Projekte

Fraunhofer Geschäftsbereich Adaptronik

Energy Harvesting mit piezokeramischen Wandlerwerkstoffen

Im BMBF-Projekt PiezoEn werden Verfahren und technische Lösungen für die piezoelektrische Wandlung mechanischer in elektrische Energie wie deren Speicherung erarbeitet. Die Partner VartaMicrobattery GmbH (Konsortialführer), Bayer MaterialScience AG, INVENT GmbH, OttoBock Health-Care GmbH, Wölfel Beratende Ingenieure GmbH + Co. KG, und die Fraunhofer-Institute IIS, ISC, IZM und LBF haben sich zum Ziel gesetzt, eine geschlossene Entwicklungskette zum Engergy Harvesting zu etablieren. Diese reicht von strukturdynamisch basierter, applikationsspezifischer Optimierung der Energiewandlung über die Umsetzung der piezoelektrischen Energiewandler bis hin zur Implementierung der angepassten elektrischen Energieaufbereitung und -speicherung sowie des Energiemanagements. Damit sollen universelle integrierte Wandlersysteme aus Piezogenerator, schnellem Speicher und Powermanagement hergestellt werden, die den Kleinleistungsbereich bis zum höheren Milliwatt-Bereich addressieren. Diese Energiewandler-Powermanagement-Speichermodule sollen – zusammen mit den entsprechenden F&E-Dienstleistungen zu deren applikationsspezifischer, elektronischer Auslegung und der strukturdynamischen (elektromechanischen) Anpassung des Systemeingriffs zur Optimierung der piezoelektrischen Energieausbeute – dem Markt angeboten werden.

Abb. 1: Konzeptskizze des integrierten Energy-Harvesting-Moduls.

Durch die gewählte Ausrichtung sollen Nachteile und Limitationen von konventionellen Energieversorgungskonzepten und deren technischen Implementierungen kompensiert werden. Batterien können bzgl. der Energiedichte nicht mehr deutlich optimiert werden, insbesondere bei tieferen Temperaturen verlieren sie deutlich an Leistung. Weiterhin werden sie als nicht umweltfreundlich eingestuft, weisen ein hohes Gewicht auf und müssen regelmäßig ausgetauscht werden. Dagegen haben die piezoelektrischen Generatoren auch im Vergleich zu alternativen energieautarken Konzepten (photovoltaisch, thermoelektrisch, kapazitiv und induktiv) Vorteile: hohe elektromechanische Koppelfaktoren, einfache, mechanisch robuste und sehr flexible Systemdesigns, günstige Preise und geringes Gewicht. Die schwingungsdämpfende Wirkung des elektromechanischen Energieentzugs wird sich zudem vorteilhaft auf die mechanische Basisstruktur auswirken.

Innerhalb des Projekts sollen die geplanten Ergebnisse in Form von Demonstratoren und Know-how an drei Endanwendungen erprobt werden. Bei diesen handelt es sich um eine Beinprothesen, die Strukturüberwachung (Structural Health Monitoring) einer Brücke und um einen Technologiedemonstrator. Nachdem nun die Hälfte der Projektlaufzeit vorüber ist, wurden bereits Demonstratoren vorgestellt und potenziellen Endandwendern wurden Muster zum Test zur Verfügung gestellt.

Abb. 2: CAD-Modell des Technologie-Demonstrators.
Abb. 3: Muster eines Technologie-Demonstrators.