Piezoelektrisches Energy-Harvesting in niederfrequenter Anregungsumgebung mittels kontaktbasierter Frequency-Upconversion

Abstract

Zusammenfassung Es wird die Entwicklung und Optimierung eines piezoelektrischen Energy-Harvesting-Systems zur Generierung von elektrischer Energie aus menschlichen Bewegungen vorgestellt. Um die Energie der beim Sport auftretenden tieffrequenten spektralen Beschleunigungsanteile aufnehmen zu können, darf das Harvesting-System eine Eigenresonanzfrequenz von 5 Hz 5\hspace{0.19em}\text{Hz} nicht überschreiten und muss dabei zusätzlich eine kompakte Bauweise aufweisen. Zur Gewährleistung dieser beiden Punkte wird das Prinzip der kontaktbasierten Frequency-Upconversion verfolgt. Der Primäroszillator wird dabei mit seiner Eigenfrequenz an die energiereichsten Anteile des umgebenden Beschleunigungsspektrums angepasst und überträgt diese aufgenommene Energie, z. B. durch mechanischen Kontakt, an den Sekundäroszillator. Letzterer wandelt diese Energie in elektrische Energie. Dieser Beitrag erläutert analytische Auslegungs- und Optimierungskriterien von Primär- und Sekundäroszillator. Zudem wird eine geeignete Energieextraktionsschaltung ausgewählt, die das Energy-Harvesting-System komplettiert. Das Verhalten der einzelnen Teilsysteme und des Harvesting-Systems in seiner Gesamtheit wird daraufhin messtechnisch und simulativ untersucht. Als Ergebnis der Untersuchungen werden, anhand geeigneter Messungen, Energieübertragungsfaktoren ermittelt und die Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems belegt.