Nutzung von neuartigen nanoporigen, piezoelektrischen Wandlermaterialien in Strömungs-Energy-Harvester

Abstract:
In piezoelektrischen Materialien bestimmt das Verhältnis von piezoelektrischem Koeffizienten zu Permittivität den Wirkungsgrad der Energiewandlung. Ein Schwerpunkt dieser Untersuchungen ist die Nutzung nanoporiger piezoelektrischer Wandlermaterialien auf Basis von KJO3, welche ein besonders günstiges Verhältnis von piezoelektrischen Koeffizienten und Permittivität im Vergleich zu den klassisch verwendeten piezoelektrischen Materialien wie Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) oder Barium Titanat (BT) aufweisen. Durch die Bindung der piezoelektrischen KJO3 Kristalle in einer nanoporigen Al2O3 Schicht ist es gelungen die stark wasserlöslichen Kristalle in dünnen Schichten technisch zu nutzen. In den hier vorgestellten Untersuchungen wird dieses piezoelektrische Material erstmalig für die Energieerzeugung in Strömungs-Energy-Harvestern eingesetzt. Ein Teil der Arbeiten befasst sich deshalb mit der entsprechenden Integration des piezoelektrischen nanoporigen Materials in die Si-Prozesstechnologie. Das mikroskopische Harvesting System besteht aus einer Vielzahl kleiner nebeneinander angeordneter Biegewandler. Diese werden durch sich an einem Störkörper ablösende Wirbel zur Schwingung angeregt. Eine effiziente Energiewandlung ist bei Oszillation der Biegewandler mit ihrer Resonanzfrequenz, bei weitgehender Unabhängigkeit von der externen Anregung, gewährleistet. Messungen im Windkanal haben gezeigt, dass die Biegewandler unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit stets mit ihrer Resonanzfrequenz schwingen und damit keine Anpassung an die äußere Erregung benötigen. Da die einzelnen Biegewandler im Array mit unterschiedlichen Phasenlagen schwingen können, ist deren separate elektronische Beschaltung erforderlich. Dies würde zu einem unvertretbar hohen Aufwand führen, wenn die Zahl der Wandler im Array ansteigt. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeiten ist deshalb die Synchronisation der einzelnen Biegewandler. Durch Versuche an einer makroskopischen Biegewandleranordnung konnte die Synchronisation mit Hilfe eines mechanischen Überhangs erfolgreich erreicht werden. Dabei konnte gezeigt werden, dass Material und Position des Überhangs einen entscheidenden Einfluss auf die Synchronisation der Biegewandler haben.