DE102010019738A1 - Passive element for generating flow in mechanically deformable environments - Google Patents
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Abstract
Anordnung zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie, die Anordnung umfassend: ein passives Element zur Erzeugung eines Fluidstroms, wobei das passive Element dergestalt an einer mechanisch verformbaren Umgebung angebracht ist, dass bei mechanischer Verformung der Umgebung eine mechanische Energie erzeugt wird, die auf das mechanische Element einwirkt und dabei einen Fluidstrom an einer Öffnung des passiven Elements erzeugt; und einen piezoelektrischen Energiewandler mit mindestens einem piezoelektrischen Element, in das eine durch den Fluidstrom hervorgerufene mechanische Kraft derart eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird und über den piezoelektrischen Effekt Strom erzeugt wird, der für eine autarke Versorgung, insbesondere für dezentrale lokale Systeme (z. B. Aktoren oder Sensoren) verwendbar ist. Diese indirekte Art der Energieeinkopplung von der mechanischen Umgebungsenergie in das piezoelektrische Element hat den Vorteil, dass der Fluidstrom sehr definiert erzeugt werden kann und eine potentielle mechanische Überlast in der Umgebung bei geeigneter Auslegung des passiven Elementes nicht direkt auf das piezoelektrische Element überkoppelt. Somit wird ein Defekt oder eine Zerstörung vermieden.Arrangement for converting mechanical energy into electrical energy, the arrangement comprising: a passive element for generating a fluid flow, wherein the passive element is attached to a mechanically deformable environment such that upon mechanical deformation of the environment a mechanical energy is generated which is imparted to the device acting mechanical element and thereby generates a fluid flow at an opening of the passive element; and a piezoelectric energy converter having at least one piezoelectric element, in which a mechanical force caused by the fluid flow can be coupled in such a way that the piezoelectric element is excited to mechanical vibrations and electricity is generated by the piezoelectric effect, which is used for a self-sufficient supply, in particular for decentralized local systems (eg actuators or sensors) can be used. This indirect way of coupling energy from the mechanical ambient energy into the piezoelectric element has the advantage that the fluid flow can be generated in a highly defined manner and does not directly couple a potential mechanical overload in the environment with a suitable design of the passive element to the piezoelectric element. Thus, a defect or destruction is avoided.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung eines piezoelektrischen Elementes.The invention relates to an arrangement for converting mechanical energy into electrical energy. Furthermore, the invention relates to a method for converting mechanical energy into electrical energy using a piezoelectric element.
Viele neue Anwendungen erfordern eine ausgefeilte Sensorik und/oder Aktorik. Oftmals ist diese lokal verteilt oder dezentral angebracht, was dazu führt, dass eine elektrische Energieversorgung aufwendig und teuer ist (z. B. durch Verlegen von elektrischen Zuführungen). Bei einigen Anwendungen ist eine physische Anbindung solcher dezentralen Aktor- bzw. Sensorknoten gänzlich unmöglich, so dass diese völlig autark betrieben werden müssen. Solche Systeme müssen sich selbst mit elektrischer Energie versorgen.Many new applications require sophisticated sensors and / or actuators. Often this is distributed locally or decentralized, which means that an electrical energy supply is complex and expensive (eg., By laying electrical supplies). In some applications, a physical connection of such decentralized actuator or sensor nodes is completely impossible, so they must be operated completely self-sufficient. Such systems have to provide themselves with electrical energy.
Es ist bekannt, solche dezentralen Sensor- oder Aktorsysteme mit Batterien zur Stromversorgung auszustatten. Die Batterie begrenzt aber die Einsatz- bzw. Lebensdauer des Systems. Solche batteriebetriebenen dezentralen Systeme erfordern weiterhin einen beträchtlichen Wartungsaufwand, da die Batterien von Zeit zu Zeit gewechselt werden müssen. Ist kein Batteriewechsel möglich, fallen solche Systeme aus.It is known to equip such decentralized sensor or actuator systems with batteries for power supply. However, the battery limits the service life of the system. Such battery operated distributed systems still require a considerable amount of maintenance, as the batteries need to be changed from time to time. If no battery change is possible, such systems will fail.
Weiterhin sind Systeme bekannt, die über eine Solarzelle mit Energie versorgt werden. Im Bereich der Industrieautomatisierung und den damit oft einhergehenden deutlich reduzierten Lichtbudgets ist der Einsatz dieser Systeme aber begrenzt.Furthermore, systems are known which are powered by a solar cell with energy. However, the use of these systems is limited in the field of industrial automation and the associated significantly reduced light budgets.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung und ein Verfahren für eine autarke Energieversorgung für dezentrale Systeme, insbesondere im industriellen Umfeld, bereitzustellen.The object of the present invention is to provide an arrangement and a method for a self-sufficient energy supply for decentralized systems, in particular in an industrial environment.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie, die Anordnung umfassend:
- – ein passives Element zur Erzeugung eines Fluidstroms, wobei das passive Element dergestalt an einer mechanisch verformbaren Umgebung angebracht ist, dass bei mechanischer Verformung der Umgebung eine mechanische Energie erzeugt wird, die auf passive Element einwirkt und dabei einen Fluidstrom an einer Öffnung des passiven Elements erzeugt; und
- – einen piezoelektrischen Energiewandler mit mindestens einem piezoelektrischen Element, in das eine durch den Fluidstrom hervorgerufene mechanische Kraft derart eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Die beschriebene Art der Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie kann überall dort eingesetzt werden, wo ein Fluidstrom auftritt bzw. erzeugt werden kann, beispielsweise in einem Reifen eines Kraftfahrzeugs. Der Fluidstrom wird dabei derart an einem geeignet ausgestalteten piezoelektrischen Element vorbeigeleitet, dass dieses zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Diese mechanischen Schwingungen werden dazu benutzt, elektrische Energie zu gewinnen. Die gewonnene Energie wird einem Verbraucher (z. B. dezentrale Aktoren oder Sensoren) zur Verfügung gestellt. Dies ermöglicht den autarken Betrieb dieser dezentralen Systeme, d. h. ohne Verkabelung oder Batteriebetrieb. Diese Systeme können somit prinzipiell wartungsfrei betrieben werden.
- - A passive element for generating a fluid flow, wherein the passive element is attached to a mechanically deformable environment such that upon mechanical deformation of the environment, a mechanical energy is generated, which acts on passive element and thereby generates a fluid flow at an opening of the passive element ; and
- - A piezoelectric energy converter with at least one piezoelectric element, in which a caused by the fluid flow mechanical force can be coupled in such a way that the piezoelectric element is excited to mechanical vibrations. The described type of conversion of mechanical energy into electrical energy can be used wherever a fluid flow occurs or can be generated, for example in a tire of a motor vehicle. The fluid flow is guided past a suitably designed piezoelectric element in such a way that it is excited to mechanical oscillations. These mechanical vibrations are used to generate electrical energy. The energy gained is made available to a consumer (eg decentralized actuators or sensors). This enables the self-sufficient operation of these decentralized systems, ie without cabling or battery operation. These systems can thus be operated in principle maintenance-free.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann in beliebig dynamisch verformbaren Umgebungen eingesetzt werden. Z. B. bei Förderbändern, an deren Umkehrpunkten das elastische Förderband verformt wird oder in der Industrieautomatisierung (z. B. Roboter), wo es sehr viele bewegliche Teile gibt, die z. B. durch mechanisch verformbare Gummimanschetten geschützt sind. Aber auch ein Reifenlatsch ist als mechanisch verformbare Umgebung verwendbar.The arrangement according to the invention can be used in any dynamically deformable environments. For example, in conveyor belts, at the reversal points of the elastic conveyor belt is deformed or in industrial automation (eg robots), where there are many moving parts, the z. B. are protected by mechanically deformable rubber sleeves. But even a tire gossip is usable as a mechanically deformable environment.
Diese in einer industriellen Umgebung sowieso schon vorhandenen mechanischen Bewegungen – also vorliegenden kinetischen Energien, die auch in definierten und bekannten Bewegungsrichtungen vorliegen, lassen sich durch die erfindungsgemäße Anordnung „ernten”. Der Energiewandler in der Anordnung wird somit mit kinetischer mechanischer Energie versorgt, die eine schon vorhandene Infrastruktur bereitstellt.These mechanical movements, which are already present in an industrial environment anyway - ie present kinetic energies which are also present in defined and known directions of movement, can be "harvested" by the arrangement according to the invention. The energy converter in the array is thus supplied with kinetic mechanical energy that provides an already existing infrastructure.
Das piezoelektrische Element besteht aus mindestens einer piezoelektrische Schicht und Elektrodenschichten. Die Elektrodenschichten können dabei aus verschiedensten Metallen beziehungsweise Metall-Legierungen bestehen. Beispiele für das Elektrodenmaterial sind Platin, Titan und eine Platin/Titan-Legierung. Denkbar sind auch nicht-metallische, elektrisch leitende Materialien. Die piezoelektrische Schicht kann ebenfalls aus unterschiedlichsten Materialen bestehen. Beispiele hierfür sind piezoelektrische keramische Materialen wie Bleizirkonattitanat (PZT), Zinkoxid (ZnO) und Aluminiumnitrid (AlN). Piezoelektrische organische Materialien wie Polyvinylidendifluorid (PVDF) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) sind ebenfalls denkbar. Die piezoelektrische Schicht und die Elektrodenschichten können auf einer optionalen Trägerschicht aufgebracht sein. Dies erhöht die Stabilität des piezoelektrischen Elementes. Aufgrund des Fluidstroms wird das Piezoelement zu mechanischen Schwingungen angeregt. Bei der fluidischen Stoßanregung erfährt das Piezoelement, beispielsweise eine Piezo-Fahne, eine abklingende Schwingung. Über den piezoelektrischen Effekt wird eine periodische Ladungstrennung zwischen den Elektroden erzeugt. Der daraus gewinnbare Ladungsfluss steht dann extern als elektrische Energie zur Verfügung. Über eine elektrische Ankontaktierung an den Elektroden und eine entsprechende Verkabelung wird der elektrische Strom für Verbraucher bereitgestellt. Um zu gewährleisten, dass die Kraft des Fluidstroms effizient in das Piezoelement eingekoppelt werden kann, ist das Piezoelement beispielsweise gekrümmt oder es befinden sich an seiner Oberfläche geeignete Anströmungsgeometrien oder die Anströmung erfolgt möglichst senkrecht zur Piezofahne.The piezoelectric element consists of at least one piezoelectric layer and electrode layers. The electrode layers may consist of a wide variety of metals or metal alloys. Examples of the electrode material are platinum, titanium and a platinum / titanium alloy. Also conceivable are non-metallic, electrically conductive materials. The piezoelectric layer may also consist of different materials. Examples include piezoelectric ceramic materials such as lead zirconate titanate (PZT), zinc oxide (ZnO) and aluminum nitride (AlN). Piezoelectric organic materials such as polyvinylidene difluoride (PVDF) or polytetrafluoroethylene (PTFE) are also conceivable. The piezoelectric layer and the electrode layers may be applied to an optional carrier layer. This increases the stability of the piezoelectric element. Due to the fluid flow, the piezoelectric element is excited to mechanical vibrations. In the case of fluidic shock excitation, the piezoelectric element, for example a piezoelectric flag, experiences a decaying oscillation. On the piezoelectric effect generates a periodic charge separation between the electrodes. The resulting charge flow is then available externally as electrical energy. An electrical connection to the electrodes and a corresponding wiring provide the electrical current for consumers. In order to ensure that the force of the fluid flow can be efficiently coupled into the piezoelectric element, the piezoelectric element is curved, for example, or suitable flow geometries are located on its surface or the flow is as perpendicular as possible to the piezoelectric flag.
Das Fluid ist vorzugsweise ein Gas oder Gasgemisch. Denkbar ist auch ein Fluid in Form einer Flüssigkeit. Die Flüssigkeit ist dabei vorzugsweise elektrisch isolierend.The fluid is preferably a gas or gas mixture. Also conceivable is a fluid in the form of a liquid. The liquid is preferably electrically insulating.
Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das passive Element als Membran aus elastischem Material ausgebildet ist, die in ihrem kompletten Randbereich mit der verformbaren Umgebung dicht verbunden ist. Als elastisches Material kann z. B. Gummi verwendet werden. Die Membran kann z. B. durch Kleben oder Vulkanisieren mit der Umgebung dicht verbunden sein. Solche Ausgestaltungen sind leicht herstellbar.A first advantageous embodiment of the invention is that the passive element is formed as a membrane of elastic material which is tightly connected in its entire edge region with the deformable environment. As an elastic material can, for. As rubber can be used. The membrane can, for. B. be tightly connected by gluing or vulcanization with the environment. Such embodiments are easy to produce.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die Membran im Wesentlichen kreisförmig ist. Durch die Kreisform lassen sich effizient definierte Fluidströme generieren.A further advantageous embodiment of the invention is that the membrane is substantially circular. Due to the circular shape, efficiently defined fluid flows can be generated.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das passive Element Mittel aufweist zur Sicherstellung, dass das passive Element eine ausreichende Kavität bildet. Dadurch ist sichergestellt, dass ein ausreichender Fluidstrom generiert wird.A further advantageous embodiment of the invention is that the passive element comprises means for ensuring that the passive element forms a sufficient cavity. This ensures that sufficient fluid flow is generated.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass als Mittel zur Sicherstellung der Kavität des passiven Elementes eine Federverbindung zwischen dem passiven Element und der mechanisch verformbaren Umgebung angebracht ist, wobei das erste Ende der Feder im Wesentlichen mittig am passiven Element angebracht ist und davon ausgehend in lotrechter Richtung das zweite Ende der Feder an der mechanisch verformbaren Umgebung angebracht ist. Diese Anordnung ist leicht herstellbar. Weiterhin ist es sinnvoll die Anordnung so auszulegen, dass die Federsteifigkeit der Feder möglichst gering ist, gefolgt von der Federsteifigkeit der Membran. Beide Federsteifigkeiten sollten jedoch deutlich geringer ausfallen, als die Federsteifigkeit der mechanisch verformbaren Umgebung selbst.A further advantageous embodiment of the invention is that as a means for securing the cavity of the passive element, a spring connection between the passive element and the mechanically deformable environment is attached, wherein the first end of the spring is mounted substantially centrally on the passive element and starting therefrom in the vertical direction, the second end of the spring is attached to the mechanically deformable environment. This arrangement is easy to produce. Furthermore, it makes sense to design the arrangement so that the spring stiffness of the spring is minimized, followed by the spring stiffness of the membrane. However, both spring stiffnesses should be significantly lower than the spring stiffness of the mechanically deformable environment itself.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das piezoelektrische Element eine Piezo-Fahne aufweist. Das piezoelektrische Element ist dabei als Biegeelement, vorzugsweise als Piezo-Fahne ausgebildet. Dazu ist das Biegeelement beispielsweise ein piezoelektrischer Biegewandler. Zum Herstellen des Biegewandlers werden beispielsweise mit einer Metallisierung für die Elektrodenschichten bedruckte keramische Grünfolien übereinander gestapelt und gesintert. Es entsteht ein monolithischer Biegewandler. Dabei kann der Biegewandler beliebig ausgestaltet sein, beispielsweise Bimorph.A further advantageous embodiment of the invention is that the piezoelectric element has a piezo-flag. The piezoelectric element is designed as a bending element, preferably as a piezo-flag. For this purpose, the bending element is for example a piezoelectric bending transducer. To produce the bending transducer, for example, ceramic green sheets printed with a metallization for the electrode layers are stacked on top of one another and sintered. The result is a monolithic bending transducer. In this case, the bending transducer can be configured arbitrarily, for example bimorph.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die Piezo-Fahne eine im Wesentlichen dreieckige Grundfläche aufweist. Dies bewirkt eine hohe Effizienz bei der Energiewandlung.A further advantageous embodiment of the invention is that the piezo-flag has a substantially triangular base. This causes a high efficiency in energy conversion.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das piezoelektrische Element als Membran ausgebildet ist und der Fluidstrom im Wesentlichen senkrecht auf die Membran auftrifft und wobei die Membran mindestens zwei sich kreuzende Membranschlitze aufweist. Ein lateraler Membrandurchmesser (Durchmesser einer Membranöffnung des Membranschlitzes) beträgt z. B. wenige μm. Der Membrandurchmesser ist beispielsweise aus dem Bereich von 100 μm bis 10 mm ausgewählt. Durch die Schlitze wird die Steifigkeit der Membran verringert. Die piezoelektrische Membran ist im Energiewandler so angebracht, dass der Fluidstrom im Wesentlichen senkrecht auf sie trifft und zum Schwingen bringt. Die Membranschlitze kreuzen sich vorteilhafter Weise im Wesentlichen im Mittelpunkt der Membran und bilden Dreiecke in der Membranstruktur. Die Krafteinwirkung des Fluidstroms wird durch die Dreiecksanordnung auf diese Weise für eine effiziente Energiewandlung verwendet.A further advantageous embodiment of the invention is that the piezoelectric element is formed as a membrane and the fluid flow impinges substantially perpendicular to the membrane and wherein the membrane has at least two intersecting membrane slots. A lateral membrane diameter (diameter of a membrane opening of the membrane slot) is z. B. a few microns. The membrane diameter is selected, for example, from the range of 100 .mu.m to 10 mm. The slots reduce the stiffness of the membrane. The piezoelectric membrane is mounted in the energy converter so that the fluid flow is substantially perpendicular to it and causes it to vibrate. Advantageously, the membrane slots substantially intersect at the center of the membrane and form triangles in the membrane structure. The force of the fluid flow is used by the triangle arrangement in this way for efficient energy conversion.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass der piezoelektrischen Energiewandler piezoelektrische Elemente mit im Wesentlichen dreieckiger Grundfläche aufweist, die so angeordnet sind, dass eine im Wesentlichen quadratische Gesamtgrundfläche resultiert und wobei der Fluidstrom im Wesentlichen senkrecht auf die Gesamtgrundfläche auftrifft. Die piezoelektrischen Elemente sind dabei über ihre jeweiligen Seitenränder mit der Innenseite des Energiewandlers bzw. mit einer Fluidstromführung des Energiewandlers verbunden. Die Anordnung stellt eine effiziente Energieumwandlung sicher.A further advantageous embodiment of the invention is that the piezoelectric energy converter has piezoelectric elements with a substantially triangular base surface, which are arranged so that a substantially square base area results and wherein the fluid flow impinges substantially perpendicular to the total base area. The piezoelectric elements are connected via their respective side edges with the inside of the energy converter or with a fluid flow guide of the energy converter. The arrangement ensures efficient energy conversion.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass mehrere piezoelektrische Energiewandler hintereinander geschaltet sind. Dadurch wird die erzeugte Energiemenge vergrößert. Es können somit auch Systeme versorgt werden, die größere Energiemengen benötigen. Weiterhin kann dadurch das Energieerzeugungssystem bezüglich der benötigten Energie skaliert werden. A further advantageous embodiment of the invention is that a plurality of piezoelectric energy converters are connected in series. This increases the amount of energy generated. It can thus be supplied to systems that require larger amounts of energy. Furthermore, this allows the power generation system to be scaled with respect to the required energy.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das passive Element als verformbarer Sack, insbesondere als Gummisack, ausgebildet ist und die Außenfläche des Sackes mit Innenflächen der mechanisch verformbaren Umgebung im Wesentlichen vollständig verbunden ist, wobei der Sack innerhalb der mechanisch verformbaren Umgebung angebracht ist und der Fluidstrom durch Expansion oder Reduktion des Sackvolumens erzeugt wird. Der Gummisack ist dabei im Wesentlichen vollständig mechanisch verformbaren Umgebung integriert bzw. eingebettet. Mechanische Veränderungen der Umgebung wirken dabei direkt auf den Gummisack und Verursachen eine Expansion oder Reduktion des Sackvolumens. Durch die dabei entstehende Druck- oder Sogwirkung wird der Fluidstrom generiert.A further advantageous embodiment of the invention is that the passive element is designed as a deformable bag, in particular as a rubber bag, and the outer surface of the bag is substantially completely connected to inner surfaces of the mechanically deformable environment, wherein the bag is mounted within the mechanically deformable environment and the fluid flow is generated by expansion or reduction of the bag volume. The rubber bag is integrated or embedded in a substantially completely mechanically deformable environment. Mechanical changes of the environment act directly on the rubber bag and cause an expansion or reduction of the bag volume. Due to the resulting pressure or suction effect, the fluid flow is generated.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie, durch Erzeugen eines Fluidstroms durch mechanische Energieeinwirkung auf ein passives Element und durch Einkoppeln einer durch den Fluidstrom hervorgerufenen Kraft in ein piezoelektrisches Element, so dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Diese indirekte Art der Energieeinkopplung von der mechanischen Umgebungsenergie in das piezoelektrische Element hat den Vorteil, dass der Fluidstrom sehr definiert erzeugt werden kann und eine potentielle mechanische Überlast in der Umgebung bei geeigneter Auslegung des passiven Elementes nicht direkt auf das piezoelektrische Element überkoppelt. Somit wird ein Defekt oder eine Zerstörung vermieden.The object is further achieved by a method for converting mechanical energy into electrical energy, by generating a fluid flow by mechanical action of energy on a passive element and by coupling a force caused by the fluid flow in a piezoelectric element, so that the piezoelectric element to mechanical vibrations is stimulated. This indirect way of coupling energy from the mechanical ambient energy into the piezoelectric element has the advantage that the fluid flow can be generated in a highly defined manner and does not directly couple a potential mechanical overload in the environment with a suitable design of the passive element to the piezoelectric element. Thus, a defect or destruction is avoided.
Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.Reference to several embodiments and the associated figures, the invention will be explained in more detail below. The figures are schematic and do not represent true to scale figures.
Dabei zeigen:Showing:
Viele neue Anwendungen erfordern eine ausgefeilte Sensorik und/oder Aktorik. Oftmals ist diese lokal verteilt, was dazu führt, dass eine elektrische Energieversorgung aufwendig und damit auch teuer ist (z. B. Verlegen von elektrischen Zuführungen). Bei einigen Anwendungen ist eine physische Anbindung solcher dezentralen lokalen Systeme gänzlich unmöglich, so dass diese völlig autark betrieben werden müssen. Dies bedeutet, dass sich diese Sensoren bzw. Aktoren selbst mit Energie versorgen müssen und die gewonnenen Messgrößen kabellos übertragen werden müssen. In unserer industrialisierten Welt gibt es viele dynamisch verformbare Umgebungen, die zum Ernten von Energie geeignet scheinen. Ein Beispiel sind Förderbänder an deren Umkehrpunkten das elastische Band deutlich verformt wird. In der Industrieautomatisierung (z. B. Roboter) gibt es sehr viele bewegliche Teile, die z. B. durch verformbare Gummimanschetten geschützt sind. Ein weiteres Beispiel ist in der Automobilindustrie zu finden. Die Lauffläche eines Autoreifens (Reifenlatsch) wird im Betrieb laufend mechanisch verformt. Diese sowieso vorhandenen mechanisch verformbaren Umgebungen können für die Energieversorgung von autarken Systemen verwendet werden.Many new applications require sophisticated sensors and / or actuators. Often this is distributed locally, which means that an electrical energy supply is complex and therefore expensive (eg laying of electrical feeders). In some applications, a physical connection of such decentralized local systems is completely impossible, so they must be operated completely independently. This means that these sensors or actuators must provide themselves with energy and the measured quantities obtained must be transmitted wirelessly. In our industrialized world, there are many dynamically deformable environments that seem suitable for harvesting energy. An example are conveyor belts at the reversal points of the elastic band is significantly deformed. In industrial automation (eg robots) there are a lot of moving parts, eg. B. are protected by deformable rubber sleeves. Another example can be found in the automotive industry. The tread of a car tire (tire lash) is continuously mechanically deformed during operation. These existing mechanically deformable environments can be used to power self-sufficient systems.
Diese indirekte Art der Energieankopplung von der mechanischen Umgebungsenergie in den Energiewandler EW hat den Vorteil, dass ein Fluidstrom FS sehr definiert erzeugt werden kann und ein potentieller mechanischer Überlastfall in der Umgebung U bei geeigneter Auslegung des passiven Elementes PAE zur Strömungserzeugung nicht direkt auf den Energiewandler EW überkoppelt. Somit wird ein Defekt oder eine Zerstörung (oder zumindest eine Lebensdauerbeeinträchtigung) des Energiewandlers EW vermieden.This indirect type of energy coupling from the mechanical ambient energy in the energy converter EW has the advantage that a fluid flow FS can be generated very defined and a potential mechanical overload case in the environment U with a suitable design of the passive element PAE for flow generation not directly to the energy converter EW couples over. Thus, a defect or destruction (or at least a lifetime impairment) of the energy converter EW is avoided.
Weitere Ausführungsbeispiele können z. B. in ausgefallenen Geometrien des passiven Elementes PAE gesehen werden mit dem Ziel die Volumenänderung möglichst groß zu gestalten bzw. den Fluidstrom FS zu erhöhen. Denkbar sind z. B. kaskadierte passive Einzelelemente PAE oder aber auch Mäanderanordnungen die einen bereits bestehenden Fluidstrom FS additiv verstärken.Other embodiments may, for. B. be seen in failed geometries of the passive element PAE with the aim of making the volume change as large as possible or to increase the fluid flow FS. Conceivable z. B. cascaded passive individual elements PAE or even meander arrangements which additively reinforce an existing fluid flow FS.
Ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung des passiven Elementes PAE liegt darin, das passive Element als verformbaren Sack, insbesondere als Gummisack auszubilden. Die Außenfläche des Sackes ist dabei mit den Innenflächen der mechanisch verformbaren Umgebung U im Wesentlichen vollständig verbunden, wobei der Sack innerhalb der mechanisch verformbaren Umgebung U angebracht ist (z. B. integriert oder eingebettet) und der Fluidstrom FS durch Expansion oder Reduktion des Sackvolumens erzeugt wird. Die Sackaußenfläche kann dabei im Wesentlichen formschlüssig mit den Innenflächen der mechanisch verformbaren Umgebung U verbunden sein. Auch durch hintereinander geschaltete Energiewandler EW kann die erzeugte elektrische Energie erhöht werden. Durch hintereinander geschaltete bzw. kaskadierte Energiewandler EW kann eine Skallierung bezüglich der benötigten elektrischen Energie erfolgen. Auf diese Weise kann die jeweils benötigte elektrische Energie für eine entsprechende Applikation oder Anwendung adäquat und bedarfsgerecht bereitgestellt werden.Another example of an embodiment of the passive element PAE is to form the passive element as a deformable bag, in particular as a rubber bag. The outer surface of the bag is substantially completely connected to the inner surfaces of the mechanically deformable environment U, wherein the bag is mounted (eg integrated or embedded) within the mechanically deformable environment U and the fluid flow FS is generated by expansion or reduction of the bag volume becomes. The bag outer surface may be substantially positively connected to the inner surfaces of the mechanically deformable environment U. Also by series connected energy converter EW the generated electrical energy can be increased. By consecutively connected or cascaded energy converter EW can be done with respect to the required electrical energy Skallierung. In this way, the respectively required electrical energy for a corresponding application or application can be provided adequately and as needed.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen insbesondere darin:
- – Erzeugung eines definierten Fluidstromes FS aufgrund einer mechanisch verformbaren Umgebung U.
- – Das passive Element PAE verhindert ein direktes Einkoppeln der mechanischen Umgebungsenergie in den Energiewandler EW (Überlastschutz).
- – Es sind keine klassisch beweglichen Teile zur Fluidstromerzeugung FS notwendig (Robustheit, Lebensdauer, leichte Wartbarkeit).
- – Einfache Indikation bzw. Einbettung in die Umgebung U möglich.
- Generation of a defined fluid flow FS due to a mechanically deformable environment U.
- - The passive element PAE prevents a direct coupling of the mechanical ambient energy into the energy converter EW (overload protection).
- - There are no classical moving parts for fluid flow generation FS necessary (robustness, durability, easy maintainability).
- - Simple indication or embedding in the environment U possible.
Das piezoelektrische Element PE ist vorteilhafter Weise in einer Gehäusekammer GK eines Gehäuses G des Energiewandlers EW angeordnet. Dabei ist dafür gesorgt, dass der Fluidstrom FS an dem piezoelektrischen Element PE vorbei geleitet wird. Dabei wird eine durch den Fluidstrom FS hervorgerufene mechanische Kraft in das Piezoelement PE eingekoppelt. Es kommt zur Auslenkung AL des piezoelektrischen Elements PE und in Folge davon zur Ladungstrennung, auf deren Basis über die Elektroden elektrische Energie gewonnen werden kann, die über eine geeignete Ankontaktierung und Verkabelung Verbrauchern (z. B. Sensoren, Aktoren) zur Verfügung stellbar ist.The piezoelectric element PE is advantageously arranged in a housing chamber GK of a housing G of the energy converter EW. It is ensured that the fluid flow FS is passed to the piezoelectric element PE over. In this case, an induced by the fluid flow FS mechanical force is coupled into the piezoelectric element PE. The result is the deflection AL of the piezoelectric element PE and, as a consequence thereof, the charge separation, on the basis of which electrical energy can be obtained via the electrodes, which can be made available to consumers (eg sensors, actuators) via suitable contacting and cabling.
Im Beispiel gemäß
Im Beispiel gemäß
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das piezoelektrische Element PE als Membran M ausgebildet ist und eine im Wesentlichen kreisrunde Grundfläche aufweist. Die piezoelektrische Membran M ist im Energiewandler EW so angebracht, dass der Fluidstrom FS im Wesentlichen senkrecht auf sie trifft und zum Schwingen bringt. Die Kreisform ermöglicht ein Generieren maximaler elektrischer Energie und maximaler elektrischer Spannung bei minimaler mechanischer Belastung der Membran. Die piezoelektrische Membran M kann dabei durch eine Klebeverbindung an ihren Rändern mit dem Rahmen des Energiewandlers EW verbunden sein. Die piezoelektrische Membran M weist eine Schichtfolge aus Elektrodenschicht, piezoelektrischer Schicht und weiterer Elektrodenschicht auf. Mehrere derartige Schichtfolgen können dabei übereinander gestapelt sein, so dass ein Mehrschichtaufbau mit übereinander gestapelten, alternierend angeordneten Elektrodenschichten und piezoelektrischen Schichten resultiert. Eine Auslenkung (Verformung) der piezoelektrischen Schicht, die durch Einwirken der mechanischen Kraft des Fluidstroms FS auf die piezoelektrische Schicht hervorgerufen wird, führt zur Ladungsverschiebung bzw. Ladungstrennung in der piezoelektrischen Schicht (piezoelektrischer Effekt). Die beiden Elektrodenschichten und die piezoelektrische Schicht sind dabei derart aneinander angeordnet, dass ein auf der Ladungstrennung hervorgerufener Ladungsfluss zur Gewinnung von elektrischer Energie genutzt werden kann. Im Ergebnis wird mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt.A further advantageous embodiment of the invention is that the piezoelectric element PE is formed as a membrane M and has a substantially circular base. The piezoelectric membrane M is mounted in the energy converter EW so that the fluid flow FS is substantially perpendicular to them and makes them vibrate. The circular shape allows generating maximum electrical energy and maximum electrical voltage with minimal mechanical stress on the membrane. The piezoelectric membrane M can be connected by an adhesive bond at its edges with the frame of the energy converter EW. The piezoelectric membrane M has a layer sequence of electrode layer, piezoelectric layer and further electrode layer. In this case, a plurality of such layer sequences can be stacked on top of each other, so that a multi-layer structure with stacked, alternately arranged electrode layers and piezoelectric layers results. A deflection (deformation) of the piezoelectric layer, which is caused by the action of the mechanical force of the fluid flow FS on the piezoelectric layer, leads to the charge transfer or charge separation in the piezoelectric layer (piezoelectric effect). In this case, the two electrode layers and the piezoelectric layer are arranged in such a way that a charge flow caused by the charge separation can be used to obtain electrical energy. As a result, mechanical energy is converted into electrical energy.
Das Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten kann aus verschiedensten Metallen beziehungsweise Metall-Legierungen bestehen. Beispiele für das Elektrodenmaterial sind Platin, Titan und eine Platin/Titan-Legierung. Denkbar sind auch nichtmetallische, elektrisch leitende Materialien. Die piezoelektrische Schicht kann ebenfalls aus unterschiedlichsten Materialen bestehen. Beispiele hierfür sind piezoelektrische keramische Materialen wie Bleizirkonattitanat (PZT), Zinkoxid (ZnO) und Aluminiumnitrid (AlN). Piezoelektrische organische Materialien wie Polyvinylidendifluorid (PVDF) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) sind ebenfalls denkbar.The electrode material of the electrode layers can consist of a wide variety of metals or metal alloys. Examples of the electrode material are platinum, titanium and a platinum / titanium alloy. Also conceivable are non-metallic, electrically conductive materials. The piezoelectric layer may also consist of different materials. Examples include piezoelectric ceramic materials such as lead zirconate titanate (PZT), zinc oxide (ZnO) and aluminum nitride (AlN). Piezoelectric organic materials such as polyvinylidene difluoride (PVDF) or polytetrafluoroethylene (PTFE) are also conceivable.
Besonders vorteilhaft ist es, in die Membran mindestens einen Membranschlitz MS zur Verringerung einer Steifigkeit der Membran einzubringen. Durch den Membran-Schlitz MS wird eine Elastizität der Membran M erhöht. Ein lateraler Membrandurchmesser (Durchmesser einer Membranöffnung des Membranschlitzes) beträgt wenige μm. Der Membrandurchmesser ist beispielsweise aus dem Bereich von 0,5 μm bis 50 μm ausgewählt.It is particularly advantageous to introduce into the membrane at least one membrane slot MS for reducing the rigidity of the membrane. Through the membrane slot MS elasticity of the membrane M is increased. A lateral membrane diameter (diameter of a membrane opening of the membrane slit) is a few μm. The membrane diameter is selected for example from the range of 0.5 microns to 50 microns.
Die Membran M ist leichter elastisch verformbar. Der Membranschlitz erstreckt sich teilweise oder vollständig entlang einer Dickenrichtung der Membran M durch die Membran M hindurch. Der Membranschlitz MS in Form eines Sacklochs oder als Durchgangsloch ausgebildet sein.The membrane M is easily elastically deformable. The membrane slot extends partially or completely along a thickness direction of the membrane M through the membrane M. The membrane slot MS be designed in the form of a blind hole or as a through hole.
Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn eine Mehrzahl solcher Membranschlitze MS vorhanden ist. Bei einer Membran M mit kreisrunder Grundfläche GF sind die Membranschlitze MS vorteilhaft radial zum Mittelpunkt der Membran hin ausgerichtet und um den Mittelpunkt herum (sternförmig) angeordnet. Die piezoelektrische Membran ist im Energiewandler so angebracht, dass der Fluidstrom FS im Wesentlichen senkrecht auf sie trifft und zum Schwingen bringt. Die Membranschlitze MS kreuzen sich vorteilhafter Weise im Wesentlichen im Mittelpunkt der Membran M und bilden Dreiecke in der Membranstruktur. Die Krafteinwirkung des Fluidstroms FS wird durch die Dreiecksanordnung auf diese Weise für eine effiziente Energiewandlung verwendet.It has proven to be particularly advantageous if a plurality of such membrane slots MS is present. In the case of a membrane M with a circular base area GF, the membrane slots MS are advantageously oriented radially toward the center of the membrane and arranged around the center (star-shaped). The piezoelectric membrane is mounted in the energy converter so that the fluid flow FS is substantially perpendicular to it and causes it to vibrate. The membrane slots MS advantageously cross substantially in the center of the membrane M and form triangles in the membrane structure. The force action of the fluid flow FS is used by the triangular arrangement in this way for efficient energy conversion.
Das piezoelektrisches Element PE kann auf MEMS-Technologie (Micro Electro Mechanical Systems) basieren, sowohl als Piezofahne oder als Piezomembran ausgebildet. Mit dieser Technologie sind ein piezoelektrischer Energiewandler EW und eine Anordnung A mit sehr kleinen lateralen Abmessungen zugänglich. Darüber hinaus können sehr dünne Schichten ausgebildet werden. So betragen die Schichtdicken der Elektrodenschichten beispielsweise 0,1 μm bis 0,5 μm. Die piezoelektrische Schicht ist wenige μm dick, beispielsweise 1 μm bis 10 μm. Das piezoelektrische Element PE ist als dünne piezoelektrische Fahne oder Membran ausgestaltet. Das piezoelektrische Element PE verfügt über eine sehr geringe Masse. Außerdem kann ein solches piezoelektrische Element PE leicht zu mechanischen Schwingungen angeregt werden. Zur Vervollständigung des Piezoelements in Form einer piezoelektrischen Membran oder Fahne kann eine Trägerschicht TS vorgesehen sein, beispielsweise eine Trägerschicht aus Silizium, Polysilizium, Siliziumdioxid (SiO2) oder Siliziumnitrid (Si3N4). Eine Schichtdicke der Trägerschicht ist aus dem Bereich von 1 μm bis 100 μm ausgewählt. Die Trägerschicht TS ist optional.The piezoelectric element PE can be based on MEMS technology (Micro Electro Mechanical Systems), designed both as a piezo banner or as a piezo membrane. With this technology, a piezoelectric energy converter EW and an arrangement A with very small lateral dimensions are accessible. In addition, very thin layers can be formed. For example, the layer thicknesses of the electrode layers are 0.1 μm to 0.5 μm. The piezoelectric layer is a few microns thick, for example, 1 micron to 10 microns. The piezoelectric element PE is designed as a thin piezoelectric lug or membrane. The piezoelectric element PE has a very low mass. In addition, such a piezoelectric element PE can be easily excited to mechanical vibrations. To complete the piezoelectric element in the form of a piezoelectric membrane or flag, a carrier layer TS may be provided, for example a carrier layer of silicon, polysilicon, silicon dioxide (SiO 2 ) or silicon nitride (Si 3 N 4 ). A layer thickness of the carrier layer is selected from the range of 1 .mu.m to 100 .mu.m. The carrier layer TS is optional.
Anordnung zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie, die Anordnung umfassend: ein passives Element zur Erzeugung eines Fluidstroms, wobei das passive Element dergestalt an einer mechanisch verformbaren Umgebung angebracht ist, dass bei mechanischer Verformung der Umgebung eine mechanische Energie erzeugt wird, die auf das mechanische Element einwirkt und dabei einen Fluidstrom an einer Öffnung des passiven Elements erzeugt; und einen piezoelektrischen Energiewandler mit mindestens einem piezoelektrischen Element, in das eine durch den Fluidstrom hervorgerufene mechanische Kraft derart eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird und über den piezoelektrischen Effekt Strom erzeugt wird, der für eine autarke Versorgung, insbesondere für dezentrale lokale Systeme (z. B. Aktoren oder Sensoren) verwendbar ist. Diese indirekte Art der Energieeinkopplung von der mechanischen Umgebungsenergie in das piezoelektrische Element hat den Vorteil, dass der Fluidstrom sehr definiert erzeugt werden kann und eine potentielle mechanische Überlast in der Umgebung bei geeigneter Auslegung des passiven Elementes nicht direkt auf das piezoelektrische Element überkoppelt. Somit wird ein Defekt oder eine Zerstörung vermieden.Arrangement for converting mechanical energy into electrical energy, the arrangement comprising: a passive element for generating a fluid flow, wherein the passive element is attached to a mechanically deformable environment such that upon mechanical deformation of the environment a mechanical energy is generated which is imparted to the device acting mechanical element and thereby generates a fluid flow at an opening of the passive element; and a piezoelectric energy converter having at least one piezoelectric element, in which a mechanical force caused by the fluid flow can be coupled in such a way that the piezoelectric element is excited to mechanical vibrations and electricity is generated by the piezoelectric effect, which is used for a self-sufficient supply, in particular for decentralized local systems (eg actuators or sensors) can be used. This indirect way of coupling energy from the mechanical ambient energy into the piezoelectric element has the advantage that the fluid flow can be generated in a highly defined manner and does not directly couple a potential mechanical overload in the environment with a suitable design of the passive element to the piezoelectric element. Thus, a defect or destruction is avoided.
Bezugszeichenreference numeral
-
- UU
- Mechanisch verformbare UmgebungMechanically deformable environment
- AA
- Anordnungarrangement
- PAEPAE
- Passives ElementPassive element
- EWEW
- Energiewandlerenergy converters
- FF
- Federfeather
- OO
- Öffnungopening
- PEPE
- Piezoelektrisches ElementPiezoelectric element
- ESIT
- Elektrodenschichtelectrode layer
- PKSPKS
- PiezokeramikschichtPiezoceramic layer
- TSTS
- Trägerschichtbacking
- ALAL
- Auslenkungdeflection
- GG
- Gehäusecasing
- GKGK
- Gehäusekammerhousing chamber
- FSFS
- Fluidstromfluid flow
- FSEFSE
- Fluidstrom-EinlassFluid flow inlet
- FSAFSA
- Fluidstrom-AuslassFluid flow outlet
- MM
- Piezoelektrische MembranPiezoelectric membrane
- GFGF
- GrundflächeFloor space
- MSMS
- Membranschlitzmembrane slot
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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Effective date: 20131203 |