Entwicklung und Optimierung eines piezoelektrischen Energy-Harvesting-Systems zur Energieversorgung eines Güterverfolgungssystems im Logistikbereich
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Philipp Dorsch
Philipp Dorsch hat von 2012 bis 2015 Elektrotechnik-Elektronik-Informationstechnik an der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg studiert. Seit 2015 ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Sensorik an der Universität Erlangen-Nürnberg tätig. Seine Forschungsarbeiten umfassen das Design, die Modellierung und die Optimierung von Energy-Harvesting-Applikationen.
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen
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Dominik Gedeon
Dominik Gedeon hat von 2005–2011 Elektrotechnik-Elektronik-Informationstechnik an der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg studiert. Seit 2011 ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Sensorik an der Universität Erlangen-Nürnberg tätig. Seine Forschungsarbeiten umfassen Finite-Elemente-basierte Simulationsmethoden zur Optimierung piezoelektrischer Energy-Harvester.
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen
Manuel Weiß hat von 2008 bis 2014 Mechatronik an der Universität Erlangen-Nürnberg studiert. Seit 2014 ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Sensorik an der Universität Erlangen-Nürnberg tätig. Seine Forschungsarbeiten umfassen die simulationsbasierte Materialcharakterisierung von piezoelektrischen und passiven Materialien sowie adaptiven Werkstoffverbunden.
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen
Stefan J. Rupitsch wurde 2008 im Rahmen seiner Tätigkeit als Forschungsassistent am Institut für Elektrische Messtechnik an der Johannes Kepler Universität Linz promoviert. Seit 2008 ist er als Postdoktorand am Lehrstuhl für Sensorik an der Universität Erlangen-Nürnberg tätig. Seine Forschungsschwerpunkte umfassen unter anderem piezoelektrische Sensoren und Aktoren, simulationsbasierte Materialcharakterisierung sowie die technische Ultraschall-Bildgebung.
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen
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.
Abstract
We present an optimization approach of an energy harvesting system powering an energy-autarchic asset-tracking application. The energy harvesting system and a low-power radio transmitter are attached to an object-to-be-tracked. When this object faces mechanical accelerations, electric energy will be accumulated until there is enough stored to transmit a trackable radio signal including its identification number. Regarding the development of the harvesting system, analytical design criterions are figured out to optimize the geometry of cantilevered piezoelectric harvesting structures. Subsequently, the absolute dimensions of the energy harvester are determined according to both, the radio transmitters' electric energy demand and the available amount of ambient energy. To consider non-linear energy extraction networks including their backward-coupling effect on the piezoelectric material, we exploit a special modal truncation method in combination with realistic finite element simulations. In the next section, the used energy extraction network is designed with respect to efficiency as well as versatility. Finally, the functionality of the energy harvesting system, consisting of the energy harvester, the energy extraction network and the radio transmitter, is verified under various realistic excitation conditions.
About the authors
Philipp Dorsch hat von 2012 bis 2015 Elektrotechnik-Elektronik-Informationstechnik an der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg studiert. Seit 2015 ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Sensorik an der Universität Erlangen-Nürnberg tätig. Seine Forschungsarbeiten umfassen das Design, die Modellierung und die Optimierung von Energy-Harvesting-Applikationen.
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Dominik Gedeon hat von 2005–2011 Elektrotechnik-Elektronik-Informationstechnik an der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg studiert. Seit 2011 ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Sensorik an der Universität Erlangen-Nürnberg tätig. Seine Forschungsarbeiten umfassen Finite-Elemente-basierte Simulationsmethoden zur Optimierung piezoelektrischer Energy-Harvester.
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Manuel Weiß hat von 2008 bis 2014 Mechatronik an der Universität Erlangen-Nürnberg studiert. Seit 2014 ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Sensorik an der Universität Erlangen-Nürnberg tätig. Seine Forschungsarbeiten umfassen die simulationsbasierte Materialcharakterisierung von piezoelektrischen und passiven Materialien sowie adaptiven Werkstoffverbunden.
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Danksagung
Die Autoren danken dem Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie für die finanzielle Unterstützung durch die Förderung des Leistungszentrums für Elektroniksysteme (LZE) und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Förderung der Arbeiten im Rahmen des Transregio TR39 PT-PIESA (Teilprojekt C06).
© 2018 Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston
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- Beiträge
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