Model based enhancement of an autonomous system with a piezoelectric harvester

''Energy Harvester`` wandeln Umgebungsenergie in nützliche elektrische Energie. Zur Berechnung der elektromechanischen Charakteristik eines piezoelektrischen ''Energy Harvesters" wird ein auf Materialeigenschaften, Geometrie und Randbedingungen basierendes analytisches Modell vorgestellt. Dieses dient als Basis für ein weiteres Modell, welches den Betrieb eines autonomen Systems beschreibt. Die theoretischen Arbeiten werden mit Laborversuchen validiert. Es zeigt sich, dass der piezoelektrische Harvester im eingeschwungenen Zustand durch den Gleichrichtungsvorgang zwei abwechselnde Lastzustände erfährt. Dies führt zu nichtlinearem Verhalten des Harvesters, besonders wenn die angeschlossene Last eine geringe Impedanz hat. Desweiteren zeigen die Ergebnisse, dass ein solches autonomes System effizient arbeitet, wenn es an eine Last mit hoher Impedanz angeschlossen ist und bei einer der Antiresonanzfrequenz des piezoelektrischen Harvesters entsprechenden Frequenz angeregt wird.Das Modell des autonomen Systems wird auf ein System mit mehreren piezoelektrischen Wandlern erweitert. Zur praktischen Implementierung eines solchen Systems wird eine Technik zur Frequenzeinstellung eingeführt, da die optimalen Betriebsfrequenzen der einzelnen Wandler aufeinander abgestimmt werden müssen. Die Einstellung erfolgt, indem die Entfernung zwischen zwei Permanentmagneten und damit deren Anziehungskraft, welche die Steifigkeit des Harvesters beeinflusst, angepasst wird. Diese Technik zur Frequenzeinstellung wird modelliert und experimentell validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Frequenzeinstellung mittels Permanentmagneten eine einfache und zugleich effektive Lösung für das Problem der Frequenzanpassung piezoelektrischer ''Energy Harvester" darstellt. Energy harvesters convert ambient energy into useful electrical energy. An analytical model for calculating the electromechanical characteristics of a piezoelectric harvester based on the material properties, geometry and boundary conditions is presented. This model is the basis for a further model which describes the operation of an autonomous system powered by a piezoelectric harvester. This theoretical work is validated by corresponding laboratory experiments. It is found that, in steady-state operation, the piezoelectric harvester experiences two alternating load conditions due to the rectification process. These load conditions make the system behave nonlinearly, especially if the connected electrical load is of low impedance. Furthermore, the results show that such an autonomous system works efficiently if it is connected to a high impedance load and excited at a frequency matching the anti-resonance frequency of the piezoelectric harvester.The model of an autonomous system is extended to describe a system with multiple piezoelectric transducers. For implementing such a system, the optimum operation frequencies of the individual transducers must be adjusted. Therefore, a frequency tuning method is introduced. The tuning is accomplished by adjusting the distance between two permanent magnets and thus changing the attracting force between them in order to affect the structural stiffness of the harvester. This tuning method is modeled and validated experimentally. The results show that frequency tuning using permanent magnets is a simple and effective solution for the frequency adjustment of piezoelectric energy harvesters.