Piezoelektrete

Neues Material für Energy-Harvesting-Systeme

25. Mai 2022, 14:44 Uhr | Kathrin Veigel
Fraunhofer LBF Piezoelektrete
Piezoelektrete sind hochflexible, flächige Wandler und lassen sich in elastische Strukturen (z. B. Kleidung) als Sensoren oder zur Energieumwandlung integrieren.
© Fraunhofer LBF

Fraunhofer-Forscher haben auf Basis von Piezoelektreten neuartige Energy-Harvesting-Systeme konzipiert. Die eingesetzten Wandlermaterialien sind eine ressourcenschonende Lösung gegenüber konventionellen Energiespeichern, die hohe Wartungskosten verursachen und als nicht langlebig gelten.

Konventionell werden Batterien und Akkumulatoren als Energiespeicher für Sensoren genutzt. Jedoch unterliegen diese Arten von Energiespeichern diversen Einschränkungen, beispielsweise begrenzte Lebensdauer und ungenügende Speicherkapazität. Regelmäßiges Wechseln und Aufladen kostet Zeit und Geld und schränkt den Einsatz an schwer zugänglichen Orten, wie Offshore-Windkraftanlagen, ein. Auch in großflächig verteilten Sensornetzwerken, beispielsweise im Kontext von »Smart Home« oder bei Gesundheits-Trackern ist ihr Nutzen begrenzt, da eine kontinuierliche Versorgung nicht möglich ist.

Daher sind Energy-Harvesting-Systeme basierend auf dem piezoelektrischen Effekt eine vielversprechende Lösung für die Implementierung von energieautarken Systemen. Konventionelle Wandlermaterialien wie PZT oder PVDF sind aufgrund ihrer Materialeigenschaften sowie unzureichender Effizienz nur bedingt für Energy Harvesting geeignet.

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Fraunhofer LBF Piezoelektrete
Piezoelektrete sind flexibel formbar.
© Fraunhofer LBF

Durch die hohe Flexibilität, die geringe Flächendichte und die daraus resultierende geringe Masse sind Piezoelektrete vorteilhaft, um in Textilien integriert zu werden und gleichzeitig den Tragekomfort nicht zu beeinträchtigen. Weiterhin können diese Werkstoffe in gekrümmte oder gewinkelte Strukturen integriert werden, um diese zu funktionalisieren. Insbesondere sind ebenfalls Anwendungen aus dem Bereich des Leichtbaus, zum Beispiel schwingungsbasiertes Energy Harvesting, interessant, wenn komplexe Strukturen funktionalisiert werden sollen.

Mehr Leistung, weniger Kosten: Piezoelektrete als neuartige Wandlermaterialien

Piezoelektrete als neuartige Wandlermaterialien für Energy Harvesting bieten vielseitige Einsatzmöglichkeiten und sind eine innovative Lösung für die Bereitstellung elektrischer Energie für Sensorsysteme. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) konzipieren mit ihnen anwendungsspezifische Lösungen. Vorhandene Energy-Harvesting-Systeme werden ausgelesen, Lösungen zur Optimierung der Leistung werden ausgearbeitet.

Kreative Konzepte sorgen für eine optimale Beanspruchung des Wandlermaterials und somit für die maximale Ausbeute der elektrischen Leistung von Energy-Harvesting-Systemen. Grundlage dafür ist das Know-how der Forscher für die Simulation und experimentelle Charakterisierung von Piezoelektreten sowie für die experimentelle Validierung solcher Systeme.

Energieeffizient, hochflexibel und vielseitig einsetzbar

Von den Vorteilen der Energy-Harvesting-Technologie auf Piezoelektrete-Basis können Hersteller wie End-Anwender von drahtlosen Sensoren profitieren, die bislang ihre Betriebsenergie über konventionelle Energiespeicher bereitgestellt haben.

Für energieautarke Sensorlösungen ist die Entwicklung eines Plug&Forget-Gerätes besonders aussichtsreich, um die steigenden IoT-Anforderungen zu erfüllen. In Hinsicht auf die Implementierung von Smart Wearables kann durch den Einsatz von Piezoelektreten der Tragekomfort und die Akzeptanz verbessert werden. Ein besonderer Mehrwert kann im Sektor für Transport und Verkehr erreicht werden, weil Piezoelektrete im Zuge der Funktionalisierung gleichzeitig zur Reduktion von Gewicht und somit zur Einsparung von Treibstoffen dienen können.


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