Alternative Stromversorgung für WLAN-Technik
Schwingungsenergieabgriff (Vibrational energy harvesting, VEH) mit mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) hilft wartungsfreier und langlebiger drahtloser Elektronik wie autonomen Sensoren. Allerdings können Vibrationen in einem engen Frequenzbereich auftreten, und die Energy Harvester könnten aus diesen Frequenzen nicht lange genug Leistung herausziehen. Das EU-geförderte Projekt "Nonlinear energy harvesting solutions for micro- and nano-technologies" (NEHSTECH) versuchte diese Einschränkungen mit einem innovativen Ansatz zu überwinden. Um die Bandbreite von Mikroenergie-Harvestern zu erweitern, verwendeten die Wissenschaftler elastische Stopfen, nichtlineare Federn und bi-stabile mechanische Oszillatoren. Da piezoelektrische und elektromagnetische Wandler noch immer recht sperrig sind, konzentrierte sich das Projekt auf elektrostatische Schwingungsharvester, die für die Umsetzung im MEMS-Maßstab besser geeignet sind. Die wissenschaftliche Arbeit führte zu einer Silizium-MEMS-VEH Prototyp mit elektrostatischen lückenschließenden Kämmen. Die Bistabilität von Silikonmasse wurde durch eine Vorspannung gesteuert, die einen weichmachenden Effekt auf die effektive Steifigkeit der mechanischen Suspensionen ausübt. Elastische Stopper dienten dazu, die kinetische Energie zurückzuhalten und die Probemasse und Mikroballgeschwindigkeit bei Kollisionen zu erhöhen. Die Wissenschaftler maßen die mechanischen und elektrischen Leistungsspektraldichten (PSD) für unterschiedliche ohmsche Lasten und unter einer Vielzahl von realistischen Vibrationseingängen (Rauschen, Sinus, Impuls etc.). Bei sehr niedrigen Frequenzen wiesen die MEMS-Harvester eine Leistungsverstärkung um den Faktor 5 auf im Vergleich mit bestehenden linearen MEMS Generatoren mit Einzelmasse. Die Fähigkeit von MEMS-Harvestern bei sehr niedrigen Frequenzen zu arbeiten, macht sie zu wichtigen Anwendungen. Dazu gehört auch die Speisung von Herzschrittmachern aus menschlichen Bewegungen oder Überwachung von Brücken durch selbsttragende Funksensorknoten. Der erste Prototyp des Projekts war nicht vollständig optimiert und weitere Arbeit ist zu tun, um seine Leistung zu verbessern.
Schlüsselbegriffe
Energy Harvesting, Leistungsdichten, Batterien, Schwingungsenergie, Ernte, mikroelektromechanische System, Funk-Elektronik, Bandbreite, elektrostatische Schwingung Mähdrescher, Stromleistung
