Energy Harvesting mit piezobasierten Lösungen Wann immer Leistungen im Milliwatt-Bereich ausreichen!

DuraAct-Flächenwandler bestehen aus Piezokeramikplatten- oder Folien
DuraAct-Flächenwandler bestehen aus Piezokeramikplatten- oder Folien

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.

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, und 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. Das heißt, bei Verbiegung des Wandlers entstehen auf beiden Elektrodenflächen gleiche Ladungsmengen mit entgegengesetztem Vorzeichen, und 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.