Modellbasierte Erweiterung eines autonomen Systems um einen piezoelektrischen „Energy Harvester“

Im Rahmen seiner Dissertation hat sich Herr Dr.-Ing. Waleed al Ashtari mit der modellbasierten Erweiterung eines autonomen Systems um einen piezoelektrischen „Energy Harvester“ befasst. Dieser wandelt Schwingungsenergie aus der Umgebung in nützliche elektrische Energie. Zur Berechnung der elektromechanischen Charakteristik eines piezoelektrischen „Energy Harvesters“ wurde ein auf Materialeigenschaften, Geometrie und Randbedingungen basierendes analytisches Modell erarbeitet. Dieses dient als Basis für ein weiteres Modell, welches den Betrieb eines autonomen Systems beschreibt. Die theoretischen Arbeiten wurden mit Laborversuchen validiert. Es zeigt sich, dass der piezoelektrische Harvester im eingeschwungenen Zustand durch den Gleichrichtungsvorgang zwei abwechselnde Lastzustände erfährt. Dies führt zu nichtlinearem Verhalten des Harvesters, besonders wenn die angeschlossene Last eine geringe Impedanz hat. Des Weiteren zeigen die Ergebnisse, dass ein solches autonomes System effizient arbeitet, wenn es an eine Last mit hoher Impedanz angeschlossen ist und bei einer der Antiresonanzfrequenz des piezoelektrischen Harvesters entsprechende Frequenz angeregt wird.

Das Modell des autonomen Systems wurde auf ein System mit mehreren piezoelektrischen Wandlern erweitert. Zur praktischen Implementierung eines solchen Systems wurde eine Technik zur Frequenzeinstellung eingeführt, da die optimalen Betriebsfrequenzen der einzelnen Wandler aufeinander abgestimmt werden müssen. Die Einstellung erfolgt, indem die Entfernung zwischen zwei Permanentmagneten und damit deren Anziehungskraft, welche die Steifigkeit des Harvesters beeinflusst, angepasst wird. Diese Technik zur Frequenzeinstellung wurde modelliert und experimentell validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Frequenzeinstellung mittels Permanentmagneten eine einfache und zugleich effektive Lösung für das Problem der Frequenzanpassung piezoelektrischer „Energy Harvester“ darstellt.

Die Dissertationsschrift von Dr. al Ashtari können Sie hier erwerben.

Seine Veröffentlichungen sind hier gelistet.