Entwicklung und Optimierung eines piezoelektrischen Energy-Harvesting-Systems zur Energieversorgung eines Güterverfolgungssystems im Logistikbereich

Abstract

Zusammenfassung Es wird die Entwicklung und Optimierung eines piezoelektrischen Energy-Harvesting-Systems zur autarken Energieversorgung einer Güterverfolgungsanwendung im Logistikbereich vorgestellt. Das Energy-Harvesting-System ist zusammen mit einem Funksender an einem zu ortenden Objekt angebracht. Durch Erschütterungen bei Bewegung des Objekts wird solange elektrische Energie gewandelt und zwischengespeichert, bis genügend vorhanden ist, um eine ortbare Funknachricht mit der Identifikationsnummer des Objekts zu senden. Zur Entwicklung des Harvesters werden zunächst Designkriterien für die optimale Geometrie biegebalkenbasierter piezoelektrischer Energy-Harvester anhand analytischer Methoden ermittelt. Im Anschluss wird das Harvesting-System auf die mechanische Anregung und den elektrischen Energiebedarf hin absolut dimensioniert. Um auch das nichtlineare elektrische Netzwerk zur Energieextraktion und dessen Rückwirkung auf den Harvester korrekt zu berücksichtigen, kommt hierbei ein spezieller modal reduzierter Simulationsansatz in Verbindung mit realistischen Finite-Elemente-Simulationen zum Einsatz. Anschließend wird die Energieextraktionsschaltung hinsichtlich ihrer Energieextraktions-Effizienz und der Einsetzbarkeit für verschiedene Anregungsszenarien ausgelegt. Die Funktionalität des Energy-Harvesting-Systems, bestehend aus Energy-Harvester, Energieextraktionsnetzwerk und Funkschaltung, konnte abschließend für verschiedene Anregungsszenarien nachgewiesen werden.