Materials Testing Machine for Electrostatic Energy Converters

ger: Elektrostatische Energiewandler (EEWs) wandeln mechanische Energie in elektrische Energie um, indem sie die Kapazität eines Arbeitskondensators verändern und Ladung von einem Niederspannungs- in ein Hochspannungs-Ladungsreservoir pumpen. Als Energiequellen dienen dafür weitgehend ungenützte Energiequellen von geringer mechanischer Verformung oder Energiedichte, wobei sie Wirkungsgrade von über 60% erreichen können. Trotz ihres großen Potentials gibt es noch einige Faktoren, welche die Energieausbeute von EEWs mindern. Darunter sind Paschen Durchbrüche im Elektrodenspalt, Leitfähigkeiten des Umgebungsmediums, parasitäre Kapazitäten im EEW-Aufbau oder Oberflächenladungen der dielektrischen Membran. Ziel dieser Masterarbeit ist es daher, eine Materialprüfmaschine zu konstruieren, um verschiedene Materialien in unterschiedlichen Umgebungsmedien (Luft, dielektrische Öle) systematisch für den Einsatz in EEWs zu untersuchen und leistungsbegrenzende Faktoren zu identifizieren um diese in weiterer Folge zu vermeiden. Dabei stellte sich heraus, dass parasitäre Kapazitäten im EEW-Aufbau und Paschen Durchbrüche aufgrund der benötigten hohen Betriebsspannung von mehreren kV den größten Einfluss haben. Parasitäre Kapazitäten können durch das Vermeiden unnötiger leitender Bauteile und die Verwendung möglichst kurzer Kabel verringert werden. Um Paschen Durchbrüche im luftgefüllten Elektrodenspalt zu vermeiden, wird Luft als Umgebungsmedium durch dielektrische Öle mit niedriger dielektrischen Konstante und hoher Durchschlagsfestigkeit ersetzt. Experimente zeigen, dass der Ersatz von Luft durch Parafinöl als Umgebungsmedium zu einer mehr als viermal höheren Energieausbeute führen kann.