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Energy Harvesting mit piezobasierten Lösungen

Wann immer Leistungen im Milliwatt-Bereich ausreichen!

4. Mai 2011, 15:32 Uhr | Von Birgit Schulze und Ellen Christine Reiff

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Ausgangsleistung als Funktion des Lastwiderstandes

Interessant ist unter anderem der Vergleich, 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 und haben unter anderem gezeigt, dass die Ausgangsleistung maßgeblich durch die mechanische Deformation der Biegerstruktur bestimmt wird. 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. Genau genommen 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.