VIHWA – Vibrationswandler für drahtlose Anwendungen

Bereits kleinste Bewegungen reichen dem Vibrationswandler VIHWA des Fraunhofer IIS, um so viel elektrische Energie zu generieren, dass mehrere Sensoren damit betrieben werden können und eine sekündliche Datenübertragung zu einem Endgerät stattfinden kann. Er misst z. B. die aktuelle Beschleunigung und sendet diese Daten zur weiteren Darstellung und Verarbeitung an einen PC.

Im Internet of Things werden immer mehr Geräte miteinander vernetzt. So können Prozesse, Abläufe und Zustände erfasst, aufgezeichnet und optimiert werden. Für diese Überwachung bedarf es unterschiedlichster Sensoren, die Werte erfassen, verarbeiten und kommunizieren. Die spezifischen Einsatzorte und Umgebungsbedingungen machen dabei aber Batteriewechsel oder eine kabelgebundene Energieversorgung oft unmöglich. Ein regelmäßiger Austausch der Batterien erzeugt zusätzlich Wartungskosten, was den Einsatz dieser Sensoren schnell unwirtschaftlich macht.

Der Vibrationswandler vom Fraunhofer IIS zeichnet sich durch die effektive Nutzung von kleinsten Schwingungen von 100 mg und darunter aus. Bei einer Frequenz von 60 Hertz können wir Sensoren mit elektrischer Energie versorgen und die gemessenen Daten per Bluetooth Low Energy übertragen.

Die Technologie: Energy Harvesting

Energy Harvesting nutzt Energie aus der Umwelt wie Wärme, Licht oder Bewegung, um damit kleine elektronische Geräte zu versorgen. Energieautarke, wartungsfreie und kabellose Systeme mit unbegrenzter Betriebs- und Standby-Zeit werden dadurch Realität. So ist auch eine Energieversorgung von Geräten an schwer zugänglichen Orten möglich. Anwendungsgebiete sind z. B. Sensornetzwerke zur Überwachung von Maschinen und Anlagen (Condition Monitoring), Trackingsysteme und Sensoren zur Gebäudeautomatisierung.

Wie funktioniert der Vibrationswandler?

Piezoelektrische Materialien, die mit einer Ladungstrennung interner, elektrischer Ladungen reagieren, wenn sie durch eine Bewegung oder eine periodische Vibration verformt werden. Durch vorhandene Vibrationen können also piezoelektrische Materialien in einem Vibrationswandler verformt werden und somit am Ende elektrische Energie erzeugen. Piezoelektrische Generatoren erzeugen typischerweise große Spannungen im Bereich von zehn bis hundert Volt, aber nur sehr kleine Ströme. Sie können als resonante Kragarmstruktur gebaut oder direkt auf Oberflächen, die eine mechanische Verformung aufweisen, aufgebracht werden.

• Bereits geringste Vibrationen von 100 mg und 60 Hertz reichen aus, um genug elektrische Energie für eine Erfassung und Übertragung von Sensoredaten zu erzeugen.
• Durch den am Fraunhofer IIS entwickelten Spannungswandler können bereits kleinste Bewegungen genutzt werden, um elektrische Energie zu erzeugen. 
• Durch optimale mechanische und elektrische Auslegung aller Systemkomponenten werden hocheffiziente Anwendungen auf kleinstem Raum realisiert und setzen sich so deutlich vom Stand der Technik ab.

• Der Einsatz ist in allen Bereichen der Industrieautomation, der Gebäudeüberwachung oder der körpernahen Sensorik möglich.
• Wichtige Umgebungsdaten wie Temperatur, Luftqualität, Gase, Feuchtigkeit usw. können besonders in Versorgungsräumen einfach ermittelt und per Bluetooth übertragen werden.

Mechanisches Energy Harvesting in der industriellen Anwendung

Mit den Energy Harvesting Technologien können Sensoren zur Erkennung von Verschleiß oder Schädigung an Maschinen autark mit Energie versorgt werden. Besonders an schwer erreichbaren Stellen oder bei einer häufigen Erfassung von Daten bietet unsere Technologien enorme Vorteile gegenüber herkömmlichen Energieversorgungen mit Batterien. Vorhandene Vibrationen bei Produktionsanlagen können somit sinnvoll zur Energiegewinnung für Sensoren genutzt werden. Die erfassten Daten der IoT-Sensoren ermöglichen ein Condition Monitoring in vielen Einsatzszenarien. Somit lassen sich Maschinenzustände permanent überwachen und analysieren.

Energy Harvesting für Smart Building

Auch in Versorgungsräumen können wichtige Umgebungsdaten wie Temperatur, Luftverhältnisse, gefährliche Gase usw. mit IoT-Sensoren einfach ermittelt und per Bluetooth übertragen werden. Mit den Energy Harvesting Technologien des Fraunhofer IIS wird eine autarke Energieversorgung möglich. Durch eine permanente Zustandsüberwachung können Sie die Lebens- und Betriebsdauer von Gebäudeanlagen verlängern und kostspielige Reparaturen und frühzeitige Neuanschaffungen vermeiden. Durch den Einsatz einer autarken Energiequelle erreichen Sie dies ohne größere Installations- und Wartungsaufwände.

Energy Harvesting für Transport und Logistik

Wenn LKWs auf der Straße unterwegs sind, entstehen viele Vibrationen. Diese können genutzt werden, um elektrische Energie zu gewinnen und somit verschiedene Sensoren zu versorgen. So kann die Position der transportierten Ware genau verfolgt werden oder die Temperatur von Kühlcontainer permanent und autark überwacht werden.