Piezoelektrische Energiequellen für low-power Elektronik

Die Anwendungschancen piezoelektrischer Energiequellen wird aus der Sicht eines zu realisierenden Gesamtsystems analysiert. Wie für technische Generatoren gelten für piezoelektrische Generatoren dieselben drei typische Anwendungsfälle. Das sind Generatoren zur dauerhaften Energieversorgung, Generatoren für eine definierte, endliche Versorgung (Batteriebetrieb) und Generatoren für eine einmalige Verwendung, z.B. Airbagtreibgas. Anwendungsfall 1 liegt z.B. bei piezoelektrischen Sensoren vor, einem technischen System, das nur sehr geringe elektrische Energien benötigt, dafür aber dauerhaft. Das zweite Prinzip kann piezoelektrisch umgesetzt werden, wenn die Annahme vorliegt, dass nur eine begrenzte Anzahl von Energieimpulsen notwendig ist (z.B. ein piezoelektrischer Lichttaster). Ein piezoelektrischer Generator nach Prinzip 3 kann z.B. in Alarmtastern verwendet werden, da dieser normalerweise in Ruhe ist und keine Energie benötigt. Für diese drei Anwendungsfälle wird das Materialverhalten beschrieben. Aus dieser Beschreibung geht hervor, dass es notwendig ist, die Werkstoffe anwendungsbezogen auszuwählen. Für piezoelektrische Generatoren wird als vereinfachende Randbedingung elektrischer Kurzschluss über einen Verbraucher angenommen. Damit kann auch die entnehmbare Leistung überschlagmäßig bestimmt werden. Eines der wichtigsten Auswahlkriterien ist die maximal zulässige Druckbelastung. Bei ferroelektrisch weichen und harten Werkstoffen liegen sehr unterschiedliche Koerzitivdrücke vor. Aus dem Koerzitivdruck kann abgeleitet werden bei welcher mechanischen Belastung maximale irreversible Änderung der Materialeigenschaften zu erwarten sind. Ein ähnliches Verhalten ist bei bipolarer Spannungsbelastung im Bereich der Koerzitivfeldstärke beobachtbar. Es wird eine Modellierung über die Methode der elektromechanischen Systeme vorgestellt, die die verschiedenen Materialeigenschaften berücksichtigt und eine ganzheitliche Simulation und Optimierung der mechanischen, piezoelektrischen und elektrischen Teilsysteme erlaubt. Daraus kann eine Bewertung des Gesamtsystems einschließlich der verschiedenen elektrischer Anpassstufen im Vorfeld der technologischen Umsetzung erfolgen.