Die Testvorrichtung kontrollierte die Tropfengröße, -frequenz und -höhe, wenn Wassertropfen auf ein piezoelektrisches Material auf der Basis fielen und auf dieses aufprallten. Bildnachweis: Romain Guigon et al.

Forscher, die sich mit Energy Harvesting beschäftigen, sehen überall Energie - wir müssen nur einen Weg finden, diese Energie einzufangen. Eine der neuesten Techniken zur Energiegewinnung ist die Umwandlung der mechanischen Energie aus fallenden Regentropfen in Elektrizität, mit der Sensoren und andere elektronische Geräte betrieben werden können.

Wissenschaftler von CEA / Leti-Minatec, einem auf Mikroelektronik spezialisierten Forschungs- und Entwicklungsinstitut in Grenoble, haben kürzlich ein System entwickelt, das die Vibrationsenergie einer piezoelektrischen Struktur zurückgewinnt, die von einem fallenden Regentropfen getroffen wird. Das System arbeitet mit Regentropfen mit einem Durchmesser von 1 bis 5 mm. Simulationen zeigen, dass es möglich ist, bis zu 12 Milliwatt aus einem der größeren „Regengusstropfen“ zu gewinnen.

"Unsere Arbeit könnte als gute Alternative zu Stromversorgungssystemen in regnerischen Außenumgebungen angesehen werden, in denen Solarenergie nur schwer genutzt werden kann", sagte Thomas Jager gegenüber PhysOrg.com . Er erklärte, dass das System sowohl für mobile Außengeräte als auch für die Stromversorgung in Innenräumen verwendet werden könne. "Wir beabsichtigen zum Beispiel, entfernte Sensorknoten in Kühltürmen zu entwickeln, aber verlassene Sensornetzwerke sind auch eine der vorgesehenen Anwendungen für diesen Systemtyp."

Wie Jager und die Koautoren Romain Guigon, Jean-Jacques Chaillout und Ghislain Despesse in einer aktuellen Ausgabe von Smart Materials and Structures erläutern, ist die Physik des Aufpralls eines Regentropfens auf eine Oberfläche nicht vollständig verstanden. Für den Bau eines Regenenergie-Erntesystems ist es jedoch wichtig, die rückgewinnbare Energie während des Aufpralls abzuschätzen.

Wenn ein Regentropfen auf eine Oberfläche auftrifft, erzeugt er einen vollkommen unelastischen Schlag. Die durch den Aufprall erzeugte Energiemenge kann dann unter Verwendung eines mechanisch-elektrischen Modells geschätzt werden.

Um die mechanische Energie der Regentropfen einzufangen, verwendeten die Wissenschaftler ein PVDF-Polymer (Polyvinylidenfluorid), ein piezoelektrisches Material, das mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Wenn ein Regentropfen auf das 25 Mikrometer dicke PVDF auftrifft, beginnt das Polymer zu vibrieren. In das PVDF eingebettete Elektroden werden verwendet, um die durch die Vibrationen erzeugten elektrischen Ladungen wiederzugewinnen.

Die Gruppe experimentierte mit Regentropfen unterschiedlicher Größe, Fallhöhe und Geschwindigkeit. Sie fanden heraus, dass langsam fallende Regentropfen die meiste Energie erzeugen, da Regentropfen, die mit hoher Geschwindigkeit fallen, oft Energie aufgrund von Spritzern verlieren. Mithilfe einer Mikropumpe zur Erzeugung und Prüfung der Eigenschaften von Regentropfen konnten die Forscher nachweisen, dass bei geringen Fallhöhen die elektrische Energie proportional zum Quadrat der mechanischen Energie des Tropfens ist, während Spannung und mechanische Energie direkt proportional sind.

Die größten Regentropfen verursachten die größten Vibrationen auf dem PVDF und erzeugten daher die größte Menge elektrischer Energie. Die Forscher zeigten, dass ihr System als Worst-Case-Szenario 1 Mikrowatt Dauerleistung erzeugen kann, während Simulationen zeigten, dass ein einzelner großer Regentropfen bis zu 12 Milliwatt Leistung erzeugen kann.

"Die rückgewinnbare Energie hängt direkt von der Größe der piezoelektrischen Membran, der Größe der Regentropfen und ihrer Frequenz ab", erklärte Jager. „Die verfügbare Energie pro Tropfen variiert je nach Größe zwischen 2 µJ und 1 mJ.

„Bei einer Wandlerfläche von mehreren Quadratzentimetern reicht die entsprechende Momentanleistung von wenigen µW bis zu 10 mW. Eine interessante Zahl, die zu berücksichtigen ist, könnte auch die verfügbare Regenleistung pro Jahr in gemeinsamen Regionen Frankreichs mit einem kontinentalen Klima sein: fast 1 Wh pro Quadratmeter und Jahr. “

Für die Zukunft planen die Wissenschaftler die Entwicklung einer Methode zur Speicherung der elektrischen Energie, um einen konstanten Strom für den praktischen Gebrauch bereitzustellen.

Weitere Informationen: Guigon, Romain, Chaillout, Jean-Jacques, Jäger, Thomas und Despesse Ghislain. "Ernten von Regentropfen-Energie: Theorie" und "Ernten von Regentropfen-Energie: experimentelle Studie". Smart Mater. Struct. 17 (2008) 015038-9.

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