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Neue Modelle für intelligente Energiegewinnung

EU-finanzierte Wissenschaftler entwickelten analytische und rechnerische Instrumente für die Analyse einer neuen Klasse piezoelektrischer Systeme zur Gewinnung erneuerbarer Energien.
Neue Modelle für intelligente Energiegewinnung
Ziel dabei war, die Energie für elektrische Geräte aus der Umwelt zu gewinnen, sodass keine externe Stromquelle benötigt wird. Die Grundidee des Projekts FSI-HARVEST (Numerical modelling of smart energy harvesting devices driven by flow-induced vibrations) war es, die vorhandene Strömungsenergie zu nutzen und nicht mehr, wie bei herkömmlichen Methoden, immer die gefährliche Interaktion zwischen Bauteil und umgebender Flüssigkeit vermeiden zu müssen. So werden potenziell schädliche Fluktuationen genutzt, um in geringen Mengen Strom für kleine Elektrogeräte zu erzeugen.

Mögliche Anwendungen sind elektromechanische Mikrosysteme, Überwachungssensoren an entfernten Standorten oder sogar medizinische In-vivo-Geräte, die unabhängiger von lokalen Energiespeichern sind und auch weniger gewartet werden müssen.

Diese Energieumwandlungstechnologie beruht auf der Wechselwirkung zwischen Struktur und umgebender Flüssigkeit, der im Material akkumulierten elektrischen Ladung und einem elektrischen Steuerschaltkreis. Um die beobachtbaren Eigenschaften solcher Geräte genauer analysieren zu können sowie Robustheit und Leistungsfähigkeit zu verbessern, entwickelte FSI-HARVEST mathematische Modelle für das komplexe physikalische System und spezielle numerische Techniken für robuste systematische Berechnungsanalysen.

Die Wissenschaftler lösten Differentialgleichungen mit der Methode der gewichteten Residuen. Die Näherungslösungen wurden aus einer Variante der Finite-Elemente-Methode für die räumliche und einem diskontinuierlichen Galerkin-Ansatz für die zeitliche Bestimmung abgeleitet. Das hoch-nichtlineare mathematische Modell wird mit Hilfe des Newton-Raphson-Verfahrens aufgelöst, das auf alle beteiligten physikalischen Felder anwendbar ist.

Computergestützte Analysen ergänzten diesen Ansatz und validierten die mathematischen Modelle. Die Wissenschaftler entwickelten ein einzigartiges Frequenzdomänenmodell zur vollständigen Analyse der elektromechanischen Schaltung, das in nur einem Schritt die optimalen Betriebszustände für eine gegebene Mähdrescher-Einstellung und erzeugte Leistung ermittelt. Insgesamt testete das Team für verschiedene Konfigurationen strukturelle Anregungsmechanismen und deren Wechselwirkung mit der umgebenden Flüssigkeit.

Mit diesen numerischen Analysen zum Gesamtsystem konnte FSI-HARVEST Möglichkeiten für eine optimale Konstruktion dieser intelligenten Energieerzeuger eruieren, wenn die Stromversorgung je nach Umgebungsbedingungen variiert.

Verwandte Informationen

Fachgebiete

Life Sciences

Schlüsselwörter

Energiegewinnung, Rechenwerkzeuge, piezoelektrisch, erneuerbare Energien, FSI-HARVEST
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