Die Energiegewinnungskette zeigt, wie ein Teil der Energie aus der zuvor gewonnenen Energie extrahiert und in kurzen Impulsen in das piezoelektrische Element zurückgespeist wird, um die Gesamtmenge der gewonnenen Energie zu erhöhen. Der Anstieg erfolgt aufgrund eines Energieresonanzeffekts. Bildnachweis: Lallart und Guyomar. © 2010 American Institute of Physics.

(PhysOrg.com) - Die Gewinnung von mechanischer Energie aus der Umgebung und deren Umwandlung in elektrische Energie hat sich in jüngster Zeit zu einer praktikablen Methode für die Stromversorgung von Niedrigenergieelektroniken wie Sensoren und Aktoren entwickelt. Der Hauptnachteil von Energy Harvesting ist jedoch die geringe Energieerzeugung, die die potenziellen Anwendungen einschränkt. In einer neuen Studie schlugen Mickael Lallart und Daniel Guyomar vom LGEF-Labor der Universität Lyon vor, dass eine anfängliche Energieeinspeisung, die aus der gewonnenen Energie selbst gewonnen wird, die Gesamtenergieproduktion erheblich steigern könnte. Insbesondere könnte diese Methode bei der Verwendung von handelsüblichen Komponenten 20-mal mehr Energie als normal und bei der Verwendung verlustarmer Geräte bis zu 40-mal mehr Energie erzeugen.

Bei der Energiegewinnung werden häufig piezoelektrische Materialien verwendet, die die Eigenschaft haben, bei einer angelegten mechanischen Beanspruchung ein elektrisches Feld zu erzeugen. Wie Lallart und Guyomar erklären, haben piezoelektrische Materialien normalerweise einen niedrigen globalen Kopplungskoeffizienten, was einer geringen Umwandlungsfähigkeit entspricht. Obwohl der Kopplungskoeffizient eine inhärente Eigenschaft eines Materials ist, erklärten die Wissenschaftler, dass sie die Umwandlungsfähigkeiten von piezoelektrischen Materialien durch Verwendung einer gepulsten Anfangsenergieinjektion künstlich verbessern können.

Bei dem vorgeschlagenen Schema wird die gewonnene Energie zunächst über einen Mikrogenerator aus dem piezoelektrischen Element extrahiert. Die Energie wird dann als schneller Impuls entweder über die obere oder die untere Elektrode zurück in das piezoelektrische Element eingespeist, was zu einer positiven bzw. negativen Spannung führt. Die Energieinjektion erzeugt aufgrund der gepulsten Energierückkopplung zum piezoelektrischen Material einen "Energieresonanzeffekt".

Aufgrund dieses Energieresonanzeffekts erzeugt die anfängliche Energieinjektion in das piezoelektrische Material einen Gesamtenergiegewinn, der höher ist als die anfänglich aus dem piezoelektrischen Material extrahierte Energie. Die Forscher identifizierten einen optimalen Energieeinspeisungswert, wonach höhere Werte eine Dämpfungswirkung auf das piezoelektrische Material ausüben, was zu einer signifikanten Verringerung der für die Ernte verfügbaren mechanischen Energie führt. Bei einer Optimierung könnte das vorgeschlagene Design ermöglichen, dass eine Vorrichtung viel weniger piezoelektrisches Material als ein Standarddesign verwendet und dennoch die gleiche Energiemenge erntet.

„Der Hauptbeitrag dieser Arbeit besteht darin zu zeigen, dass die Entnahme von Energie aus der Speicherphase und die Übertragung an die Quelle, obwohl sie aufgrund der Verluste im Übertragungsmechanismus kontraproduktiv erscheint, zu einer hervorragenden Leistung in Bezug auf die Leistungsabgabe führen kann. ”Lallart erzählte PhysOrg.com . „Insbesondere die gepulste Ausführung dieser Vorgänge (dh die Bereitstellung von Anfangsenergie für das aktive Material) macht die Implementierung der Technik einfach. Eine der bemerkenswertesten Eigenschaften dieser Technik ist die Fähigkeit, die Leistungsgrenze aller anderen Techniken zu umgehen, wenn man den durch den Spülprozess verursachten Dämpfungseffekt berücksichtigt (Fall mit konstanter Kraftgröße). “

Wie die Wissenschaftler erklärten, waren die meisten früheren Methoden zur Verbesserung der Energieumwandlung "unidirektional", was bedeutet, dass sie die vom Gerät selbst erzeugte Energie nicht als Eingangsenergie nutzen. Die wenigen vorherigen Methoden, die wie das aktuelle Design "bidirektional" waren und Ausgangsenergie als Eingangsenergie verwendeten, erforderten eine konstante Ansteuerung des Geräts, was zu einer komplexen Implementierung führte und eine erhebliche Menge an Energie für die Ansteuerung des Systems erforderte, was sie kaum realistisch machte .

Im Gegensatz dazu ermöglicht die Tatsache, dass das neue Verfahren nur schnelle Impulse erfordert, eine einfachere Implementierung und reduziert die Antriebsenergie erheblich. Die Energieextraktions- und -injektionsprozesse sind so viel schneller als die Vibrationszeit des Geräts, dass sie als sofortig angesehen werden können. Aus diesen Gründen prognostizieren die Wissenschaftler, dass dieser Ansatz die Menge der gewonnenen Energie um das Zwei-, Drei- oder Vierfache verbessern könnte, verglichen mit anderen Methoden, die darauf abzielen, die Leistungsabgabe selbst bei niedrigen Wirkungsgraden der Energiegewinnung zu erhöhen.

„Die Hauptmotive in der Energiegewinnungsforschung sind das Wachstum kleiner elektronischer Geräte mit geringem Stromverbrauch sowie die Einschränkungen von Primärbatterien, die aufgrund ihrer begrenzten Lebensdauer und der Umweltprobleme aufgrund ihres komplexen Recyclingprozesses Wartungsprobleme aufwerfen ", Sagte Lallart. „Obwohl die Funktionsfähigkeit von autarken Systemen bereits nachgewiesen wurde, sind die Funktionen solcher Geräte immer noch durch die verfügbare Energie begrenzt. Die Forschung zur Energiegewinnung verfolgt daher zwei Ziele. Erstens können durch Erhöhen der Leistung von Mikrogeneratoren mehr Funktionen in dem Gerät mit eigener Stromversorgung implementiert werden. Zweitens würden Verbesserungen bei den Umwandlungsfähigkeiten von aktiven Materialien eine signifikante Reduzierung der Materialmenge ermöglichen, die für die Gewinnung einer bestimmten Energiemenge erforderlich ist, was die Entsorgung kleiner, einbettbarer Geräte ermöglicht. “