ELENA Gedruckte Elastische Energieharvester für energieautarkes Condition Monitoring

Im Forschungsprojekt ELENA soll deshalb ein polymerbasierter Energy-Harvester entwickelt werden, der sowohl triboelektrische als auch piezoelektrische Effekte integriert, um aus den Vibrationen der Produktionsanlagen Energie zu gewinnen. Der Kernaspekt des Projekts ist dabei die Verwendung hauchdünner elastischer Membranen, die sowohl für eine große Auslenkung bei kleiner mechanischer Anregung sorgen, als auch eine hohe Packungsdichte der aktiven Schichten des Energiewandlers erlauben (Stacking). Die Integration der Materialien erfolgt dabei mittels Siebdruck des ferroelektrischen Polymers P(VDF-TrFE auf
elastische Substratmembranen mit heißgeprägten Strukturen für die simultane Nutzung piezo- und triboelektrischer Effekte. Die Verwendung von kostengünstigen und skalierbaren Herstellungsprozessen, welche mit einer Rolle-zu-Rolle Fertigung kompatibel sind, soll es in zukünftigen CM Anwendungen erlauben eine große Anzahl von Sensoren und/oder Sensorknoten in verteilten Sensornetzwerken mit Energie bei wettbewerbsfähigen Kosten zu versorgen.
Die Zielsetzung von >500 μW bereitgestellter Leistung im Zeitmittel, als auch die Robustheit und Langlebigkeit der Sensoren werden im Rahmen des Projekts im Einsatz an realen Anlagen überprüft. Dabei erfolgt eine tiefgehende Analyse der Wandlungseffizienz in Abhängigkeit der Vibrationscharakteristik (Vibrationsachsen, Frequenz, Amplitude).

Ausgangssituation

Im Bereich des Condition Monitoring (CM) und der Predictive Maintanance (PM) können in Zukunft neue Möglichkeiten der Datenanalyse genutzt werden um große Sparpotentiale im Energie- und Ressourcenverbrauch zu heben. Diese Anwendungen erfordern jedoch den Einsatz einer großen Anzahl an Sensoren und deren Einsatz in verteilten Sensornetzwerken an der Produktionsanlage. Während die Entwicklung stromsparender Sensoren und energiearmer Funkübertragung bereits weit vorangeschritten ist, stellt die Energieversorgung dieser Sensorknoten weiterhin ein Problem dar, da kabelgebundene Lösungen einen hohen Installationsaufwand erfordern oder aufgrund der Anbringung von Sensoren an rotierenden Bauteilen nicht möglich sind. Verschiedene Möglichkeiten die Energie direkt aus der Umgebung des Sensors zu gewinnen werden daher seit einiger Zeit unter dem Schlagwort
„Energy-Harvesting“ erforscht. Lösungen, die aus der Vibration von Produktionsanlagen eine Leistung von 500 μW-10 mW bereitstellen, welche für die kontinuierliche Datenübertragung notwendig ist, sind aber auch heutzutage noch nicht verfügbar.