzellen an die Form eines Helms anpassen, ohne dass Robustheit und Leistung auf der Strecke bleiben.
Solarhelm liefert Strom auf der Skipiste
In Zusammenarbeit mit der TU Berlin und der Texsys GmbH in Radebeul haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM den Grundstein für eine vollständige Deckung des Energiebedarfs direkt in den Helm integrierter Kommunikationsmodule gelegt: Stereo-Kopfhörer oder Headsets können schon bald mit der Energie betrieben werden, die allein durch die Solarzellen auf der Oberfläche eines Skihelms gewonnen wird, so teilt das IZM mit. Das Anschließen eines mobilen Gerätes wie Smartphone oder MP3-Player ist dabei kabellos über Bluetooth möglich. Mit dem dazugehörigen Bluetooth-Handschuh hat der Anwender direkten Zugriff auf eingehende Anrufe. Selbst der MP3-Player kann so bequem ferngesteuert werden, ohne dass dafür die wärmenden Handschuhe ausgezogen werden müssen. Der Nutzer erhält ein komplettes Kommunikationssystem, das direkt in die Skiausrüstung integriert ist.
Wie funktioniert's?
Möglich wird die direkte Energieversorgung des Headsets erst über das neu entwickelte Solarmodul des Fraunhofer IZM. Es sorgt für die vollständige Deckung des Energiebedarfs bei allen Wetterbedingungen. Dies funktioniert jedoch nur, wenn großflächige Solarzellen mit sehr hohem Wirkungsgrad (über 20 %) eingesetzt werden. Die größte Herausforderung stellte daher die Anpassung des Solarmoduls an die gekrümmte Fläche des Skihelms dar. Bisher war es nur möglich, recht kleine Solarmodule auf unebenen Oberflächen zu integrieren. Auch mechanisch flexible, in Folienform erhältliche Solarmodule sind für diese Zwecke nicht geeignet, da sie zum einen nur in einer Richtung (zylindrisch) biegbar sind und meist auch einen Wirkungsgrad besitzen, der deutlich unter dem von starren Solarzellen liegt.
Das Fraunhofer IZM hat deshalb eine neue Aufbau- und Verkapselungstechnologie entwickelt, bei der hochwertige Solarzellen aus einkristallinem Silizium in sehr kleine Einzelchips segmentiert und an eine dreidimensionale, gekrümmte Form angepasst werden können. Das Bruchrisiko der Einzelzelle wird dadurch bei starker punktförmiger Belastung ebenfalls stark reduziert. Darüber hinaus ist durch die redundante Auslegung der Solarzellen auch dann eine einwandfreie Funktion gesichert, wenn eine einzelne Zelle ausfällt.
Mögliche Anwendungen
Die daraus resultierende sehr robuste Technologie kann in vielen exponierten Outdoor-Anwendungen ihren Einsatz finden. Die Stromversorgung wurde als kompakte Einheit aus Solarmodul, Elektronik und Speicher entwickelt und lässt sich leicht an andere Anwendungen mit gekrümmten Oberflächen anpassen, teilen die Fraunhofer-Forscher mit. Als Beispiele nennen sie Rad- und Reithelme, Rucksäcke, Bestandteile der Kleidung, Karosserieteile und ähnliches. Auch ein nachträgliches Aufrüsten von gängigen Helmen sei mit dem Solarmodul möglich. Ein Einsatz ist überall da denkbar, wo Headsets im Helm schon jetzt zum Alltag gehören, etwa bei Motorradhelmen oder Helmen für Rettungskräfte. Auch der Betrieb eines Lüfters ist vorstellbar. Auf einem typischen Helm lässt sich ein Modul mit einer Nennleistung von 2 W bequem integrieren, heißt es – was der Leistungsaufnahme eines Smartphones entspricht.
Herausforderungen
Die niedrigen beziehungsweise stark wechselnden Temperaturen des Anwendungsgebietes mussten bei der Entwicklung der Speichereinheit besonders berücksichtigt werden. Während sich die Leistung der Solarzellen bei tiefen Temperaturen sogar verbessert, nimmt die Leistung des Akkus signifikant ab. Bei Temperaturen unter 0°C ist das Aufladen des Akkus nur noch schlecht bis gar nicht möglich. Hier greift die eigens entwickelte Mikrokontrollersteuerung, die das Laden des Akkus bei Kälte anpasst bis verhindert und die Funktionalität der Ladeelektronik im Temperaturbereich von -30 °C bis +60 °C gewährleistet. Eine Nutzung der integrierten Kommunikationsmodule ist jedoch auch dann lückenlos möglich, da die Energieversorgung in diesen Perioden bei ausreichendem Licht direkt über das Solarmodul erfolgt. Die Mikrocontrollersteuerung sorgt dafür, dass bei allen Bedingungen (Temperatur, Einstrahlung) immer die maximale Leistung der Solarzelle nutzbar ist (Maximum-Power-Point Tracking).
Ein Nachladen aus dem Stromnetz soll durch die Energieversorgung über das 3D-Solarmodul auf der Oberfläche des Skihelms nahezu überflüssig werden. In Phasen der Nichtnutzung des Helms ist es außerdem möglich, Smartphones oder MP3-Player direkt über den Akku aufzuladen. Die Suche nach einer Steckdose gehört somit der Vergangenheit an und die Nutzung von Sonnenenergie schont gleichzeitig die Umwelt.
Preis
Derzeit liegt bereits ein Prototyp des Solarhelms vor. Im nächsten Schritt sollen Feldtests und ein Redesign erfolgen, sodass der Solar-Skihelm zu einem Ladenpreis von rund 300 Euro bereits Ende dieses Jahres in Kleinserie mit einem namhaften Helmhersteller in den Markt eingeführt wird (die auch einzeln erhältlichen Module sollen je nach Spezifikation unter 100 Euro liegen).
Der Solarhelm wird vom 29. Januar bis 1. Februar 2012 auf der Messe ISPO Munich am Fraunhofer-Stand der WT-Show in Halle B6 zu sehen sein ( www.wearable-technologies.de ) zu sehen sein. Außerdem wird er am Stand des Fraunhofer IZM auf der „IDTechEx Energy Harvesting & Storage Europe 2012" vom 15. bis 16. Mai in Berlin gezeigt.
