Piezoelektrisches Energy Harvesting

[Kai (Gast)]

Hallo zusammen,

derzeit beschäftige ich mich mit der Entwicklung eines Energy Harvesting 
Systems. Dazu habe ich mir verschiedene Piezoelemente gekauft und diese 
nacheinander an der Maschine befestigt, an welcher sie später Energie 
gewinnen sollen. Nach der Gleichrichtung der erzeugten Wechselspannung 
habe direkt ein Oszilloskop angeschlossen und den Verlauf der Spannung 
erfasst. Jetzt habe ich die Messreihen ausgewertet und den Piezo mit der 
höchsten durchschnittlichen Spannung für weitere Messungen ausgewählt.

Um nun die Leistung zu ermitteln habe ich den Piezo über 
unterschiedliche Widerstände kurzgeschlossen und über dem Widerstand 
wieder den Verlauf der Spannung aufgezeichnet. Dadurch, dass ich den 
Widerstand kenne und die Spannung gemessen habe, habe ich mir mit I=U/R 
den Strom errechnet. Anschließend habe ich durch P=U*I die Leistung des 
Piezos bei unterschiedlichen Widerständen berechnet.

Nun zu meiner Frage: Kann man die Leistung eines Piezos so messen, wie 
ich es getan habe? Und ist der Vergleich der Piezos durch Vergleich der 
erzeugten Spannungen ausreichend? Oder müsste ich vielmehr die 
Leistungen vergleichen, wenn ich eine maximale Energiemenge gewinnen 
möchte (wobei eine höhere Spannung des Piezos doch auch zu einer höheren 
Leistung führt?)?

Besten Dank für euren Rat,
Kai

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Kai schrieb:
> Kann man die Leistung eines Piezos so messen, wie
> ich es getan habe?

Sicher. Die Frage ist nur, welche Aussagekraft das Ergebnis hat. Ein 
Fahrrad wird auch 300km/h schnell - wenn man es aus einem Flugzeug 
abwirft. Nur ist das eben kein relevantes Test-Szenario.

> ... müsste ich vielmehr die
> Leistungen vergleichen, wenn ich eine maximale Energiemenge gewinnen
> möchte

Ja. Und zwar unter Berücksichtigung des echten Verbrauchers. In der 
Realität sind die wenigsten Verbraucher ohmsche Widerstände.

[Vka (Gast)]

Du hast ja die Kennlinien, ich kann das grade aus dem Kopf nicht 
einschätzen.
Lohnt sich MPTT einzusetzen?
Bzw. was soll versorgt werden, wahrscheinlich eine Ladeschaltung für 
Akku/Supercap?
Ich würde bei der Auswahl auch auf die Last achten. Es kann sich lohnen 
einen Piezo zu wählen, der z.B. in einem größeren Strombereich noch 
sinnvolle Spannungen liefert und so besser zur Ladekurve der Akkus 
passt.
Wenn ein Schaltwandler mit konstanter Last dran hängt wäre es wiederum 
sinnvoller dafür einen guten Arbeitspunkt zu finden.
Also wie so oft, es kommt drauf an. Hohe Spannung verspricht zwar 
erstmal mehr Energie, wenn die aber sofort zusammen bricht sobald die 
Last anlaufen will bringt das auch nichts..

[U. M. (oeletronika)]

Hallo,
> Kai schrieb:
>
> Jetzt habe ich die Messreihen ausgewertet und den Piezo mit der
> höchsten durchschnittlichen Spannung für weitere Messungen ausgewählt.
Und was soll das bringen? Hohe Spannung bei Strom = 0 ist immer noch 
Leistung = 0.

> Um nun die Leistung zu ermitteln habe ich den Piezo über
> unterschiedliche Widerstände kurzgeschlossen
Kurzschluss ist per Definition die Beschaltung mit Lastwiderstand = 0 
Ohm!
Praktisch bedeutet es Laststrom nahe 0 Ohm bzw. der Lastwiderstand ist 
um Größenordnungen kleiner als der Innenwiderstqnd der Quelle.
Was bei dir nun aber unterschiedliche Kurzschlusswiderstände sein 
sollen, das bleibt wohl dein Geheimnis.
Zumindest hast du nun aber die Leerlaufspannung und den angenommenen 
"Kurzschlußstrom" (oder Laststrom mit unterschiedlichen 
Lastwiderstandswerten). Daraus kannst du auch unter Annahme eines 
halbwegs linearen Zusammenhanges den Innenwiderstand der Quelle und die 
Leistung der Quelle berechnen.

> Widerstand kenne und die Spannung gemessen habe, habe ich mir mit I=U/R
> den Strom errechnet. Anschließend habe ich durch P=U*I die Leistung des
> Piezos bei unterschiedlichen Widerständen berechnet.
Welche "U" und "I".
Da sind die Leerlaufspannung und der Kurzschlusstrom, aber auch die 
Kurzschlusspannung (die faktisch keine ist, weil ja über den Widerstand 
eine Spannung abfällt).

> Nun zu meiner Frage: Kann man die Leistung eines Piezos so messen, wie
> ich es getan habe?
Im Prinzip schon, nur schreibst du nicht korrekt, was du gemessen hast 
und was du woraus errechnest.
Leerlaufspannung und Kurzschlusstrom führen zur max. Leistung, die im 
Innenwiderstand der Quelle verheizt wird (unter der Voraussetzung, dass 
die Quelle sich auch von Leerlauf bis Kurzschluss linear verhält).
Das ist aber nicht die Leistung, die du außen bekommen kannst.
-> siehe Leistungsanpasssung:
https://de.wikipedia.org/wiki/Leistungsanpassung

Es wäre also zumindest für eine max. Ausbeute eher zielführend, die 
Quelle in Leistungsanpassung zu betreiben.
Ob das dann aber für das Harvesting optimal oder auch nur sinnvoll 
erscheint, hängt von weiteren Randbedingungen ab, die in den vorherigen 
Postings schon angesprochen wurden.

> Und ist der Vergleich der Piezos durch Vergleich der
> erzeugten Spannungen ausreichend?
Was soll dir eine hohe Spannung ohne Strom nützen?

> Oder müsste ich vielmehr die Leistungen vergleichen,
Das sowieso!
> wenn ich eine maximale Energiemenge gewinnen möchte
Auch mußt du prüfen, ob dir der angebotene Spannungs- und Strombereich 
für die nachfolgende Schaltung überhaupt nützt.

> (wobei eine höhere Spannung des Piezos doch auch zu einer höheren
> Leistung führt?)?
Nein! Diese Aussage gilt nur unter der Annahme, dass der Strom gleich 
groß wäre, was man aber überhaupt nicht annehmen muß.

Eine Spannungsquelle, die bei 1kV einen Strom von 0,1uA bringt (0,1mW) 
ist  bezüglich der Leistung 1 Mio. mal schwächer als eine 
Spannungsquelle mit 1V und 100A (100W), obwohl doch die Spannung tausend 
mal höher ist.
Gruß Öletronika

[Kai (Gast)]

Super, vielen Dank für eure Auskünfte und entschuldigt meine unklare 
Ausdrucksweise.

Ich habe keinen Kurzschluss erzeugt, sondern das Piezoelement über 
verschiedene Widerstände (als Verbraucher) nacheinander in Reihe 
geschaltet (Siehe Anhang). Parallel zum Widerstand habe ich dann den 
Spannungsabfall gemessen. Was ich jetzt meinte ist, dass ich die 
abgefallene Spannung und die Widerstände kenne und dann per P=U^2/R die 
Leistung des Piezoelements bei unterschiedlichen Lastwiderstände 
berechnen.

Mein Ziel ist es, einen Kondensator über den Widerstand zu laden und die 
Energie periodisch in einem Mikrocontroller zu nutzen. Dazu fürchte ich, 
muss ich nun alle Messungen noch einmal mit den verschiedenen 
Piezoelementen und den Lastwiderständen machen...

[U. M. (oeletronika)]

Hallo,
mir scheint dein ganzes Denken ist sehr laienhaft und es fehlen dir 
grundlegende Physikkenntnisse und Erfahrungen.
Umso mehr solltest du ausführlich beschreiben, was du eigentlich vor 
hast.
http://uwiatwerweisswas.schmusekaters.net/Uwi/Wie%20man%20Fragen%20richtig%20stellt.pdf

> Kai schrieb:
> ich habe keinen Kurzschluss erzeugt, sondern das Piezoelement über
> verschiedene Widerstände (als Verbraucher) nacheinander in Reihe
> geschaltet (Siehe Anhang). Parallel zum Widerstand habe ich dann den
> Spannungsabfall gemessen. Was ich jetzt meinte ist, dass ich die
> abgefallene Spannung und die Widerstände kenne und dann per P=U^2/R die
> Leistung des Piezoelements bei unterschiedlichen Lastwiderstände
> berechnen.
Nochmal! Dich sollte eigentlich die Leistung interessieren, die du in 
die Last bekommst. Bei einer linearen Last wird das Optimum aber mit der 
"Leistungsanpassung" erreicht.

> Mein Ziel ist es, einen Kondensator über den Widerstand zu laden und die
> Energie periodisch in einem Mikrocontroller zu nutzen.

Ein Piezowandler ist aber doch eine AC-Spannungsquelle!
Damit kann man nicht einfach so einen Kondensator aufladen!

Ein Kondensator ist alles andere als eine lineare ohmsche Last!
Um den zu aufzuladen, braucht es zumindest schon mal 
Gleichrichterelemente, oder?

Wenn man aber einen Kondensator über Gleichrichterdioden aufladen will, 
wozu soll dann da noch ein Widerstand dazwischen, der in jedem Fall 
Energie verheizen wird, die dann nicht in den Kondensator kommt?

Wenn dann aber der Kondensator aufgeladen wird, steigt die Spannung von 
0V beginnend langsam an und wird ohne Spannungsbegrenzung auch deutlich 
über die zulässige Spannung des uC und Kondensators steigen.
da sind dann auch Spannungbegrenzer und wahrscheinlich auch eine 
Spannungswandlerschaltung auf die gewünschte uC-Spannung notwendig.

Abgesehen davon ist ein Kondensator als Last im Prinzip ein Kurzschluss,
zumindest solange der noch annäherd leer ist (bzw. weit unter der 
Leerlaufspannung).
Um den Kond. aufzuladen braucht es in erster Linie (gleichgerichteten) 
Strom. Du solltest also den Piezowandler nutzen, der den meisten Strom 
liefert. Auf die üblicherweise hohe Leerlaufspannung wirst du 
wahrscheinlich nicht kommen.

> Dazu fürchte ich,
> muss ich nun alle Messungen noch einmal mit den verschiedenen
> Piezoelementen und den Lastwiderständen machen...

Vor allem solltest du über ein vernünftiges Geamtkonzept nachdenken und 
dieses hier zur Diskussion stellen.
Da steht am Anfang schon die Frage, ob das Energie-Harvesting in der Art 
überhaupt möglich und sinnvoll anwendbar ist.
Gruß Öletronika

[Kai (Gast)]

Hallo Ölelektroniker,

den Gleichrichter nach dem Piezowandler habe ich in dem Diagramm in der 
Tat vergessen. In den Versuchen habe ich diesen aber mit drin.

Dass ich eine möglichst hohe Leistung benötige habe ich nun auch 
verstanden, deshalb ja meine neuen Messungen mit einem geschlossenen 
Stromkreis. Aber um die Leistung messen zu können, ist der von mir 
abgebildete Stromkreis (einschließlich des vergessenen Gleichrichters) 
in der Lage, oder?!? Die Leistungsanpassung würde dann, wenn ich deinen 
Link zu dem Wikipedia Artikel richtig verstanden habe, über Messungen 
verschiedener Widerstände durchführen. Wie gesagt, es geht erst einmal 
darum, möglichst viel Energie zu gewinnen.

Grundsätzlich beschäftige ich mich nämlich nun damit zu schauen, ob ich 
genügend Energie für den folgenden Verbraucherkreis gewinnen kann (und 
in welcher Zeit).

Und die Ladung des Kondensators erfolgt nach meinen Erkenntnissen immer 
über einen Widerstand, da ich ja ansonsten zum Zeitpunkt 0 einen 
Kurzschluss erzeuge, da der Widerstand des Kondensators ja erst mit 
zunehmender Ladung ansteigt. Zudem enthalten die Piezos, die ich 
verwende, alle eine Angabe über den zu verwendenden Impedanz-Widerstand.

Danke nochmal für deine Geduld, ich bin leider als Informatiker in einer 
etwas anderen Welt unterwegs gerade,
Kai

[U. M. (oeletronika)]

Hallo,
> Kai schrieb:
> den Gleichrichter nach dem Piezowandler habe ich in dem Diagramm in der
> Tat vergessen. In den Versuchen habe ich diesen aber mit drin.
ok.
> Die Leistungsanpassung würde dann, wenn ich deinen
> Link zu dem Wikipedia Artikel richtig verstanden habe,
> über Messungen verschiedener Widerstände durchführen.
Leistungsanpassung hat man, wenn der Lastwiderstand gleich dem 
Innenwiderstand ist. Das ist also leicht zu prüfen, weil dann die 
Spannung über dem Lastwiderstand = 0,5 x Leerlaufspannung ist.

> Und die Ladung des Kondensators erfolgt nach meinen Erkenntnissen immer
> über einen Widerstand, da ich ja ansonsten zum Zeitpunkt 0 einen
> Kurzschluss erzeuge, da der Widerstand des Kondensators ja erst mit
> zunehmender Ladung ansteigt.
Ein Kondensator hat keinen (ohmschen) Widerstand, auch nicht wenn er 
aufgeladen ist.  Was soll denn der Reihenwiderstand bewirken?

Der Piezo liefert einen Strom, der zum Aufladen benutzt wird. Mit einem 
zusätzlichen Reihenwiderstand wird der Strom nur reduziert. Es wird also 
Leistung im Reihenwiderstand verheizt. Welchen Sinn soll das haben, wenn 
man die max. Ausbeute möchte?

Ein Reihenwiderstand ist vor allem sinnvoll, wenn die Quelle nicht 
kurzschlussfest ist. Evtl. kann so ein Reihenwiderstand auch zweckmäßig 
sein, wenn die Quelle wegen starker Nichtlinearität im Kurzschlussfall 
schlechter arbeitet als im Lastfall mit optimierten Reihenwiderstand.
Beide Fälle scheinen mir aber für Piezos nicht gegebene.

> Zudem enthalten die Piezos, die ich
> verwende, alle eine Angabe über den zu verwendenden Impedanz-Widerstand.
Ja schön. Und wo liegt der?
Das heißt aber sicher nicht, das die Piezos nicht kurzschlussfest sind, 
oder? Lese die Datenblätter genau. Wenn es dort Einschränkungen zum 
Betrieb gibt, dann solltest du diese auch beachten.

Warum testest du nicht den Fall, der dich eigentlich interessiert, 
mämlich das einfache Aufladen einer definierten Kapazität?
Da siehst du am besten, wie schnell du mit unterscheidlichen Piezos 
einen Kondensator soweit aufladen kannst, dass die Ladung für den 
Betrieb des uC reicht.

> Danke nochmal für deine Geduld, ich bin leider als Informatiker in einer
> etwas anderen Welt unterwegs gerade,
Als Informatiker hat man doch aber auch Schulphysik gelernt. Die kannst 
du jetzt einfach mal anwenden.
Gruß Öletronika