Vibrationsbasierte Energiewandler

Vibrationsbasierte Energiewandler
Prof. Dr.-Ing. Ingo Kühne, Dipl.-Ing. Li Sun
Labor Technologien der Mikroenergiegewinnung und -speicherung
Beschreibung
Der Laborversuch „Vibrationsbasierte Energiewandler“ ermöglicht den Studierenden ein tiefergehendes Verständnis der resonanten Energiewand‐
lung. Ein vibrationsbasierter Energiewandler hat die Aufgabe mechanische Energie – z.B. in Form von Vibrationen – in elektrische Energie zu
wandeln.
Der hier vorliegende Energiewandler arbeitet nach dem induktiven Prinzip, bei dem durch eine Relativbewegung eines Permanentmagneten zu ei‐
ner festen Spule eine elektrische Spannung in ebendieser induziert wird. Die so gewonnene elektrische Energie wird in einem Kondensator zwi‐
schengespeichert und steht als geregelte Ausgangsspannung für einen geeigneten elektrischen Verbraucher zur Verfügung.
Es ist somit u.a. möglich Vibrationen (z.B. einer Waschmaschine, einer Pumpe) für den Betrieb energieautarker Sensorsysteme nutzbar zu machen.
Laborversuch
Induktiver Energiewandler1
Schwingtisch
Laboraufbau inklusive Schwingtisch (stellt die Vi‐
bration zur Verfügung), Verstärker, Controller und Ansteuerrechner.
Schwingtisch mit fest montiertem, induktiven Ener‐
giewandler, der in senkrechter Richtung zu Vi‐
brationen ange‐
regt wird.
Induktiver Energiewandler ausgelegt als resonantes Feder‐Masse‐Dämpfer System. Aufgaben
•
•
•
•
•
•
•
Numerische Simulation (COMSOL) der Eigenfrequenzen des Energiewandlers.
Zusammenbau des induktiven Energiewandlers je nach geforderter Eigenfrequenz.
Bestimmung des Zusammenhangs zwischen Beschleunigung und Ausgangsspannung.
Bestimmung des Frequenzverhaltens (Resonanzverlauf) des Energiewandlers.
Bestimmung der optimalen Lastimpedanz des Energiewandlers. Ermittlung der Kapazität des Speicherkondensators.
Ermittlung weiterer Ausgangsgrößen (gleichgerichtetes, gepuffertes, geregeltes Signal).
Ergebnisse
FEM‐Netzmodell
2. Eigenmode (340Hz)
1. Eigenmode (55Hz)
3. Eigenmode (805Hz)
Nummerische Simulationen ermöglichen die theoretische Abschätzung der Grundmode (1. Eigenmode) des induktiven Energiewandlers.
Quellen:
1 HSG‐IMIT: Abschlussbericht_EduKit_v1, Villingen‐Schwenningen, 2014.
Der Energiewandler liefert im resonanten Betrieb (also bei Anregung im Bereich der Grundmode) seine größte Ausgangsspannung und damit maxi‐
male elektrische Ausgangsleistung.
Optimale Lastimpedanz des Energiewandlers: Eine maximale Leistungsausbeute erfordert eine Anpassung der Lastimpedanz des elektrischen Verbrauchers.