Zeitschrift für Elektrotechnik und Elektronik

Ein Überblick über vibrationsbasierte breitbandige elektromagnetische Energieerzeuger

Hamid Khan

Vibrationsbasierte elektromagnetische Energieerzeuger (VEMEHs) zur Stromversorgung von drahtlosen Sensorknoten (WSNs) und Geräten mit geringem Stromverbrauch stoßen als alternative Energiequelle auf großes Forschungsinteresse. Eine der Hauptbeschränkungen bei der Anwendung dieser Energieerzeuger als Ersatz für Batteriesysteme ist ihre Abhängigkeit von der begrenzten Bandbreite an Betriebsfrequenzen. In diesem Artikel werden die aktuellen Fortschritte im Bereich der Breitband-VEMEHs beleuchtet. Alle diese VEMEHs wurden anhand ihrer Betriebsfrequenzen, Frequenzbandbreite, Gesamtvolumen, Ausgangsspannung, des Wertes der verfügbaren Ausgangsleistung, Leistungsdichte und des Vibrationsniveaus, dem diese Energieerzeuger ausgesetzt sind, untersucht und gemeldet. Darüber hinaus werden die gemeldeten VEMEHs anhand ihres Betriebsmechanismus kategorisiert, d. h. entweder resonant oder nicht resonant. Der Hauptfokus liegt hier auf dem Betriebsfrequenzbereich und der Frequenzbandbreite, in der der Energieerzeuger eine ausreichende Menge an Ausgangsleistung erzeugen kann, die zum Betrieb entfernter WSNs verwendet werden könnte. Die gemeldeten VEMEHs umfassen Energieerzeuger mit einem winzigen Volumen von 0,032 cm3 bis zu ca. 1600 cm3. Beim Vergleich auf der Grundlage der Ausgangsspannung konnten die gemeldeten VEMEHs Ausgangsspannungen von 0,13 mV bis zu 5700 mV erzeugen. Ebenso erzeugen die gemeldeten VEMEHs Ausgangsleistungen von 0,00096 μW bis 74000 μW. Die gemeldeten VEMEHs haben Leistungsdichten im Bereich von 0,50 x 10-6 μW/cm3 bis 1073 μW/cm3. Die Leistung pro Beschleunigung der gemeldeten VEMEHs liegt im Bereich von 16,012 x 10 -6 μW/g bis 129824 μW/g. Darüber hinaus haben die gemeldeten VEMEHs Leistungsdichten pro Beschleunigung im Bereich von 0,500 x 10-6 μW/g.cm3 bis 1877 μW/g.cm3. Basierend auf der Gesamtgröße des Geräts und der daraus resultierenden Ausgangsleistung wurde in dieser Literatur von einem 1 cm³-Harvester mit einer durchschnittlichen Ausgangsleistung von 0,75 μW bis zu einem 68,96 cm³-Harvester mit einer Spitzenausgangsleistung von 74 mW berichtet. Der Vergleich erfolgte auf der Grundlage von Betriebsfrequenzbereich, Frequenzbandbreite, Gerätegröße, Ausgangsleistung, Betriebsbeschleunigung, Leistung pro Beschleunigung und Leistungsdichte der berichteten breitbandigen elektromagnetischen Energieharvester (EMEHs).