DE102006009717A1

DE102006009717A1 - Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie

Info

Publication number: DE102006009717A1
Application number: DE200610009717
Authority: DE
Inventors: Jens Makuth; Dirk Dr. Scheibner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-03-02
Filing date: 2006-03-02
Publication date: 2007-09-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie. Eine möglichst wartungsarme Vorrichtung zur Energieversorgung umfasst mindestens einen ersten Biegewandler (1) mit zumindest einer aktiven Schicht (2) aus einem durch eine elektrische Anregung formveränderbaren Material, wobei der erste Biegewandler (1) durch eine an seiner Oberfläche angreifende turbulente Strömung biegbar ist und die aktive Schicht (2) zur Wandlung einer in Form der turbulenten Strömung vorliegenden Energie in elektrische Energie vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie. Die Erfindung kommt beispielsweise zur Speisung von Verbrauchern zum Einsatz die nicht an das elektrische Versorgungsnetz angeschlossen werden sollen oder können.
Durch Miniaturisierung und Erhöhung des Integrationsgrades von Elektronik, Mechanik und Optik werden Systeme und Anwendungen bei zunehmender Intelligenz immer kleiner. Manche dieser intelligenten Systeme verfügen über eine Kommunikationsmöglichkeit, um mit anderen Systemen Daten auszutauschen. Hierbei wird häufig zur Vermeidung eines Verdrahtungsaufwandes eine drahtlose Kommunikation angestrebt.

Ein Beispiel für eine derartige Kleinstapplikation ist ein Sensor, der in einem komplexen technischen System zur Erfassung einer Messgröße an einer bestimmten Messposition montiert wird und seine Messdaten per Funk an eine Auswerteeinheit sendet. Beispielsweise ist aus der DE 198 26 513 A1 ein Automatisierungssystem mit einer Steuerungsvorrichtung zur Steuerung einer Verarbeitungsvorrichtung, insbesondere einer Fertigungsvorrichtung, bekannt, mit mindestens einem Sensor zur Übertragung von Sensordaten von der Verarbeitungsvorrichtung an die Steuerungsvorrichtung. Zur Verringerung des Aufwandes bei der Installation von Sensoren wird vorgeschlagen, dass der Sensor eine Funksendevorrichtung aufweist, die zur drahtlosen Übertragung der Sensordaten an eine mit der Steuerungsvorrichtung verbundene Empfangsvorrichtung vorgeschlagen ist.

Häufig werden Kleinsysteme wie Sensoren an beweglichen Teilen angebracht. Ein Beispiel wären als elektromechanische Mikrosysteme ausgeführte Sensoren, die auf rotierenden Teilen einer Fertigungsanlage, beispielsweise auf einer rotierenden Welle, montiert werden. Aus der DE 200 06 944 U1 ist eine Vorrichtung zur Meldung eines Schadens an einem auf einer Felge aufgezogenen Luftreifen eines Fahrzeugrades bekannt, wobei die Vorrichtung umfasst:

– einen das Fahrgeräusch aufnehmenden Sensor, der im Innenraum des Luftreifens mit einem die Sensorsignale sendeten Sender angeordnet ist,
– eine stationär am Fahrzeug vorgesehenen Auswerteeinrichtung mit einem Empfänger, der die gesendeten Sensorsignale empfängt, und
– eine an die Auswerteeinrichtung angeschlossenen Wandlereinrichtung, welche die empfangenen Sensorsignal nach ihrer Auswertung in wahrnehmbare Signale umsetzt.

In einem derartigen rotierenden System ist eine drahtlose Übertragung der Sensordaten besonders vorteilhaft. Dieser Vorteil kommt allerdings erst dann in vollem Umfang zu tragen, wenn auch auf eine Verkabelung des Sensors zu dessen Energieversorgung verzichtet werden kann. Daher werden derartige drahtlos kommunizierende Kleinstsysteme häufig batteriegespeist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst wartungsarme Vorrichtung zur Energieversorgung von Verbrauchern anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie gelöst mit mindestens einem ersten Biegewandler mit zumindest einer aktiven Schicht aus einem durch eine elektrische Anregung formveränderbaren Material, wobei der erste Biegewandler durch eine an seiner Oberfläche angreifende turbulente Strömung biegbar ist und die aktive Schicht zur Wandlung einer in Form der turbulenten Strömung vorliegenden Energie in elektrische Energie vorgesehen ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mindestens einen Biegewandler, der aus mindestens einer aktiven Schicht aufgebaut ist. Diese besteht aus einem elektroaktiven Material.

Bei einem aus einem elektroaktiven Material aufgebauten Medium lässt sich durch eine elektrische Anregung, beispielsweise durch Anlegen einer elektrischen Spannung, eine Formveränderung des Mediums erzielen. Beispielsweise wird durch Anlegen einer elektrischen Spannung an ein solches Material eine Kontraktion oder Expansion des Mediums bewirkt. Umgekehrt kann durch eine mechanische Anregung, die zur Verformung des Mediums führt, eine elektrische Spannung erzeugt werden.

Wird der erste Biegewandler durch eine mechanische Anregung verbogen, so führt dies zu einer Verformung der aktiven Schicht, wodurch ein elektrisches Signal erzeugt wird.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die mechanische Anregung – die Biegung des ersten Biegewandlers – durch eine an der Oberfläche des Biegewandlers angreifende turbulente Strömung verursacht wird. Hierbei handelt es sich beispielsweise um eine Luftströmung, prinzipiell sind aber auch jegliche Art der gasförmigen Strömung und darüber hinaus auch eine fluide Strömung denkbar und von der Erfindung umfasst. Wichtig ist hierbei, dass diese Strömung Wirbel enthält. Würde es sich bei der Strömung um eine laminare Strömung handeln, so würde der erste Biegewandler nur einmalig in dem Moment verbogen, in dem er der Strömung ausgesetzt ist. Hierdurch ließe sich jedoch nur ein singulärer elektrischer Impuls erzeugen. Ziel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist jedoch eine weitgehend kontinuierliche Erzeugung elektrischer Energie, solange der Biegewandler der Strömung ausgesetzt ist. Daher ist es vorgesehen, den Biegewandler einer turbulenten Strömung auszusetzen, die Wirbel definitionsgemäß enthält.

Durch die an der Oberfläche des Biegewandlers angreifenden Wirbel wirkt eine mechanische Wechselgröße auf den ersten Biegewandler. Die Wirbel sorgen dafür, dass die aktive Schicht unter dem Einfluss der turbulenten Strömung regelmäßig verformt wird. Hierdurch wird eine elektrische Wechselgröße erzeugt, die mit der Frequenz der durch die turbulente Strömung bewirkten mechanischen Anregungen schwingt. Ein der artig gestalteter Biegewandler kann somit als Wechselspannungsgenerator genutzt werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist der erste Biegewandler eine Trägerschicht auf, auf die die aktive Schicht aufgebracht ist. Auf diese Art und Weise entsteht ein Bimorph-Biegewandler. Die Trägerschicht kann entweder elektrisch passive Materialeigenschaften aufweisen, so dass sie in erster Linie aus Stabilitätsgründen vorgesehen ist, oder aber selbst aus einem elektroaktiven Material bestehen. Letzt genannte Ausführung erlaubt es, zwei gegenpolige Spannungen am ersten Biegewandler abzugreifen. Neben einem aus nur zwei Schichten aufgebauten Bimorph-Biegewandler ist auch eine Ausführung der Vorrichtung mit einem oder mehreren Multimorph-Biegewandlern denkbar, der oder die aus mehr als zwei Schichten aufgebaut sind, von denen vorteilhafter Weise mehr als eine Schicht elektroaktive Eigenschaften aufweist.

Für die Ausführung der elektroaktiven Schicht stehen verschiedene Realisierungsmöglichkeiten zur Verfügung. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die aktive Schicht piezoelektrische Eigenschaften auf. Piezoelektrische Biegewandler sind aus der Literatur zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie bekannt.

Alternativ ist aber auch eine Ausführungsform der Erfindung denkbar, bei der die aktive Schicht als elektroaktiver Polymer ausgeführt ist. Selbstverständlich sind auch multimorphe Ausführungen des ersten Biegewandlers denkbar, bei denen eine Schicht aus einem piezoelektrischen Material besteht und eine andere Schicht aus einem elektroaktiven Polymer.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, dass die Vorrichtung auf einer beweglichen, insbesondere rotierbaren Einheit montierbar und zur Energiewandlung während einer Bewegung der Einheit vorgesehen ist. Häufig ist gerade ein Verbraucher, der an einem beweglichen Teil, beispielsweise einem Maschinenteil, befestigt ist, schwer mit Energie zu versorgen. Die beschriebene Ausgestaltungsform der Erfindung ermöglicht es, einen derartigen Verbraucher mit der Vorrichtung, die ebenfalls auf dem beweglichen Teil montierbar ist, zu versorgen. Die turbulente Strömung, die als Quelle der elektrischen Energie verwendet wird, resultiert hierbei vorzugsweise aus der Bewegung selbst. Durch die Bewegung der Vorrichtung können Wirbel an der Oberfläche des ersten Biegewandlers entstehen, die diesen mechanisch zum Schwingen anregen und somit eine elektrische Wechselgröße auf Grund der Materialeigenschaften der aktiven Schicht erzeugen.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der letztgenannten Ausführungsform ist die bewegliche Einheit eine drehbare Welle. Eine beispielhafte Anwendung hierfür wäre die Versorgung eines auf einer rotierenden Welle angebrachten Kleinstsystems, beispielsweise eines Drehmomentsensors. Wünschenswert wäre in einem solchen Applikationsfall ein Drehmomentsensor der direkt auf der rotierenden Welle platziert ist und seine Messwerte drahtlos, beispielsweise per Funk, an eine Auswerteeinheit sendet. Ein drahtlos kommunizierender Sensor ist aber erst dann hinsichtlich seiner Montierbarkeit besonders vorteilhaft, wenn auch die Energieversorgung des Sensors drahtlos geschieht. Bekannt sind für solche Anwendungen aus dem Stand der Technik sogenannte Telemetriesysteme, die von außen z.B. elektrodynamische Energie einspeisen. Hierzu ist jedoch zusätzlicher Installations- und Materialaufwand von Nöten. Wird hingegen die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie zusammen mit dem Sensor auf die drehbare Welle montiert, so kann der Sensor quasi autark mit Strom versorgt werden. Durch die Rotation der Welle wird an der Oberfläche des ersten Biegeelementes die als Quelle der elektrischen Energie verwendete turbulente Strömung gebildet. Somit steht eine Quelle für die zu erzeugende elektrische Energie immer dann zur Verfügung, wenn sich die Welle dreht und somit immer dann, wenn naturgemäß die Messgröße detektiert und übertragen werden soll.

Da für eine kontinuierliche Energieerzeugung mit Hilfe der Vorrichtung eine Anregung des ersten Biegewandlers mit einer mechanischen Wechselgröße notwendig ist, muss in irgendeiner Weise dafür Sorge getragen werden, dass die Strömung zumindest im Bereich der Oberfläche des ersten Biegewandlers turbulenten Charakter besitzt. Für eine Wirbelauslösung an der Oberfläche des ersten Biegewandlers sind verschiedene Ausführungen der Erfindung denkbar, die alternativ oder auch in Kombination realisiert werden können.

Beispielsweise ist eine Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft, bei der die Vorrichtung eine Struktur aufweist, die derart in Bezug auf den ersten Biegewandler angeordnet ist, dass bei einer Montage der Vorrichtung auf der beweglichen Einheit und einer Bewegung der beweglichen Einheit der erste Biegewandler die Struktur derart passiert, dass Wirbel an der Oberfläche des ersten Biegewandlers erzeugt werden, die den ersten Biegewandler zur Schwingung anregen. Führt man den ersten Biegewandler sehr nahe an einer derartigen Struktur vorbei, kommt es zu einer Kompression der Luft in dem Luftspalt, der sich im Moment des Passierens zwischen dem ersten Biegewandler und der Struktur bildet. Hierdurch entstehen eine Verwirbelung der Luft und damit eine periodische Auslenkung des ersten Biegewandlers, die zur Erzeugung einer elektrischen Wechselgröße verwendet werden kann.

Alternativ oder auch zusätzlich ist eine Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft, bei der der erste Biegewandler derart geformt ist, dass durch eine an der Oberfläche des ersten Biegewandlers abreißende Strömung Wirbel erzeugbar sind. Ein Beispiel für eine derartige Strömung ist z.B. ein Luftstrom, der den ersten Biegewandler umgibt, wenn dieser auf einer rotierenden Welle montiert ist.

Bei einer derartigen Ausführungsform versucht man durch entsprechende Formgebung einen Effekt zu provozieren, der beispielsweise im Flugzeug- oder Turbinenbau üblicher Weise minimiert werden soll. Turbinenschaufeln werden in der Regel so optimiert, dass die Strömung, die sie umgibt, möglichst nicht abreißt, also laminar bleibt. Durch das Abreißen der Strömung würde ein Moment auf die Turbinenschaufel übertragen, was bei derartigen Applikationen natürlich nicht gewünscht ist. Durch die Wahl einer Form für den ersten Biegewandler, die einen solchen Strömungsabriss geradezu provoziert, kann hingegen ein solches durch Wirbel ausgelöstes Wechselmoment zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden. Durch den Abriss der Strömung am ersten Biegeelement kann dieses bereits zur Schwingung angeregt werden.

Der beschriebene Effekt wird bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung noch effizienter genutzt, bei der die Vorrichtung einen zweiten Biegewandler mit zumindest einer weiteren aktiven Schicht aus einem durch eine elektrische Anregung formveränderbaren Material aufweist, wobei der zweite Biegewandler durch eine an seiner Oberfläche angreifende turbulente Strömung biegbar ist und die weitere aktive Schicht zur Wandlung einer in Form der turbulenten Strömung vorliegenden Energie in elektrische Energie vorgesehen ist, wobei der zweite Biegewandler derart in Bezug auf den ersten Biegewandler angeordnet ist, dass die durch die an der Oberfläche des ersten Biegewandlers abreißende Strömung verursachten Wirbel an der Oberfläche des zweiten Biegewandlers angreifen und diesen zur Schwingung anregen. Hierbei wird der zweite Biegewandler in der durch den ersten Biegewandler verwirbelte Luft positioniert, um so ein möglichst großes mechanisches Wechselmoment abgreifen zu können.

Die beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung bzw. des oder der Biegewandler erzeugen naturgemäß zunächst eine elektrische Wechselgröße, beispielsweise eine elektrische Wechselspannung. Die Frequenz dieser Wechselspannung hängt von der Frequenz der mechanischen Anregung ab, die durch die turbulente Strömung hervorgerufen wird. In der Regel ist es daher notwendig, die generierte elektrische Spannung für einen zu versorgenden Verbraucher anzupassen. Um dies zu leisten, ist eine Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft, bei der die Vorrichtung einen Umrichter zur Anpassung der von der aktiven Schicht erzeugten elektrischen Energie für einen zu speisenden Verbraucher aufweist. Handelt es sich hierbei um einen Gleichstromverbraucher, so ist der Umrichter vorteilhafter Weise als Gleichrichter auszuführen. Je nach Eingangsspannung des zu versorgenden Verbrauchers kann es zweckmäßig sein, diesem noch einen Hochsetz- oder Tiefsetzsteller nachzuschalten.

Durch die Kombination einer Vorrichtung gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung mit einem von der Vorrichtung gespeisten Verbraucher erhält man ein hinsichtlich der Energieversorgung vollkommen autarkes System. Aufgrund dieser Eigenschaft ist eine Ausführung eines solchen Systems besonders vorteilhaft, bei der das System auf einer beweglichen, insbesondere rotierbaren Einheit, montierbar ist. Insbesondere im Umfeld elektrischer oder mechanischer Antriebe ist eine Ausführung vorteilhaft, bei der die bewegliche Einheit eine drehbare Welle ist. Der Verbraucher kann hierbei zusammen mit der Vorrichtung auf der drehbaren Welle montiert werden, ohne dass hierbei von außen Energie zur Speisung des Verbrauchers zugeführt werden muss.

Ein Beispiel für eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Systems mit einer Vorrichtung gemäß einer der zuvor geschilderten Ausführungsformen und einem von der Vorrichtung gespeisten Verbraucher ist dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher als Sensor ausgeführt ist. Beispielsweise ist eine derartige Ausführungsform dann besonders vorteilhaft, wenn der Sensor auf einer beweglichen, insbesondere rotierbaren Einheit montiert werden soll. Handelt es sich hierbei beispielsweise um die drehbare Welle eines elektrischen oder mechanischen Antriebs, so wird der Sensor, der beispielsweise als Drehmoment-, Temperatur- oder Drehratensensor ausgeführt ist, zusammen mit der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie auf der Welle montiert. Als Resultat erhält man einen vollkommen autarken Sensor.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform eines derartigen autarken Sensors, bei der der Sensor eine Sendeeinrichtung zur drahtlosen Übertragung von Messwerten aufweist. Hierbei wird weder zur Kommunikation noch zur Energieversorgung des Sensors eine Verkabelung benötigt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen:
1 eine auf einer beweglichen Einheit montierte Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie,
2 einen ersten Biegewandler der auf der drehbaren Welle montierten Vorrichtung beim Passieren einer Struktur,
3 eine Ausgestaltung eines Luftspaltes zwischen einem ersten Biegewandler und einer Struktur,
4 eine erste Ausführung einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit hintereinander positionierten Biegewandlern,
5 eine zweite Ausführung einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit hintereinander positionierten Biegewandlern,
6 eine dritte Ausführung einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit hintereinander positionierten Biegewandlern und
7 ein System mit einem Verbraucher und einer Vorrichtung zum Speisen des Verbrauchers.
1 zeigt eine auf einer beweglichen Einheit 4 montierte Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie. Die bewegli che Einheit 4 stellt hierbei eine drehbare Welle eines Motors dar. Beispielsweise soll es sich hierbei um einen Elektromotor handeln, für dessen Regelung Messdaten benötigt werden, die direkt auf der Welle 4 erfasst werden. Typische Messgrößen, die hierbei von Interesse sein können, sind ein auf die Welle 4 aufgebrachtes Drehmoment oder eine von der Welle geleistete Drehrate. Zur Bestimmung dieser Größen wird ein entsprechender Sensor auf der Welle 4 angebracht. Dieser muss mit Strom versorgt werden und stellt daher einen elektrischen Verbraucher 8 dar. Der Sensor 8 verfügt über eine Funkeinheit zur drahtlosen Übertragung der Messdaten zu einer außerhalb des Motorgehäuses angebrachten Auswerteeinrichtung. Die drahtlose Datenübertragung ist in diesem Anwendungsfall besonders vorteilhaft, da eine komplett kabelgebundene Übertragung der Messdaten nur mit Hilfe von Schleifringen oder ähnlicher Konstruktion realisierbar wäre.
Aufgabe der auf der Welle 4 montierten Vorrichtung ist die Versorgung des Sensors 8 mit elektrischer Energie. Vorrichtung und Sensor 8 stellen hierbei ein autarkes System dar, welches keinerlei Zufuhr elektrischer Energie von außen benötigt. Die Vorrichtung umfasst vier Biegewandler, von denen hier nur ein erster Biegewandler 1 mit einem Bezugszeichen versehen ist. Der erste Biegewandler 1, wie auch die anderen dargestellten Biegewandler, umfassen eine aktive Schicht 2, die auf einer Trägerschicht 3 aufgebracht ist. Speziell ist hier der erste Biegewandler 1 als Piezo-Bimorph ausgeführt. D.h., bei der aktiven Schicht 2 handelt es sich um eine piezoelektrische Keramik, die auf der Trägerschicht 3 aufgeklebt ist. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung kann ein derartiger Piezo-Bimorph kontrahiert oder extrahiert werden; je nach Polarität der angelegten Spannung. Infolge dessen kommt es zu einer Verbiegung des ersten Biegewandlers.
Umgekehrt erzeugt eine mechanische Verbiegung des Biegewandlers 1 eine an der aktiven Schicht 2 abgreifbare elektrische Spannung, deren Polarität davon abhängt, ob die aktive Schicht 2 bei der Verbiegung kontrahiert oder extrahiert wird. Bei der Verbiegung des ersten Biegewandlers 1 wird also mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt.
Um eine signifikante Energiemenge mit einem derartigen Piezo-Bimorph kontinuierlich bereitzustellen, muss der Biegewandler 1 mit einer mechanischen Wechselgröße angeregt werden. Als Quelle für eine derartige mechanische Anregung wird eine turbulente Strömung genutzt, die durch die Bewegung der beweglichen Einheit 4, also durch ein Drehen der Welle 4, hervorgerufen wird. Allein durch das Drehen der Welle 4 und der hierauf montierten Vorrichtung wird der erste Biegewandler 1 von einer Strömung umgeben. Eine laminare Strömung würde jedoch dazu führen, dass der erste Biegewandler 1 nur einmalig ausgelenkt wird und somit nicht mit der benötigten mechanischen Wechselgröße beaufschlagt wird. Um das erste Biegeelement 1 in eine mechanische Schwingung zu versetzen, weist der Ständer 10 des Elektromotors an seiner Innenseite eine Struktur 5 auf, die der erste Biegewandler 1 bei seiner Rotationsbewegung auf der Welle 4 in regelmäßigen Abständen passiert. Hierbei ist der erste Biegewandler 1 derart in Bezug auf die Struktur 5 angeordnet, dass während des Passierens nur ein sehr kleiner Luftspalt zwischen dem ersten Biegewandler 1 und der Struktur 5 verbleibt. Aufgrund dessen kommt es während des Passierens zu einer Kompression der Luft im Luftspalt, was wiederum eine Wirbelbildung zur Folge hat. Durch die Wirbelbildung wird der erste Biegewandler 1 zum Schwingen angeregt, was eine an der aktiven Schicht 2 abgreifbare elektrische Wechselspannung erzeugt. Diese elektrische Wechselspannung kann zur Versorgung des Sensors 8 verwendet werden.
Zur Veranschaulichung dieser durch die Luftkomprimierung hervorgerufenen mechanischen Schwingungen zeigt 2 einen ersten Biegewandler 1 der auf der drehbaren Welle montierten Vorrichtung bei einem Passieren einer Struktur 5.
Der unter den 1 und 2 beschriebene Verwirbelungseffekt kann durch eine Optimierung des Luftspalts noch weiter erhöht werden.
3 zeigt eine Ausgestaltung eines Luftspaltes 11 zwischen einem ersten Biegewandler 1 und einer Struktur 5. Bei dieser Ausgestaltung wird die Länge des Luftspaltes künstlich vergrößert, ohne dass hierzu die Dicken des ersten Biegeelementes 1 und der Struktur 5 entsprechend vergrößert werden müssen. Alternativ wäre auch eine Ausführungsform zur Vergrößerung der Luftspaltlänge denkbar, bei der der Luftspalt 11 schräg ausgeführt ist, um Querkräfte zu erzeugen. Auch diese Querkräfte könnten zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden.
Prinzipiell ist eine Erzeugung einer mechanischen Wechselanregung auch ohne die in den vorherigen Figuren dargestellten Strukturen 5 denkbar.
Beispielsweise zeigt 4 eine erste Ausführung einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit hintereinander positionierten Biegewandlern 1, 6. Auf einer als Motorwelle ausgeführten beweglichen Einheit 4 sind die Biegewandler 1, 6 turbinenschaufelartig hintereinander geordnet angebracht. Exemplarisch ist hier ein erster Biegewandler 1 mit einem Bezugszeichen versehen, der vor einem zweiten Biegewandler 6 angeordnet ist. Während man bei einer Turbine bestrebt wäre, die Turbinenschaufeln so zu optimieren und auszurichten, dass die Strömung an den einzelnen Turbinenschaufeln nicht abreißt und somit laminaren Charakter behält, wird bei der hier dargestellten Ausführung der Erfindung gerade eine turbulente Strömung angestrebt. Ziel bei der hier dargestellten ersten Ausführung der Vorrichtung ist, dass die Strömung am ersten Biegewandler 1 abreißt, so dass sich Wirbel bilden, die den zweiten Biegewandler 6 zu einer Schwingung anregen. Der zweite Biegewandler 6 ist also derart, in Bezug auf den ersten Biegewandler 1 angeordnet, dass er einer vom ersten Biegewandler 1 erzeugten turbulenten Strömung ausgesetzt ist. Diese wird wiederum zur Erzeugung einer elektrischen Wechselspannung oder eines elektrischen Wechselstromes genutzt.
5 zeigt eine zweite Ausführung einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit hintereinander positionierten Biegewandlern 1, 6. Die Biegewandler 1, 6 sind derart geformt, dass sie bei einer von links nach rechts gerichteten Strömung eine Wirbelauslösung an ihrer Oberfläche begünstigen. So ist hinter einem ersten Biegewandler 1 ein zweiter Biegewandler 6 angeordnet, der durch Wirbel, die an der Oberfläche des ersten Biegewandlers 1 erzeugt werden, zur Schwingung angeregt wird.
6 zeigt eine dritte Ausführung einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit hintereinander positionierten Biegewandlern 1, 6. Durch eine Bewegung der Vorrichtung von rechts nach links sind die Biegewandler 1, 6 einer von links nach rechts gerichteten Strömung ausgesetzt. Auch hier ist wiederum das Ziel der dargestellten Anordnung, einen zweiten Biegewandler 6 derart hinter einen ersten Biegewandler 1 zu positionieren, dass er durch an der Oberfläche des ersten Biegewandlers 1 erzeugte Wirbel zur Schwingung angeregt wird. Durch eine optimale Wahl eines Anstellwinkels 12 der Biegeelemente 1, 6, von denen auch hier beispielhaft nur das erste und zweite Biegeelement 1, 6 mit einem Bezugszeichen versehen sind, kann der Effekt der Wirbelbildung noch weiter verstärkt werden.
7 zeigt ein System mit einem Verbraucher 8 und einer Vorrichtung zum Speisen des Verbrauchers 8. Wie bei den bereits in 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung ein erstes Biegeelement 1, das beim Passieren einer Struktur 5 durch Kompression von Luft zur Schwingung angeregt wird. Hierbei erzeugt das Biegeelement 1 eine Wechselspannung, die mit der Frequenz der mechanischen Anregung des Biegewandlers schwingt. Der Verbraucher 8 benötigt jedoch eine Eingangsgleichspannung. Daher weist die Vorrichtung darüber hinaus einen zur Gleichrichtung vorgesehenen Umrichter 7 auf. Bei dem Umrichter 7 kann es sich in einer einfachen Realisierung um einen B2-Brückengleichrichter handeln, an dessen Ausgang ein Glättungskondensator 9 geschaltet ist. Das darge stellte System ist in der Lage, sich autark aus einer turbulenten Strömung, die in dem Beispiel aus einer Bewegung des ersten Biegeelementes 1 relativ zur Struktur 5 hervorgerufen wird, mit Energie zu versorgen.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit mindestens einem ersten Biegewandler (1) mit zumindest einer aktiven Schicht (2) aus einem durch eine elektrische Anregung formveränderbaren Material, wobei der erste Biegewandler (1) durch eine an seiner Oberfläche angreifende turbulente Strömung biegbar ist und die aktive Schicht (2) zur Wandlung einer in Form der turbulenten Strömung vorliegenden Energie in elektrische Energie vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Biegewandler (1) eine Trägerschicht (3) aufweist, auf die die aktive Schicht (2) aufgebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die aktive Schicht (2) piezoelektrische Eigenschaften aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die aktive Schicht (2) als elektroaktiver Polymer ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Vorrichtung auf einer beweglichen, insbesondere rotierbaren Einheit (4) montierbar und zur Energiewandlung während einer Bewegung der Einheit (4) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die bewegliche Einheit (4) eine drehbare Welle ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die Vorrichtung eine Struktur (5) aufweist, die derart in Bezug auf den ersten Biegewandler (1) angeordnet ist, dass bei einer Montage der Vorrichtung auf der beweglichen Einheit (4) und einer Bewegung der beweglichen Einheit (4) der erste Biegewandler (1) die Struktur (5) derart passiert, dass Wirbel an der Oberfläche des ersten Biegewandlers (1) erzeugt werden, die den ersten Biegewandler (1) zur Schwingung anregen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Biegewandler (1) derart geformt ist, dass durch eine an der Oberfläche des ersten Biegewandler (1) abreißende Strömung Wirbel erzeugbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Vorrichtung einen zweiten Biegewandler (6) mit zumindest einer weiteren aktiven Schicht aus einem durch eine elektrische Anregung formveränderbaren Material aufweist, wobei der zweite Biegewandler (1) durch eine an seiner Oberfläche angreifende turbulente Strömung biegbar ist und die weitere aktive Schicht zur Wandlung einer in Form der turbulenten Strömung vorliegenden Energie in elektrische Energie vorgesehen ist, wobei der zweite Biegewandler derart in Bezug auf den ersten Biegewandler (1) angeordnet ist, dass die durch die an der Oberfläche des ersten Biegewandlers abreißende Strömung verursachten Wirbel an der Oberfläche des zweiten Biegewandlers (6) angreifen und diesen zur Schwingung anregen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung einen Umrichter (7) zur Anpassung der von der aktiven Schicht (2) erzeugten elektrischen Energie für einen zu speisenden Verbraucher (8) aufweist.
System mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und einem von der Vorrichtung gespeisten Verbraucher (8).
System nach Anspruch 11, wobei das System auf einer beweglichen, insbesondere rotierbaren Einheit (4) montierbar ist.
System nach Anspruch 12, wobei die bewegliche Einheit (4) eine drehbare Welle ist.
System nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei der Verbraucher (8) als Sensor ausgeführt ist.
System nach einem der Ansprüche 14, wobei der Sensor eine Sendeeinrichtung zur drahtlosen Übertragung von Messwerten aufweist.