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

Philipp Dorsch; Sebastian Geyer; Dominik Gedeon; Florian Hubert; Stefan J. Rupitsch

doi:10.1515/teme-2017-0140

Article

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

Philipp Dorsch
M.Sc. 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.
, Sebastian Geyer
M.Sc. Sebastian Geyer studierte von 2010 bis 2014 an der Universität Bayreuth Engineering Science und von 2014 bis 2017 an der Universität Erlangen-Nürnberg Mechatronik. Im Rahmen seiner Masterarbeit am Lehrstuhl für Sensorik an der Universität Erlangen-Nürnberg beschäftigte er sich mit dem Thema Piezoelektrische Energy-Harvester für den Sportbereich.
, Dominik Gedeon
Dipl.-Ing. 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.
, Florian Hubert
M.Sc. Florian Hubert hat von 2010 bis 2016 Elektrotechnik an der Universität Erlangen-Nürnberg studiert. Seit 2016 ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Sensorik an der Universität Erlangen-Nürnberg tätig. Seine Forschungsarbeiten umfassen piezoelektrisches Energy-Harvesting und Leistungselektronik.
and Stefan J. Rupitsch
Dr. techn. 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.

Published/Copyright: March 10, 2018

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From the journal tm - Technisches Messen Volume 85 Issue 4

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 5Hz 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.

Abstract

We present a design approach of an energy harvesting system generating energy from human movements, e. g., in Sports. The power spectral density of an athlete’s acceleration during sports reveils, that the eigenfrequency of the harvesting system must be lower than 5Hz to be able to gather ambient energy efficiently. That is why, the principle of contact-based frequency upconversion (FUC) is exploited to design a harvester which features compact dimensions and a low eigenfrequency at the same time. By applying this principle, a primary oscillator is used, whose eigenfrequency is tuned in accordance with the highest energy generating potential. The energy is then transfered to a secondary oscillator, e. g., through mechanical contact, which deals with the transformation of mechanical into electrical energy by means of the piezoelectric effect. In this article, the primary and secondary oscillators are built up according to analytic design- and optimization-criteria. A suitable energy extraction circuit completes the energy harvesting system. Furthermore, the system behavior of each part and of the entire system is evaluated by both, measurements as well as simulations. The measurement and simulation results reveil the energyconversion factors and prove the functionality of the system.

Schlagwörter: Energy-Harvesting im Sport; Frequency-Upconversion; Piezoelektrizität.

Keywords: Energy harvesting in sports; frequency upconversion; piezoelectricity.

About the authors

Philipp Dorsch

M.Sc. 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.

Sebastian Geyer

M.Sc. Sebastian Geyer studierte von 2010 bis 2014 an der Universität Bayreuth Engineering Science und von 2014 bis 2017 an der Universität Erlangen-Nürnberg Mechatronik. Im Rahmen seiner Masterarbeit am Lehrstuhl für Sensorik an der Universität Erlangen-Nürnberg beschäftigte er sich mit dem Thema Piezoelektrische Energy-Harvester für den Sportbereich.

Dominik Gedeon

Dipl.-Ing. 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.

Florian Hubert

M.Sc. Florian Hubert hat von 2010 bis 2016 Elektrotechnik an der Universität Erlangen-Nürnberg studiert. Seit 2016 ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Sensorik an der Universität Erlangen-Nürnberg tätig. Seine Forschungsarbeiten umfassen piezoelektrisches Energy-Harvesting und Leistungselektronik.

Stefan J. Rupitsch

Dr. techn. 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.

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).

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Received: 2017-12-22

Revised: 2018-2-27

Accepted: 2018-2-27

Published Online: 2018-3-10

Published in Print: 2018-4-25

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Energy harvesting in sports; frequency upconversion; piezoelectricity.