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Piezowandler DuraAct plus darauf abgestimmte Elektronik: Energy Harvesting nutzt den Piezoeffekt

02.05.2011
Als Energy Harvesting, wörtlich übersetzt „Ernten von Energie“, bezeichnet man das Erzeugen von Strom aus Quellen wie Umgebungstemperatur, Vibrationen oder Luftströmungen.

Da es heute elektronische Schaltungen gibt, deren Leistungsbedarf im Milliwatt-Bereich liegt, ist Energy Harvesting mit piezobasierten Lösungen auch bei seinen verhältnismäßig geringen Energieerträgen immer dann hochinteressant, wenn eine Stromversorgung über Kabel nicht möglich ist und man auf Batterien und den damit verbundenen Wartungsaufwand verzichten will.

Energy Harvesting kann auf unterschiedlichen physikalischen Effekten beruhen. Solarzellen kommen ebenso infrage wie thermoelektrische Generatoren, die aus Temperaturunterschieden elektrische Energie gewinnen. Über Antennen kann außerdem auch die Energie von Radiowellen aufgefangen und energetisch verwendet werden. Ein Beispiel dafür sind passive RFID-Tags. Piezoelektrische Kristalle lassen sich ebenfalls sehr gut für ein Energy Harvesting einsetzen. Sie erzeugen bei Krafteinwirkung durch Druck oder Vibration elektrische Spannung, nutzen also in der Umgebung vorhandene Bewegungsenergie.

Energie gewinnen mit dem Piezoeffekt
Durch mechanische Verformung eines Piezokristalls infolge einer Krafteinwirkung durch Zug oder Druck werden Ladungen generiert, die an den Elektroden des Piezoelements als elektrische Spannung messbar sind. Dieses Phänomen wird als direkter piezoelektrischer Effekt bezeichnet. Diese Möglichkeit der Ladungserzeugung kennt man z.B. von Gasanzündern zum Erzeugen der Zündspannung. Die generierte Ladung (Q) lässt sich mit folgendem mathematischen Zusammenhang beschreiben: Q = d • ?F

Die in der Gleichung vorkommende Ladungskonstante d (Verhältnis erzeugter Ladung zu beaufschlagter Kraft) ist eine werkstoffspezifische Konstante in der Größenordnung von 10-10 C/N. Daran lässt sich sehr schnell erkennen, dass die generierten Ladungsmengen relativ gering sind. Dieser Aspekt stellt hohe Anforderungen an Mechanik und Elektronik, um ein Maximum an Energie „ernten“ zu können.

Ein komplexes System
Aufgrund der je nach Applikation verschiedenen energetischen Anregungsbedingungen gibt es jedoch leider keine universelle Energy Harvesting Lösung. Um ein solches System richtig zu dimensionieren, muss man immer alle entscheidenden Randbedingungen kennen und berücksichtigen. Zum einen betrifft dies die Energiequelle: Hier ist zwischen kontinuierlichen und stoßweisen Bewegungen zu unterscheiden. Zum anderen müssen natürlich auch die Anforderungen des elektrischen Verbrauchers berücksichtigt werden: Zu den wichtigen Parametern gehören hier die benötigte Spannung, die Leistung und die Eingangsbeschaltung, also kapazitiv oder ohmsch.

Auf Basis dieser Daten ist dann ein Design und Dimensionierung des Wandlers einschließlich Mechanik möglich. In diesem Zusammenhang kann PI Ceramic die jahrelange Erfahrung und das umfangreiche Know-how bei der Erarbeitung kundenspezifischer Lösungen einbringen, wovon sehr unterschiedliche Branchen profitieren.

Typische Anwendungen für das Piezo Energy Harvesting Anwendungen, bei denen die durch Energy Harvesting aus der Umgebung gewonnene Energiemengen ausreichen und sinnvoll genutzt werden können, gibt es viele. Zwar haben kleine Knopfbatterien heute durchaus lange Laufleistungen: Es kann aber dennoch sinnvoll sein, auf Batterien zu verzichten, weil Prüfung und Austausch zu aufwändig sind, wenn die Verbraucher unzugänglich montiert oder schwer erreichbar sind. Dann können Energy Harvesting Lösungen trotz ihrer Komplexität das Mittel der Wahl sein. Ein typisches Beispiel hierfür ist das so genannte Health Monitoring an den Flügeln von Windrädern.

Weitere für Energy Harvesting interessante Bereiche sind Datenmonitoring und -übertragung in der Heizungs- und Klimatechnik. Nutzt man Fahrzeugvibrationen zur Energieerzeugung, lassen sich Produkte während des Transports lückenlos überwachen, ohne dass die entsprechende Sensorik verkabelt oder mit Batterien ausgestattet sein muss. Das ist beispielsweise sinnvoll, wenn in geschlossenen Behältern Temperaturen erfasst werden sollen. In der Frontscheibe von Kraftfahrzeugen können Regensensoren per Energy Harvesting versorgt werden und auch der Energie-Bedarf drahtloser Zigbee-Netze lässt sich in vielen Fällen decken, wenn man in der Umgebung Energie „erntet“.

Robuste Flächenwandler mit vielen Möglichkeiten Prinzipiell kann man jede piezokeramische Komponente oder jeden Piezoaktor als Energy Harvester einsetzen. Durch die Umwandlung mechanischer Schwingungen von einigen Kilohertz in elektrische Spannung lassen sich Leistungen im Milliwatt-Bereich erzeugen, mit denen man elektrische Bauteile versorgen kann, z.B. Prozessoren, Sensoren oder Minisender. Eine besonders praxisgerechte Lösung ist der robuste, einlaminierte DuraAct-Transducer. PI Ceramic bietet hier eine Vielzahl von Standardbauformen an.

Die DuraAct-Flächenwandler bestehen aus Piezokeramikplatten- oder Folien, die inklusive Kontaktierung in einem Polymer eingebettet sind. Dadurch wird die an sich spröde Keramik mechanisch vorgespannt und gleichzeitig elektrisch isoliert. Die mechanische Vorspannung erweitert die Grenzen der Belastbarkeit der Keramik, somit ist z.B. auch eine Applikation auf gekrümmte Flächen möglich. Gleichzeitig vereinfacht der kompakte Aufbau einschließlich der Isolierung die Handhabung für den Anwender, es besteht sogar die Möglichkeit, den Flächenwandler in einen Verbundwerkstoff einzubetten.

Im Idealfall sind die Flächenwandler symmetrisch aufgebaut, d.h. bei Verbiegung des Wandlers entstehen auf beiden Elektrodenflächen gleiche Ladungsmengen mit entgegengesetztem Vorzeichen, man würde keine Potentialdifferenz messen können. Aus diesem Grund ist es erforderlich, den Wandler auf ein Substrat (z.B. Aluminium, CFK- oder GFK-Material) zu kleben. Man erhält somit eine klassische Biegerstruktur. Bei fester Randeinspannung und bei Auslenkung des Biegers können nun Ladungen generiert werden, die in erster Näherung proportional zu den in die Keramik eingebrachten Spannungen oder Dehnungen sind. Ein Test gibt Aufschluss darüber, welche Keramikdicke welche Voraussetzungen fürs Energy-Harvesting bietet. Dazu wurden die DuraAct-Wandler auf CFK-Streifen geklebt und einseitig eingespannt. Eine rotierende Exzenterscheibe lenkt den Biegewandler aus. Mit dem vorliegenden Aufbau konnten somit die für den direkten Wandlervergleich notwendigen reproduzierbaren Einspann- und Anregungsbedingungen (Variation von Frequenz und Auslenkung) realisiert werden.

Ausgangsleistung als Funktion des Lastwiderstandes Zudem lässt sich vergleichen, wie sich die Biegerstrukturen aus CFK und den aufgeklebten unterschiedlichen DuraAct-Transducern (P-876.A11, -A12 und -A15) bei verschiedenen Lastwiderständen und gleichen Anregungsbedingungen verhalten (Frequenz: 1 Hz, Auslenkung: 5 mm). Die vom Generator kommende Wechselspannung wurde mit einer Vollweg-Graetz-Brücke gleichgerichtet und mit einem Kondensator (10 µF) geglättet. Bei verschiedenen Lastimpedanzen wurde dann die Ausgangsleistung für jeden DuraAct-Typ ermittelt.

Dabei zeigte sich, dass jeder Testwandler einen unterschiedlichen elektrischen Lastbereich mit optimaler Leistungsabgabe hat. Die Biegerstruktur mit dem DuraAct P-876.A12 liefert unter den genannten Randbedingungen die größte Ausgangsleistung. Daran erkannt man sehr gut, dass für eine optimale Leistungsabgabe immer ein optimiertes Wandlerdesign mit entsprechender Leistungsanpassung notwendig ist.

Ausgangsleistung als Funktion der Anregungsbedingungen Die weiteren Untersuchungsergebnisse beschränken sich auf die Biegerstruktur mit dem Flächenwandler DuraAct P-876.A12. Die Ausgangsleistung wird maßgeblich durch die mechanische Deformation der Biegerstruktur bestimmt. Je größer die Auslenkung, desto größer sind die generierte Ladung und Leistung. Deshalb ist es besonders wichtig, die verfügbaren Energiequellen zu analysieren und darauf abgestimmt ein Mechanikdesign zu entwickeln, mit dem sich eine maximale Umwandlung mechanischer in elektrische Energie erzielen lässt.

Auch die Frequenz der Anregung hat unmittelbaren Einfluss auf die Ausgangsleistung. Wie Bild 8 zeigt, besteht annähernd ein linearer Zusammenhang zwischen Ausgangsleistung und Erregerfrequenz. Man erkennt auch eine Verschiebung des optimalen Lastbereichs zu kleineren Werten bei höherer Anregungsfrequenz.

Die passende Elektronik
Die für das Piezo-Energy-Harvesting vorliegende Testelektronik beinhaltet einen Gleichrichter mit nachgeschaltetem Speicherkondensator und Lastschalter. Sie ist in der Lage, alternierende und kontinuierliche Eingangsspannungen zu verarbeiten. Durch die elektronische Schaltung wird die Last (also der Verbraucher) vom Generator entkoppelt und die Energie kann über lange Zeit gesammelt und gespeichert werden.

Für den Ladevorgang des Speicherkondensators muss die Leerlaufspannung des Generators größer als VHigh sein. Mit Erreichen des Spannungslevels VH nach der Ladezeit t1+t2 beginnt der Entladevorgang (Versorgung eines Verbrauchers, t3). Sinkt die verfügbare Spannung auf den Wert VLow, ist keine weitere Leistungsabgabe möglich, der Speicherkondensator muss wieder geladen werden. Energie kann somit nur zwischen Spannungslevel VH und VL abgegeben werden (Formel 1).

Variiert man den Kondensator, ist eine Anpassung an den Leistungsbedarf des Verbrauchers möglich. Die Ausgangsspannung der Testelektronik kann flexibel zwischen 1,8 und 5 V eingestellt werden. Aufgrund der sich wiederholenden Phasen „Laden“ (w), „Speichern“, „Energieabgabe“, „Laden“ ist diese Lösung besonders für Anwendungen geeignet, die keinen kontinuierlichen Leistungsbedarf haben, z.B. wird in drahtlosen Sensornetzwerken in Messpausen die Ladung generiert und gespeichert und für die Messung und Datenübertragung die Energie abgerufen. Sind Piezowandler, Mechanik und Elektronik unter Berücksichtigung der applikationsspezifischen Randbedingungen aufeinander abgestimmt, kann das piezobasierte Energy Harvesting aber auch in vielen anderen Applikationen eine praxisgerechte Energieversorgung sein.

Dietrich Homburg | Redaktionsbüro Stutensee
Weitere Informationen:
http://www.pi.ws

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