Energy Harvesting aus mechanischen Bewegungen

Vorhandene Schwingungen nutzen, um drahtlose Sensoren zu betreiben.

Mechanische Energieversorgung

Mechanische Bewegung oder Schwingungen können mit Generatoren in elektrische Spannungen umgewandelt werden. So nutzt man beispielsweise vorhandene Vibrationen an Maschinen oder Motoren, um kleine elektronische Geräte mit Energie zu versorgen.

Wie funktioniert mechanische Energiegewinnung?

Bei der mechanischen Energiegewinnung wird aus Bewegungen oder Vibrationen elektrische Energie erzeugt. Hierbei können unterschiedliche Prinzipien Einsatz finden:

Ein Prinzip nutzt piezoelektrische Materialien, die mit einer Ladungstrennung reagieren, wenn sie durch eine Bewegung oder eine periodische Vibration verformt werden. Piezoelektrische Generatoren erzeugen typischerweise große Spannungen im Bereich von zehn bis hundert Volt, aber nur sehr kleine Ströme. Sie können als resonante Kragarmstruktur gebaut oder direkt auf Oberflächen, die eine mechanische Verformung aufweisen, aufgebracht werden.

Eine weitere Methode mechanische in elektrische Energie umzuwandeln sind elektrodynamische oder induktive Generatoren, bei denen eine Kombination aus einem Magneten und einer Spule die Schlüsselelemente für die Stromerzeugung sind. Wenn eine Kombination dieser Bauteile einer Vibration ausgesetzt ist und sich der Magnet relativ zur Spule bewegt, wird in der Spule ein elektrischer Strom induziert. Dieser Strom kann nach Gleichrichtung zum Laden einer Batterie oder eines Kondensators verwendet werden. Die Spannungen eines elektrodynamischen Generators sind typischerweise niedriger als die von piezoelektrischen Wandlern. Der Strom kann durch die Eigenschaften der Spule und des Magneten beeinflusst werden.

Auch mit elektrostatischen Generatoren kann elektrische Energie aus Vibrationen gewonnen werden. Sie sind vergleichbar mit einem elektrischen Kondensator, bei dem eine Kondensatorplatte relativ zur anderen beweglich aufgehängt ist. Durch das Aufladen des Kondensators wenn die Platten weit voneinander entfernt sind und das Entladen des Kondensators, wenn sich die Platten in der Nähe befinden, kann elektrische Energie erzeugt werden. Bei diesem Generatorprinzip ist die Ausgangsleistung abhängig vom Kapazitätswert des Kondensators und seiner Ladespannung.

Herausforderungen

Die Realisierung eines effizienten mechanischen Energiewandler-Systems beinhaltet verschiedene Herausforderungen. Zunächst muss eine gute mechanische Kopplung von der Schwingungsquelle zum Vibrationswandler umgesetzt werden. Mechanische Simulationen berücksichtigen dabei die Eigenschaften und Abmessungen der Bauteile und Materialien und berechnen die optimale Konfiguration für die richtige Kupplung.

Darüber hinaus muss eine gute elektrische Anpassung zwischen dem mechanischen Energiewandler und der elektronischen Spannungswandlung gewährleistet sein. Zu diesem Zweck werden optimierte Spannungsregler verwendet, die auch Techniken zur Justierung des Punktes maximaler Leistungsabgabe (MPP) verwenden. Außerdem muss ein hocheffizienter Laderegler zur Speicherung der Energie realisiert werden.

Angesichts der oben genannten Herausforderungen ist ein multidisziplinärer Ansatz unter Einbeziehung der Materialwissenschaften, der Physik und der Elektrotechnik unerlässlich, um zu einer energie- und kosteneffizienten Energieversorgung zu gelangen.

Unsere Forschung für mechanische Energieversorgungen

Kritische Komponente einer mechanischen Energieversorgung ist neben dem Generator selbst das Powermanagement, das die Aufgabe hat, das Spannungs- und Stromprofil des Harvesters so anzupassen, dass ein Kondensator oder eine Batterie effizient geladen werden kann. Typischerweise werden Gleichrichter und Gleichstromwandler verwendet. Herausforderungen sind dabei beispielsweise die hohen Spannungen und niedrigen Ströme von piezoelektrischen Generatoren. Aktive Gleichrichter können verwendet werden, wenn sehr niedrige Spannungen von den Generatoren bereitgestellt werden, wie bei induktiven Generatoren. In bestimmten Fällen werden auch Maximum Power Point Tracker eingesetzt, um das Power-Management automatisch an den Harvester anzupassen.

Wir haben uns auf die Entwicklung von hocheffizienten Powermanagement-Systemen und Energieversorgungen sowie kompletten Mikrosystemen konzentriert.

Das Besondere an unseren Forschungsergebnissen sind:

  • Verarbeitung von kleinsten Strömen (kleiner 3µA) und Spannungen (kleiner 20 mV)
  • Nutzung von kleinsten Vibrationen (kleiner 100 mg)
  • Nutzung von hohen Impulse bei kleinen Frequenzen (unter 10 Hz)

Unsere Entwicklungen mit mechanischer Energieversorgung

Wir entwickeln Generatoren und komplette Energieversorgungssystemen bestehend aus Wandler, Speicher und Powermanagement.

 

Vibrationswandler

Der Vibrationswandler vom Fraunhofer IIS zeichnet sich durch die effektive Nutzung von kleinsten Schwingungen von 0,1 g und darunter aus. Bei einer Frequenz von 60 Hertz können wir Sensoren mit elektrischer Energie versorgen und die gemessenen Daten per Bluetooth Low Energy übertragen.

 

AC-DC Wandler

Piezoelektrische Generatoren erzeugen eine Wechselspannung. Um diese für den Betrieb einer elektronischen Schaltung nutzen zu können, übersetzt unser hocheffiziente AC-DC Konverter diese in eine Gleichspannung. Durch seine spezielle Architektur ermöglicht er eine maximale Leistungsausbeute und arbeitet mit minimalen Eingangsströmen.

 

Energieautarkes Trackingsystem

Durchgängige und energieeffiziente Lokalisierung von Waren, Personen und Tieren wird durch das modulare, energieautarke Trackingsystem ENTRAS möglich. Hierbei wurde die satellitengestützte Navigation, eine Kommunikation über UMTS und eine Energieversorgung durch Energy Harvesting kombiniert.

 

Ovalradzähler

Unseren Forschern ist es gelungen, Strom aus Volumenströmen mit Ovalradzählern zu erzeugen. Mit einer geeigneten Anordnung von Magneten an den Zahnrädern und fest installierten Spulen am Gehäuse kann allein aus der Drehbewegung ausreichend elektrische Energie gewonnen werden. Damit kann ohne weitere Batterien ein Funkmodul versorgt und die Messdaten drahtlos übertragen werden.

Unser Angebot

  • Hocheffiziente Spannungswandler: Maximaler Spannungsbereich bis 80 Volt und hoher Wirkungsgrad bis 90 %.
  • Laderegler und Batterieverwaltungskreise: Effizientes Laden verschiedener Arten von Energiespeichern mit optionaler State-of-the-Art-Ladeschätzung
  • Maximum Power Point Tracker-Regelkreise für Spannungswandler zur Durchführung der automatischen Impedanzanpassung
  • Charakterisierung von mechanischen Harvestern: Laborgeräte zur Erzeugung definierter Schwingungen und Messung der Ausgangsleistung in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern
  • Mechanische Modellierung und Simulation: Software-Tools zur Modellierung mechanischer Generatoren