Projekt 35a: Energy Harvesting

Autoren: Oliver Borchert, Robert Maas
Betreuer: Prof. Schneider

der Electronic Harvester von Dennis Siegel

Um Energy Harvesting wirtschaftlich Betreiben zu können wird es noch einige Jahre dauern. Es werden kontinuierliche Vibrationen genutzt, die sehr geringe Energiemengen im µW Bereich erzeugen. Zusätzlich sind die Piezoelemente relativ teuer, weil diese eine hohe Kraft, bis zu 70 kg, auf einer Fläche von wenigen Quadratzentimetern aushalten müssen. Dabei sollten sich das Quarz noch biegen lassen und gleichzeitig darf es nicht brechen. Das ist eine große Herausforderung und das ist bislang nur mit hochwertigem Material realisierbar.

Aufgabe

Unerschöpfliche Stromversorgung ohne Kabel und Batterie. Licht, Bewegung, Wärme, Strahlung – Energie umgibt uns in unterschiedlichen Formen. Sammeln Sie diese Energie ein und führen Sie diese einem technisch nützlichen Zweck zu, wie z. B. Akkus laden, Lichtschalter ohne Kabel oder Blinkschuhe mit Piezo-Harvester.

Erwartungen an Ihre Projektlösung

• Einarbeitung in die Thematik
• Darstellung der Theorie des Energy Harvesting
• Aufbau eines Harvesting Devices
• Anwendung: Die Funkuhr im Vorlesungssaal soll ohne Quelle mit „Energieernte“ auskommen.
• Test und wiss. Dokumentation
• Live Vorführung der Funktion der HSHL Energy Harvesting Radio Controlled Clock (EHRCC)
• Gehen Sie neue Wege und vermeiden Sie die bereits erschöpfend erforschten Möglichkeiten wie beispielsweise Solarzellen

Schwierigkeitsgrad

Anspruchsvoll (***)

Beschreibung

Dieser Wiki-Eintrag ist eine Darstellung der Theorie des Energy Harvesting im Bereich der Piezoelektronik und enthält Grundlagen sowie erste Anleitungen zur möglichen Energieerzeugung und ihre Verwendung.

Vorgehen

1. Suche eines neuen Weges zur Energieerzeugung
2. Grundlagenforschung zum Thema Piezoeffekt
3. Beschaffung
4. Aufbau eines Harvesting Devices

Neue Wege zur Energieerzeugung

Es gibt viele Möglichkeiten Energie, die sich in unserer Umwelt befindet, dazu zu nutzen elektrische Energie zu erzeugen. Jedoch eignen sich nicht alle Verfahren zu einer „unerschöpflichen Energiequelle“. Für dieses Projekt soll die Bewegungsenergie der menschlichen Schritte, welche täglich von Millionen von Menschen eingesetzt wird um sich fortzubewegen, in elektrische Energie umgewandelt und einem technisch nützlichen System (z.B. von LED-Warnleuchten) zugeführt werden.

Grundlagen zur Piezoelektrizität

Der Piezoeffekt, die mechanische Verformung von kristallinen Materialien zur Erzeugung von elektrischen Ladungen, wurde im Jahre 1880 von den Gebrüdern Curie entdeckt. Der Name Piezoeffekt stammt vom griechischen Wort „Piezo“, welches die Bedeutung „Druck“ oder „Pressen“ hat. Beim inversen Piezoeffekt werden die piezoelektrischen Elemente durch das Anlegen von elektrischen Feldern verformt.

Hauptsächlich Anwendung finden Piezoelemente in der Sensorik und Aktorik. Bei der Aktorik macht man sich die Eigenschaft des inversen Piezoeffektes zunutze, weitere Informationen zu den Grundlagen der Aktorik finden Sie hier. Um „Energie zu ernten“ wird der direkte Piezoeffekt genutzt, welcher nachfolgend näher erläutert wird.

Für die Nutzung des Piezoeffektes ist es von Bedeutung, dass das Piezoelement aus einem Kristall mit einer Kristallsymmetrie besteht welches kein Symmetriezentrum besitzt. Da bei einem solchem Aufbau eines Kristalls sich der negative sowie positive Ladungsschwerpunkt, durch eine mechanische Belastung, verschiebt und eine elektrische Spannung erzeugt wird siehe Abbildung.

Die erzeugten elektrischen Spannungen können mit Hilfe von Elektroden, welche an den Piezoelementen angebracht sind, abgeleitet werden.

Beschaffung

Für die Beschaffung von Piezoelementen für die aktorische Anwendung gibt es zahlreiche Angebote, jedoch gibt es nur wenige Anbieter für die Piezoelemente aus dem Bereich der Sensorik. Einer der kompetentesten Anbieter von Piezoelementen in Deutschland ist die Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG. Jedoch liegen die Kosten für die benötigten Piezoelementen außerhalb des Budgets, welches für das Praktikum vorgesehen war.

Modellierung eines Harvesting Devices

Mögliche Umsetzung

Das DemoKit

Der einfachste Weg die Bewegungsenergie in elektrische Energie umzuwandeln ist mit dem DemoKit von Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG. Dieses ist bei dem Unternehmen käuflich zu erwerben. Das DemoKit beinhaltet alle wichtige Sachen die zum Aufbau eines Versuchs nötig sind, siehe Abbildung DemoKit. Das Modul wird mit Hilfe von den mitgelieferten Leitungen an dem DuraAct Flächenwandler angeschlossen und entsprechend der gewünschten Funktion geschaltet. Zur Hilfe dient der dazugehörige Schaltplan, siehe Abbildung.

Der Schaltplan

Ist alles korrekt verschaltet ist es möglich die LED, mithilfe von selbst erzeugter Energie, zum leuchten zu bringen. Dazu muss das Piezo Element angeregt werden, damit es anfängt zu schwingen. Wird das Element zehn mal z.B. mit dem Finger angeregt ist es möglich die LED fünf Sekunden lang leuchten zu lassen. Dafür wird das Piezo Element entsprechend der Abbildung in einer Halterung befestigt.

Beispiel Halterung

Dieses DemoKit ist lediglich für die Einführung und dem Umgang mit Energy Harvesting geeignet. Größere Projekte sind aufgrund der hohen Preise für die Piezo Elemente nicht wirtschaftlich. Dennoch ist es möglich mittels der Angaben größere Projekte zu planen, wie z.B. die Beleuchtung zum Notausgang in einem Flugzeug. Sollte es in einer Maschine zum Absturz kommen und es ist dunkel, könnten die Piezoelemente den Weg zum Notausgang zeigen, obwohl keine Energieversorgung mehr vorhanden ist. Durch die autarke Funktionsweise des Systems ist es ideal für solch einen Fall. Siehe dazu das YouTube Video welches von PiezoEnergySolutions erstellt wurde.

Weiterführende Links

• Elektrotechnik Fachpraktikum WS 13/14 - Projekt 17: Energy Harvesting
• Electronic Harvester von Dennis Siegel
• c't-Artikel
• harvesting-energy.de
• piceramic.de
• piezoeffekt.de

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