Nahezu alle mechanischen Anwendungen verfügen über vibrierende Bauteile. Die in den Schwingungen enthaltene kinetische Energie kann mit geeigneten Harvestern, «Erntern», in elektrische Energie umgewandelt werden. Der Harvester wird direkt am vibrierenden Bauteil befestigt und nutzt die Vibrationen zur Energieerzeugung. Dazu werden meist Schwinger verwendet, die auf ein Feder-Dämpfer-System zurückzuführen sind (Bild 1).
Sie besitzen eine bewegliche Masse, die durch eine Feder gehalten wird und oszilliert. Der Dämpfer beschreibt die auftretende Dämpfung in der Schwingung, welche die Schwingmasse abbremst und die Oszillation dämpft. Dämpfung entsteht im Wesentlichen durch mechanische Reibung oder durch Entnahme von Energie.
Charakterisierung von Vibrationen nach Frequenz und Amplitude
Vibrationen lassen sich nach Frequenz bzw. Frequenzspektrum und nach Amplitude charakterisieren. Je nach Anwendung unterscheiden sich diese Grössen stark. Viele in Natur oder Technik vorkommende Schwingungen besitzen eine variierende Ampli- tude und ein breites Frequenzspektrum. Bild 2 zeigt auf der linken Seite die gemessenen Vibrationen an einem Verbrennungs-motor während eines kurzen Fahrzyklus. Über der Zeit ist eine deutliche Veränderung der Amplitude zu erkennen. Sie korreliert mit dem Betriebszustand bzw. dem Lastwechsel. Das Frequenzspektrum zeigt, dass die Schwingungen bei unterschiedlichen Frequenzen auftreten.
Die Schwingungen eines industriellen Antriebs verhalten sich unterschiedlich dazu (Bild 2, rechts). Die Messungen zeigen eine über die Zeit annähernd konstante Amplitude. Gleichzeitig besitzt das Fre- quenzspektrum eine deutlich ausgeprägte Spitze bei einer Frequenz. Dies erlaubt es, den Harvester als Schwinger bei dieser bestimmten Frequenz in Resonanz zu betreiben. Im Resonanzbetrieb sind Leistungsdichten im Bereich von mehreren 100 µW/cm3 machbar. Nachteilig ist, dass man den Harvester auf die Frequenz der Anregung abstimmen muss. Der Resonanzbetrieb beschränkt sich damit auf Appli- kationen, die mit einer bestimmten Fre-quenz schwingen. Sobald der Resonanzbereich verlassen wird, bricht die abgegebene Leistung ein.
Drei verschiedene Wandlungsprinzipien
Die Umwandlung von kinetischen Vibrationen in elektrische Energie lässt sich mit unterschiedlichen Prinzipien realisieren. Die am häufigsten in der Praxis zum Einsatz kommenden Verfahren basieren entweder auf dem piezoelektrischen, dem elektromagnetischen (induktiven) oder dem elektrosta-tischen (kapazitiven) Effekt (Bild 3).
Piezoelektrisches Prinzip
Piezoelektrische Harvester basieren auf piezoelektrischen Materialien, in denen sich positive und negative Ladungen befinden, sogenannte elektrische Dipole. Ist der Dipol im Ruhezustand, sind die Ladungen so positioniert, dass sich das elektrische Feld im Innern des Dipols aufhebt. Wird das Material mechanisch belastet, z.B. durch Anlegen einer Kraft, verformt es sich, die Ladungen verschieben sich, und es entsteht ein elektrisches Feld.
Es existieren verschiedene Materialien mit unterschiedlich stark ausgeprägtem, piezoelektrischem Effekt. Piezoelektrische Harvester liefern Ausgangsspannungen bis 100 V. Im Vergleich zu anderen Wandlerprinzipien ist sie wesentlich höher und muss meist auf die benötigte Spannung heruntergeregelt werden.
Induktives Prinzip
Bei induktiven Harvestern basiert die Umwandlung elektrischer Energie auf dem faradayschen Induktionsgesetz. Es besagt, dass in einer Leiterschleife eine Spannung induziert wird, wenn sie einem sich zeitlich ändernden Magnetfeld ausgesetzt ist. Die Basiselemente eines induktiven Harvesters bilden daher eine Leiterschleife und einen Permanentmagnet, welcher das Magnetfeld bereitstellt. Bei einem induktiven Harvester werden Leiterschleife und Permanentmagnet auf einer Trägerstruktur so angeordnet, dass bei auftretender Vibration an der Trägerstruktur vorzugsweise der Permanentmagnet frei hin und her schwingen kann und dabei eine Spannung in der Leiterschleife induziert. Die Leiterschleife ist dabei fest am Gehäuse fixiert. Je grösser dabei die Fläche der Leiterschleife ist und je schneller sich das Magnetfeld zeitlich ändert, desto grösser sind die induzierte Spannung und damit die abgegebene Leistung. Der Bereich der Ausgangsspannung von induktiven Harvestern reicht von einigen mV bis zu mehreren Volt.
Kapazitives Prinzip
Kapazitive Energiewandler bestehen aus einem variablen Kondensator, der in der Kapazität veränderbar ist. Eine Elektrode des Kondensators ist fest mit einer Trägerstruktur verbunden. Die Gegenelektrode ist in eine Achsenrichtung frei beweglich gelagert, beispielsweise auf einem Hebelarm. Treten Vibrationen auf, verschiebt sich die bewegliche Elektrode, was zu einer Veränderung der Kapazität führt. Beim Auseinanderziehen der Elektroden wird die dazu benötigte mechanische in elektrische Energie umgewandelt und im elektrischen Feld des Kondensators gespeichert. Ausgangsspannungen von bis zu einigen Volt sind möglich.
Applikation im Condition Monitoring
Im Rahmen einer Projektarbeit an der ZHAW wurde ein autarkes System im Bereich Condition Monitoring für einen industriellen Antrieb entwickelt und analysiert (Bild 4). Ein induktiver Harvester übernimmt die Stromversorgung des Systems. Dieses hat die Aufgabe, mittels Beschleunigungssensor die auftretenden Vibrationen am Motor zu messen und die Messdaten via Bluetooth Low Energy (BLE) zu versenden. Die gesendeten Daten über BLE werden von einem Smartphone empfangen, weiterverarbeitet und visualisiert.
Um das Verhalten eines industriellen Antriebs zu simulieren, wurde ein mechanischer Aufbau entworfen, der eine Variation der Schwingungen in Frequenz und Amplitude erlaubt. Die Vibrationen für den Harvester werden durch einen DC-Motor erzeugt, an dessen Welle zwei versetzte halbkreisförmige Metallscheiben angebracht sind. Durch das Verdrehen der Halbkreisscheiben lässt sich die Intensität der Vibration stufenlos variieren.
Die Frequenz der mechanischen Vibration lässt sich anhand der Betriebsspannung des Motors einstellen. Die Resonanzfrequenz des eingesetzten Harvesters liegt bei 15 Hz. Die grösstmögliche Ausgangsleistung am Harvester erhält man in Resonanz. Dazu wird die Betriebsspannung des Motors auf die Resonanzfrequenz eingestellt. Die Ausgangspannung des Harvesters von 1 bis 1,2 V wird zuerst mittels Booster auf 3 V transformiert und die Energie anschliessend in einem 820-µF-Elektrolytkondensator zwischengespeichert. Je nach Intensität der Vibrationen liegt die effektive Ausgangsleistung in Resonanz zwischen 340 µW und 1,7 mW.
Ein Mess- und Sendezyklus braucht 725 µJ
Die Energiebilanz des Systems zeigt, dass die aus den Vibrationen gesammelte Energie nicht ausreicht, um das System permanent zu betreiben. Die elektrische Energie für einen Mess- und Sendevorgang muss für eine kurze Zeit in einem Speicher gesammelt werden. Währenddessen befindet sich das System im Sleep-Modus. Sobald genug Energie vorhanden ist, wacht das System aus dem Tiefschlaf auf, führt den Mess- und Sendezyklus aus und geht anschliessend zurück in den Tiefschlaf. Um die Empfangswahrscheinlichkeit zu erhöhen, werden die Messdaten innerhalb eines Sendezyklus mehrfach gesendet. Ein vollständiger Mess- und Sendezyklus benötigt eine elektrische Energie von 725 µJ.
Mit der am Booster maximal erreichten Ausgangsleistung von etwa 1,7 mW kann das System jede halbe Sekunde Messwerte übertragen. Die Darstellung der Messwerte erfolgt auf einem handelsüblichen BLE-fähigen Smartphone oder Tablet. In der entwickelten Applikation werden zuerst die Rohdaten der empfangenen Messwerte in Maximal-, Minimal- und Effektivwerte der Beschleunigung umgerechnet und anschliessend angezeigt.
Zusammenfassung
Kinetische Energie aus Vibrationen kann man mit diversen Technologien in elektrische Energie umwandeln. Der an der ZHAW realisierte Aufbau zeigt die Möglichkeiten für autonome Systeme mit Energy Harvesting. Die gesammelte Energie reicht aus, um ein Embedded-System zu betreiben, das Messdaten aufnimmt und mittels BLE versendet. Zur Visualisierung kann ein Smartphone oder Tablet verwendet werden. Damit kann ein schneller Einsatz als Diagnose- oder Überwachungssystem realisiert werden. Zusätzlich zu einem Sensor könnten auch Stellglieder integriert werden, die eine Parametrisierung eines Systems erlauben.
Infoservice
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