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Übersicht

Piezo Energy Harvesting – Energie gewinnen mit dem Piezoeffekt

Stromerzeugung aus der Umgebung

Energy Harvesting, oder das Ernten von Energie, steht für die Stromerzeugung aus Quellen wie Umgebungstemperatur, Vibrationen oder Luftströmungen.

Die Umwandlung verfügbarer Energie aus der Umgebung ermöglicht eine autarke Energieversorgung kleiner elektrischer Verbraucher wie Sensoren oder Funksender.

Kinetische Bewegungsenergie kann mit dem piezoelektrischen Effekt nutzbar gemacht werden: Piezoelemente wandeln die Energie aus Schwingungen oder Erschütterungen in elektrische Energie.

Mit einer entsprechenden Elektronik lässt sich daraus ein autarkes Energieversorgungssystem herstellen. Dies wird immer dann hochinteressant, wenn eine Stromversorgung über Kabel nicht möglich ist und man auf Batterien und den damit verbundenen Wartungsaufwand verzichten will.

Nutzung des direkten piezoelektrischen Effekts

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.

Anwendungsorientierte Lösung

Jede Energy-Harvesting-Lösung muss individuell auf den Anwendungsfall abgestimmt werden. Energiewandler, Energiespeicher und Elektronik werden dem Energiebedarf des Verbrauchers und den energetischen Anregungsbedingungen angepasst.

Piezo Energy Harvesting
 
PI DuraAct Array
Einlaminierte Keramikschichten in einer DuraAct Wandleranordnung (Array)
PI Polarisationsachse
Mechanische Verformung wird in elektrische Spannung umgewandelt
  • Condition Monitoring und 
    Strukturüberwachung (Structural Health Monitoring, SHM)
    Ein typisches Beispiel ist hier die Überwachung von Bauteilen in komplexen Systemen wie Flugzeugflügeln. Piezowandler übernehmen hier eine Reihe von Aufgaben, wie das Messen von Deformationen, aber auch die Energieversorgung von Sendern zur drahtlosen Datenübertragung.
  • Datenmonitoring und Datenübertragung
    Versorgung der Sensoren und Funksender z. B. in der Heizungs- und Klimatechnik zur Überwachung der Temperatur oder des Luftstroms in Rohrleitungen.
  • Produktüberwachung während des Transports
    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 z. B. sinnvoll, wenn in geschlossenen Behältern Temperaturen erfasst werden sollen.
  • Energieversorgung drahtloser ZigBee-Netze

Design einer Energy-Harvesting-Lösung

Das Design einer Lösung für das Energy Harvesting ist von den Eigenschaften und Anforderungen der Umgebungsparameter abhängig.

Bei der Energiequelle ist z. B. zwischen kontinuierlichen und stoßweisen Bewegungen zu unterscheiden. Außerdem müssen die Bedingungen 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 ein Design und Dimensionierung der Wandler- und Speicherelektronik einschließlich Mechanik möglich.

PI Ceramic verfügt über umfassendes Wissen und jahrelange Erfahrung bei der Erarbeitung kundenspezifischer Lösungen für piezoelektrische Anwendungen.

Energy Harvesting Prinzip
 
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Whitepaper: Energy Harvesting nutzt den Piezoeffekt
Piezowandler DuraAct und darauf abgestimmte Elektronik
Pdf 604 K WP pi1068D