Vibrationsbetriebener Generator - Vibration-powered generator
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Ein vibrationsbetriebener Generator ist eine Art elektrischer Generator , der die kinetische Energie von Vibrationen in elektrische Energie umwandelt. Die Vibration kann von Schalldruckwellen oder anderen Umgebungsvibrationen stammen.
Vibrationsbetriebene Generatoren bestehen normalerweise aus einem Resonator, der verwendet wird, um die Vibrationsquelle zu verstärken, und einem Wandlermechanismus , der die Energie aus den Vibrationen in elektrische Energie umwandelt. Der Wandler besteht normalerweise aus einem Magneten und einer Spule oder einem piezoelektrischen Kristall.
Elektromagnetische Generatoren
Generatoren auf elektromagnetischer Basis verwenden das Faradaysche Induktionsgesetz , um die kinetische Energie der Schwingungen in elektrische Energie umzuwandeln. Sie bestehen aus Magneten, die an einer flexiblen Membran oder einem Kragträger befestigt sind, und einer Spule. Durch die Schwingungen ändert sich der Abstand zwischen Magnet und Spule, wodurch sich der magnetische Fluss ändert und eine elektromagnetische Kraft erzeugt wird. Im Allgemeinen wird die Spule aus einem diamagnetischen Material hergestellt, da diese Materialien schwächere Wechselwirkungen mit dem Magneten haben, die die Vibration dämpfen würden. Der Hauptvorteil dieses Generatortyps besteht darin, dass er mehr Leistung erzeugen kann als die piezoelektrischen Generatoren. Vibrationsbetriebene Generatoren auf elektromagnetischer Basis wurden kommerzialisiert.
Entwicklung und Anwendungen
Ein Miniaturgenerator für elektromagnetische Vibrationsenergie wurde 2007 von einem Team der University of Southampton entwickelt. Dieses spezielle Gerät besteht aus einem freitragenden Balken, an dessen Ende ein Magnet befestigt ist. Der Strahl bewegt sich auf und ab, wenn das Gerät Vibrationen aus der Umgebung ausgesetzt ist. Dieses Gerät ermöglicht die Stromversorgung von Sensoren an schwer zugänglichen Stellen, ohne dass elektrische Kabel oder Batterien ausgetauscht werden müssen. Sensoren an unzugänglichen Stellen können nun ihren eigenen Strom erzeugen und Daten an externe Empfänger übermitteln . Der Generator wurde für den Einsatz in Luftkompressoren entwickelt und kann Dinge in Umgebungen mit starken Vibrationen mit Strom versorgen, wie beispielsweise Sensoren an Maschinen in Produktionsanlagen oder Sensoren, die den Zustand von Brücken überwachen. Eine der größten Einschränkungen des an der University of Southampton entwickelten magnetischen Vibrationsenergie-Harvesters ist die Größe des Generators. Mit etwa einem Kubikzentimeter wäre dieses Gerät viel zu groß, um in modernen elektronischen Geräten verwendet zu werden. Zukünftige Verbesserungen der Größe des Geräts könnten es zu einer idealen Stromquelle für medizinisch implantierte Geräte wie Herzschrittmacher machen . Laut dem Team, das das Gerät entwickelt hat, würden die Vibrationen der Herzmuskeln ausreichen, um den Generator einen Herzschrittmacher anzutreiben. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, die Batterien chirurgisch auszutauschen.
2012 entwickelte eine Gruppe der Northwestern University einen schwingungsbetriebenen Generator aus Polymer in Form einer Feder. Dieses Gerät war in der Lage, die Energie aus Vibrationen mit den gleichen Frequenzen wie das freitragende Gerät der University of Southampton-Gruppe zu gewinnen, aber mit etwa einem Drittel der Größe des anderen Geräts.
Piezoelektrische Generatoren
Piezoelektrische Generatoren verwenden dünne Membranen oder Kragträger aus piezoelektrischen Kristallen als Wandlermechanismus. Wird der Kristall durch die kinetische Energie der Schwingung belastet, entsteht durch den piezoelektrischen Effekt ein kleiner Strom. Diese Mechanismen sind in der Regel sehr einfach mit wenigen beweglichen Teilen und neigen dazu, eine sehr lange Lebensdauer zu haben. Dies macht sie zur beliebtesten Methode, um die Energie aus Schwingungen zu gewinnen. Diese Mechanismen können mit dem MEMS- Fertigungsprozess hergestellt werden, wodurch sie in sehr kleinem Maßstab hergestellt werden können. Die Möglichkeit, piezoelektrische Generatoren in einem so kleinen Maßstab herzustellen, ist der Hauptvorteil dieses Verfahrens gegenüber elektromagnetischen Generatoren, insbesondere wenn der Generator entwickelt wird, um mikroelektronische Geräte zu versorgen . Ein piezoelektrischer Vibrationsgenerator wurde kommerzialisiert.
Entwicklung und Anwendungen
Ein in Entwicklung befindlicher piezoelektrischer Generator verwendet Wassertröpfchen am Ende eines piezoelektrischen Auslegerträgers. Die Wassertropfen hängen am Ende des Balkens und werden durch die kinetische Energie der Schwingungen angeregt. Dies führt dazu, dass die Wassertropfen schwingen, was wiederum dazu führt, dass der Balken, an dem sie hängen, nach oben und unten abgelenkt wird. Diese Auslenkung ist die Dehnung, die durch den piezoelektrischen Effekt in Energie umgewandelt wird. Ein großer Vorteil dieser Methode besteht darin, dass sie auf einen weiten Bereich von Anregungsfrequenzen zugeschnitten werden kann. Die Eigenfrequenz des Wassertropfens ist eine Funktion seiner Größe; daher ermöglicht eine Änderung der Größe des Wassertröpfchens die Anpassung der Eigenfrequenz des Tröpfchens und der Frequenz der Druckwelle, die in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Anpassung dieser Frequenzen erzeugt die größte Amplitudenschwingung des Wassertropfens, was zu einer großen Kraft und einer größeren Belastung des piezoelektrischen Balkens führt.
Eine andere Anwendung versucht, die während des Fluges in Flugzeugen erzeugten Vibrationen zu nutzen, um die Elektronik im Flugzeug mit Strom zu versorgen, die derzeit auf Batterien angewiesen ist. Ein solches System würde eine zuverlässige Energiequelle ermöglichen und den Wartungsaufwand reduzieren, da Batterien nicht mehr ausgetauscht werden müssen und piezoelektrische Systeme eine lange Lebensdauer haben. Dieses System wird mit einem Resonator verwendet , der es dem Luftstrom ermöglicht, einen stetigen Ton mit hoher Amplitude zu bilden. Das gleiche Prinzip wird bei vielen Blasinstrumenten verwendet und wandelt den vom Musiker bereitgestellten Luftstrom in einen lauten Dauerton um. Dieser Ton wird als Schwingung verwendet, die vom piezoelektrischen Generator von kinetischer in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese Anwendung befindet sich noch in der Anfangsphase der Entwicklung; Das Konzept hat sich an einem maßstabsgetreuen Modell bewährt, aber das System muss noch optimiert werden, bevor es im großen Maßstab getestet wird.