Energy Harvesting »Erntehelfer« im Vergleich

Einsatz von Piezoelementen

Piezoelemente werden häufig verwendet, um kinetische Energie in elektrische umzuwandeln. Der Effekt beruht darauf, dass bei mechanischer Verformung von Kristallen eine elektrische Ladung auf deren Oberfläche entsteht, deren Menge sich proportional zur Beanspruchung verhält. Das bekannteste Gerät, das den Piezoeffekt ausnutzt, ist das Feuerzeug. Ein Piezoelement erzeugt durch den Druck kurzzeitig eine sehr hohe elektrische Spannung, und der entstehende Funke zündet das ausströmende Gas. Umgekehrt verformen sich bestimmte Materialien beim Anlegen einer elektrischen Spannung, was dann als inverser Piezoeffekt bezeichnet wird. Mikrofone, Beschleunigungs- und Drucksensoren einerseits und Lautsprecher (Buzzer), Druckköpfe in Tintenstrahldruckern (Firma Epson) sowie Druckregler und Einspritzdüsen (Pkw) sind ebenfalls bekannte Anwendungen für den Piezo- und den inversen Piezoeffekt.

Druck, Stöße, Vibrationen und Schwingungen lassen sich sowohl bei Maschinen, Anlagen und beim Pkw ausnutzen als auch bei der menschlichen Bewegung, etwa in Laufschuhen, die mit geeigneten Piezoelementen ausgestattet sind. Als einfaches Experiment kann ein Piezo-Buzzer mit einer Leuchtdiode zusammengeschaltet werden (Bild 2). Die Polung spielt dabei keine Rolle, und es sind keinerlei weitere Bauelemente notwendig. Durch Hin- und Herbiegen des Piezos steht so viel Energie zur Verfügung, dass die LED kurz aufleuchtet. Somit steht kurzzeitig eine Leistung im Milliwattbereich zur Verfügung, was ausreicht, um einen Mikrocontroller aufzuwecken, den Wert eines Sensors zu messen und diese Daten drahtlos zu übertragen.

Für die Verwendung als Energiewandler und damit als Harvester existiert eine Vielzahl unterschiedlicher Piezoelemente von Firmen wie PCB Piezotronics oder Johnson Matthey Catalysts. Spezialisiert auf Piezo-Elemente, die als Energy-Harvester ausgelegt sind, ist die Firma MIDE aus Boston mit ihren »Volture«-Modulen, die aus Vibration direkt elektrische Leistung generieren. Außerdem werden die sogenannten »Raw Vibration Energy Harvester« (Schwinger plus Kontaktleiste) angeboten, die demgegenüber preiswerter sind, dafür jedoch keine Wandlerelektronik enthalten.

In den meisten Fällen sind die Piezoelemente nach dem Prinzip eines Biegebalkens (Cantilever) konstruiert, der mit einem piezoelektrisch aktiven Material beschichtet ist. Wichtige Parameter sind die ausgeübte Kraft (F), die Schwingungsfrequenz und die Amplitude (U), sodass ein Betrieb in Resonanz das Optimum an Leistung verspricht. Hierfür sind genaue Kenntnisse der Bewegungsenergie in der Einsatzumgebung erforderlich. Durch eine zusätzliche Masse (M) am Ende des Biegebalkens (Bild 3) wird fertigungstechnisch der bevorzugte Arbeitsbereich (Resonanzbereich) festgelegt.

Ein Piezoelement generiert stets eine Wechselspannung, die demnach nicht unmittelbar für eine Energy-Harvesting-Schaltung nutzbar ist. Der Baustein LTC3588 von Linear Technology gilt hierfür bereits seit einigen Jahren als Quasi-Standard (Bild 4). Er enthält neben dem Gleichrichter einen Abwärtsregler, um die Piezospannung (2,7 V bis 20 V) auf eine von vier wählbaren Ausgangsspannungen (Vout = 1,8 V bis 3,6 V) umzusetzen. Höhere Eingangsspannungen als 20 V werden durch eine interne Schutzdiode begrenzt. Über zwei digitale Eingangspins (D0, D1) kann man die gewünschte Ausgangsspannung festlegen.

An einen derartigen Umsetzer lässt sich unmittelbar ein Piezoelement anschließen, dessen Bewegungsenergie in einem separaten Kondensator (CSTORAGE) gespeichert wird, wodurch diese Schaltung einen maximalen Strom von 100 mA für die nachfolgende Elektronik zur Verfügung stellen kann. Ein Energiemanagement ist dabei zwingend notwendig, was beispielsweise der A/D-Wandler des verwendeten Mikrocontrollers durch das Messen der Spannung durchführen kann. Der auswertbare Power-Good-Pin (PGOOD) signalisiert mit einem High-Pegel, dass sich Vout entsprechend der Vorgabe an Output-Voltage-Select (≥ 92 %) eingestellt hat, und mit einem Low-Pegel, dass Vout keine verwertbare Ausgangsspannung liefert.