Energieerzeugung mittels Piezokeramik (Energy Harvesting)

Als Energy Harvesting bezeichnet man die Technologie der Gewinnung von elektrischer Energie aus der Umgebung.
Dadurch kann bei drahtloser Datenübertragung auf Batterien verzichtet werden.

Hierbei wird der direkte piezoelektrische Effekt genutzt.

Grafik: Energieerzeugung mittels Piezokeramik
Grafik: Energieerzeugung mittels Piezokeramik

Dieses bedeutet, dass eine Verformung der Piezokeramik -oder des piezokeramischen Bauelementes- zur Energieerzeugung genutzt wird.
Im einfachsten Falle wird eine piezokeramischen Scheibe in Dickenrichtung gedrückt oder gezogen.
In anderen Fällen können auch Biegeelemente oder Torsionselemente verformt werden.
Erklären kann man die Gewinnung der Energie dadurch, dass Ladungen an der Piezokeramikoberfläche durch Verzerrungen der Gitterstruktur auftreten.

 

Piezokeramikoberfläche

Die  Energie aus der verformten Piezokeramik, die mechanische  Spannung und die piezoelektrischen Bauteileparameter lassen folgende Betrachtung im Leerlauf zu:

Wel = ½ . C .

Die erzeugte Spannung im Falle der Belastung einer Piezokeramikscheibe in Dickenrichtung mit den Abmessungen Dicke: h, Durchmesser: d und einer piezoelektrische Spannungskonstante in Dickenrichtung g33

ist

U = - g33 .. F/A = - g33  .  h   .  (F/ (d² . pi /4))

Es ist immer darauf zu achten, dass die bei der Verformung der Piezokeramik oder des piezokeramischen Bauelementes auftretenden mechanischen Spannungen gleiche Richtung aufweisen. Dann haben auch die erzeugten elektrischen Ladungen gleiche Polarität. So kann ein Maximum bei der Energiegewinnung erreicht werden.  

Die mechanische Verformungsenergie ergibt sich aus der in dem Piezokeramikvolumen eingebrachten mechanischen Spannung T welche der Quotient aus Kraft und Fläche ist, sowie der Elastizitätskonstante sD33

Wmech = ½ .  sD33 ..

Es ist damit deutlich zu erkennen, dass neben dem Materialparameter nur die eingebrachte mechanische Spannung und das Piezokeramikvolumen relevant sind.

Die elektrische Energie Wel steht mit dem Kopplungsfaktor k33 und der eingebrachten mechanischen Verformungsenergie Wmech in folgender Beziehung (bei Verformung in Dickenrichtung)

Wel = k²33 .  Wmech
.

Die so gewonnene elektrische Energie muss Anwenderseitig gespeichert und verwendet werden. Dabei ist in jedem Falle darauf zu achten, dass das entsprechende elektronische Netzwerk auf die Impedanzverhältnisse des piezokeramischen Energiegenerators angepasst ist.

Energiegeneratoren können als reine Piezokeramik - Monolayer, Bimorphe Layer oder Multimorphe Layer aufgebaut werden. Zur Optimierung der jeweils gewünschten Eigenschaften ist die Kombination mit Metalllayern und Kunsttofflayern möglich.

Mit so optimal aufgebauten Piezokeramik-Energiegeneratoren und den entsprechenden angepassten Elektronikschaltungen ist die Erzeugung von mehreren 100 µW pro Schaltspiel möglich. Dabei sind Millionen von Zyklen unter verschiedenen Umgebungsbedingungen möglich.

Anwendung findet die Energieerzeugung mittels Piezokeramik beispielsweise im Bereich der Energieautarken Funksysteme. Dazu zählen batterielose Funkschalter für Steuerungsaufgaben genauso wie die Energieversorgung der Funksender von Reifendrucksensoren.

Auch im Bereich der Low-Power-Technologie sind Anwendungen beispielsweise bei der batterielosen Spannungsversorgung von Sensoren im Bereich der Automatisierungstechnik zu finden.

Gerne unterstützen wir Sie bei der Auslegung Ihres Energiegenerators.

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