LBF: Piezoelektrete als Wandlermaterialien

Mit steigender Digitalisierung, steigt auch der Bedarf an energieautarken Sensorsystemen, die eine kontinuierliche und zuverlässige Datenerfassung gewährleisten Die effiziente Nutzung der dafür notwendigen Energie gewinnt dabei zunehmend an Bedeutung. Forscher aus dem Fraunhofer LBF haben auf Basis von Piezoelektreten neuartige Energy Harvesting Systeme konzipiert. Die eingesetzten Wandlermaterialien sind eine alternative, ressourcenschonende Lösung gegenüber konventionellen Energiespeichern, die hohe Wartungskosten verursachen und als nicht langlebig gelten. Perspektivisch können Energy Harvesting Systeme für die Versorgung von Sensor dienen, die an schwer zugänglichen Orten installiert sind oder als großflächig verteiltes Sensornetzwerk eingesetzt werden. Auch für Gesundheits-Tracker, die implantiert oder in Form von Wearables nah am Körper getragen werden, und ein zuverlässiges, engmaschiges Monitoring gewährleisten müssen.

Konventionell werden Batterien und Akkumulatoren als Energiespeicher für Sensoren genutzt. Jedoch unterliegen diese Arten von Energiespeichern diversen Einschränkungen, beispielsweise begrenzte Lebensdauer und ungenügende Speicherkapazität. Regelmäßiges Wechseln und Aufladen kostet Zeit und Geld und schränkt den Einsatz an schwer zugänglichen Orten, wie Offshore-Windkraftanlagen, ein. Auch in großflächig verteilten Sensornetzwerken, beispielsweise im Kontext von »Smart Home« oder bei Gesundheits-Trackern ist ihr Nutzen begrenzt, da eine kontinuierliche Versorgung nicht möglich ist.

Daher sind Energy Harvesting Systeme basierend auf dem piezoelektrischen Effekt eine vielversprechende Lösung für die Implementierung von energieautarken Systemen. Konventionelle Wandlermaterialien wie PZT oder PVDF sind aufgrund ihrer Materialeigenschaften sowie unzureichender Effizienz nur bedingt für Energy Harvesting geeignet. Durch die hohe Flexibilität, die geringe Flächendichte und die daraus resultierende geringe Masse sind Piezoelektrete vorteilhaft, um in Textilien integriert zu werden und gleichzeitig den Tragekomfort nicht zu beeinträchtigen.

Weiterhin können diese Werkstoffe in gekrümmte oder gewinkelte Strukturen integriert werden, um diese zu funktionalisieren. Insbesondere sind ebenfalls Anwendungen aus dem Bereich des Leichtbaus, z. B. schwingungsbasiertes Energy Harvesting, interessant, wenn komplexe Strukturen funktionalisiert werden sollen.