Leistungsstark und hochflexibel: Piezoelektrete als Wandlermaterialien in Energy Harvesting Systemen
Forschende aus dem Fraunhofer LBF haben auf Basis von Piezoelektreten
neuartige Energy Harvesting Systeme konzipiert. Die eingesetzten
Wandlermaterialien sind eine alternative, ressourcen-schonende Lösung
gegenüber konventionellen Energiespeichern, die hohe Wartungskosten
verursachen und als nicht langlebig gelten. Perspektivisch können Energy
Harvesting Systeme für die Versorgung von Sensor dienen, die an schwer
zugänglichen Orten installiert sind oder als großflächig verteiltes
Sensornetzwerk eingesetzt werden. Auch für Gesundheits-Tracker, die
implantiert oder in Form von Wearables nah am Körper getragen werden, und
ein zuverlässiges, engmaschiges Monitoring gewährleisten müssen.
Konventionell werden Batterien und Akkumulatoren als Energiespeicher für
Sensoren genutzt. Jedoch unterliegen diese Arten von Energiespeichern
diversen Einschränkungen, beispielsweise begrenzte Lebensdauer und
ungenügende Speicherkapazität. Regelmäßiges Wechseln und Aufladen kostet
Zeit und Geld und schränkt den Einsatz an schwer zugänglichen Orten, wie
Offshore-Windkraftanlagen, ein. Auch in großflächig verteilten
Sensornetzwerken, beispielsweise im Kontext von »Smart Home« oder bei
Gesundheits-Trackern ist ihr Nutzen begrenzt, da eine kontinuierliche
Versorgung nicht möglich ist.
Daher sind Energy Harvesting Systeme basierend auf dem piezoelektrischen
Effekt eine vielversprechende Lösung für die Implementierung von
energieautarken Systemen. Konventionelle Wandlermaterialien wie PZT oder
PVDF sind aufgrund ihrer Materialeigenschaften sowie unzureichender
Effizienz nur bedingt für Energy Harvesting geeignet. Durch die hohe
Flexibilität, die geringe Flächendichte und die daraus resultierende
geringe Masse sind Piezoelektrete vorteilhaft, um in Textilien integriert
zu werden und gleichzeitig den Tragekomfort nicht zu beeinträchtigen.
Weiterhin können diese Werkstoffe in gekrümmte oder gewinkelte Strukturen
integriert werden, um diese zu funktionalisieren. Insbesondere sind
ebenfalls Anwendungen aus dem Bereich des Leichtbaus, z. B.
schwingungsbasiertes Energy Harvesting, interessant, wenn komplexe
Strukturen funktionalisiert werden sollen.
Mehr Leistung, weniger Kosten: Piezoelektrete als neuartige
Wandlermaterialien
Piezoelektrete als neuartige Wandlermaterialien für Energy Harvesting
bieten vielseitige Einsatzmöglichkeiten und sind eine innovative Lösung
für die Bereitstellung elektrischer Energie für Sensorsysteme.
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem Fraunhofer LBF
konzipieren mit ihnen anwendungsspezifische Lösungen. Vorhandene Energy
Harvesting System werden ausgelesen, Lösungen zur Optimierung der Leistung
werden ausgearbeitet.
Kreative Konzepte sorgen für eine optimale Beanspruchung des
Wandlermaterials und somit für die maximale Ausbeute der elektrischen
Leistung von Energy Harvesting Systemen. Grundlage dafür ist das Know-how
der Forschenden für die Simulation und experimentelle Charakterisierung
von Piezoelektreten sowie für die experimentelle Validierung von Energy
Harvesting Systemen
Energieeffizient, hochflexibel und vielseitig einsetzbar
Von den Vorteilen der Energy Harvesting Technologie auf Basis von
Piezoelektreten als Wandlermaterialien können Hersteller wie End-Anwender
von drahtlosen Sensoren profitieren, die bislang ihre Betriebsenergie über
konventionelle Energiespeicher bereitgestellt haben.
Für energieautarke Sensorlösungen ist die Entwicklung eines „plug-and-
forget“ Gerätes besonders aussichtsreich, um die steigenden IoT-
Anforderungen zu erfüllen. In Hinsicht auf die Implementierung von Smart
Wearables kann durch den Einsatz von Piezoelektreten der Tragekomfort und
die Akzeptanz verbessert werden. Ein besonderer Mehrwert kann im Sektor
für Transport und Verkehr erreicht werden, weil Piezoelektrete im Zuge der
Funktionalisierung gleichzeitig zur Reduktion von Gewicht und somit zur
Einsparung von Treibstoffen dienen können.
