DE102007049418B4

DE102007049418B4 - Piezoelectric microgenerator

Info

Publication number: DE102007049418B4
Application number: DE102007049418.3A
Authority: DE
Inventors: Dr. Bauer Karin; Wolfgang Hellmich; Sebastian Pobering; Prof. Schwesinger Norbert; Dr. Sellen Martin; Johann Sperl
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2007-10-12
Filing date: 2007-10-12
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2027-10-13
Also published as: DE102007049418A1; WO2009046709A1

Abstract

Piezoelektrischer Mikrogenerator zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem strömenden Fluid, der eine Anzahl von in der Strömung des Fluids angeordneten, in einer Längsrichtung ausgedehnten Biegeschwingern einer gegebenen Länge l aufweist, welche jeweils durch in Längsrichtung der Biegeschwinger verlaufende piezoelektrische Plättchen (1a, 1b) gebildete Bimorphelemente (1) umfassen und an einem ersten Ende an einem Halteelement (2) befestigt sind und ein in der Längsrichtung von dem ersten Ende beabstandetes zweites Ende aufweisen, und mit einer Elektrodenanordnung (3, 4, 5, 6) zur elektrischen Kontaktierung der piezoelektrischen Plättchen (1a, 1b), wobei die Biegeschwinger beim Betrieb durch das strömende Fluid mit ihrem zweiten, freien Ende quer zu ihrer Längsrichtung in Schwingung versetzt werden, und wobei die Biegeschwinger durch die Bimorphelemente (1) selbst gebildet sind, die sich im wesentlichen von dem ersten, an dem Halteelement (2) befestigten Ende zu dem zweiten, freien Ende hin erstrecken, und wobei seitlich nebeneinander befindliche Bimorphelemente (1) an einem gemeinsamen Halteelement (2) befestigt sind, und wobei die piezoelektrischen Bimorphelemente (1) mit ihrer Längsrichtung im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des Fluids angeordnet sind und das Halteelement (2) stromaufwärts derselben angeordnet ist und die piezoelektrischen Bimorphelemente (1) beim Betrieb durch das strömende Fluid mit ihrem zweiten, freien Ende quer zur Strömungsrichtung in Schwingung versetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame Halteelement (2), an welchem die jeweils seitlich nebeneinander befindlichen Bimorphelemente (1) befestigt sind, um seine quer zur Strömungsrichtung des Fluids und damit quer zur Längsrichtung der Bimorphelemente (1) verlaufende Längsachse z in begrenztem Maße rotatorisch gelagert ist oder in einer quer zur Strömungsrichtung des Fluids und damit quer zur Längsrichtung der Bimorphelemente (1) und quer zur Längsachse des Halteelements (2) verlaufenden Hochrichtung y in begrenztem Maße translatorisch gelagert ist.A piezoelectric microgenerator for generating electrical energy from a flowing fluid which has a number of bending oscillators of a given length 1 arranged in the flow of the fluid, which extend in a longitudinal direction and which comprise bimorph elements formed by piezoelectric plates (1a, 1b) extending in the longitudinal direction of the bending oscillators (1) and are fixed to a holding member (2) at a first end and having a second end spaced longitudinally from the first end, and an electrode assembly (3, 4, 5, 6) for electrically contacting the piezoelectric sheets (1a, 1b), wherein the bending vibrators are vibrated in operation by the flowing fluid with its second, free end transversely to its longitudinal direction, and wherein the bending oscillators are formed by the bimorph elements (1) itself, substantially from the first, attached to the holding element (2) end to the second n, wherein laterally adjacent bimorph elements (1) are fastened to a common holding element (2), and wherein the piezoelectric bimorph elements (1) are arranged with their longitudinal direction substantially parallel to the flow direction of the fluid and the holding element ( 2) upstream of the same is arranged and the piezoelectric bimorph elements (1) during operation by the flowing fluid with its second, free end are vibrated transversely to the flow direction, characterized in that the common holding element (2), on each of which side by side Bimorphelemente (1) are attached to its transverse to the flow direction of the fluid and thus transversely to the longitudinal direction of the bimorph (1) extending longitudinal axis z is rotatably mounted to a limited extent or in a direction transverse to the flow direction of the fluid and thus transversely to the longitudinal direction of the bimorph elements ( 1) and across Longitudinal axis of the holding element (2) extending vertical direction y is mounted translationally to a limited extent.

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Mikrogenerator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a piezoelectric microgenerator according to the preamble of claim 1.

Wird ein Körper kontinuierlich von einem Fluid umströmt, bilden sich unter bestimmten Voraussetzungen in Strömungsrichtung hinter dem Körper charakteristische Wirbel aus. Diese Wirbel wurden nach Theodore von Kármán benannt, der sie 1911 erstmalig analytisch beschrieb. Von Kármán'sche Wirbelstraßen treten in einem breiten Geschwindigkeitsbereich von weit unterhalb der kritischen Reynoldszahl bis zu Reynoldszahlen von > 10.000 auf. Die Dimensionen von Wirbelstrassen reichen von ca. 100 Mikrometern bis zu ungefähr 100 Kilometern. Die Zeit zwischen der Ablösung zweier aufeinander folgender Wirbel ist über die Strouhal-Zahl charakteristisch mit der Strömungsgeschwindigkeit und der Größe des Störkörpers verbunden. Befinden sich innerhalb der Wirbelstrasse bewegliche Strukturen, werden diese zum Schwingen angeregt. Das Prinzip findet in der Messtechnik bei so genannten „Wirbelzählern” zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit Anwendung.If a fluid flows around a body continuously, characteristic vortexes form behind the body under certain conditions in the flow direction. These vortices were named after Theodore von Kármán, who described them analytically for the first time in 1911. From Kármán vortex streets occur in a wide speed range from well below the critical Reynolds number to Reynolds numbers of> 10,000. The dimensions of vortex streets range from about 100 microns to about 100 kilometers. The time between the separation of two successive vortices is associated with the Strouhal number characteristic of the flow velocity and the size of the obstruction. If there are moving structures within the vortex street, they are stimulated to vibrate. The principle is used in measurement technology in so-called "vortex meters" for determining the flow velocity.

Piezoelektrische Generatoren werden fast ausnahmslos im Klein- und Kleinstleistungsbereich eingesetzt. Sie sind in diesem Bereich zur Versorgung von elektrischen Kleingeräten, wie z. B. Sensoren mit integrierter Elektronik geeignet. In der Literatur beschriebene Piezogeneratoren nutzen hauptsächlich anthropogene Energiequellen, wie z. B. Vibrationen, die sonst ungenutzt bleiben. Derartige Generatoren bestehen meist aus einem einseitig eingespannten Bimorphbalken, dessen Einspannung mit dem schwingenden Gerät verbunden ist und am anderen Ende eine seismische Masse besitzt. Bei der Schwingung bewirkt die Masse eine kontinuierliche Verbiegung des Balkens und somit eine Ladungstrennung. Diese Systeme besitzen eine sehr hohe Resonanzüberhöhung, so dass sie ihren maximalen Wirkungsgrad nur bei Vibrationsfrequenzen erreichen, die der Eigenresonanz des Feder-Masse Systems entsprechen (Glynne-Jones). Andere Generatoren auf piezoelektrischer Basis nutzen menschliche Bewegungsenergie z. B. beim Betätigen von Schaltern zum funkgesteuerten Schalten von Verbrauchern in der Gebäudeinstallation (Enocean). In Schuhe integrierte piezoelektrische Generatoren erzeugen beim Laufen Energie und versorgen Kommunikations- und Navigationsgeräte (DARPA/Pentagon).Piezoelectric generators are used almost without exception in the smallest and smallest power range. You are in this area for the supply of small electrical appliances, such. B. sensors with integrated electronics suitable. Pieducers described in the literature mainly use anthropogenic energy sources, such. B. vibrations that would otherwise remain unused. Such generators usually consist of a cantilevered bimorph bar whose clamping is connected to the vibrating device and has a seismic mass at the other end. In the vibration, the mass causes a continuous bending of the beam and thus a charge separation. These systems have a very high resonance peak, so that they reach their maximum efficiency only at vibration frequencies that correspond to the natural resonance of the spring-mass system (Glynne-Jones). Other generators on a piezoelectric basis use human kinetic energy z. B. when operating switches for radio-controlled switching of consumers in the building installation (Enocean). Footwear-integrated piezoelectric generators generate energy while running and provide communication and navigation devices (DARPA / Pentagon).

Es sind auch Generatoren bekannt, die aus Fluidströmungen Energie erzeugen. Dies geschieht entweder innerhalb ( US 4 005 319 A , US 3 519 009 A , US 6 011 346 A ), oder auch außerhalb geschlossener Systeme ( DE 33 90 497 C2 , US 6 424 079 B1 ). Darüber hinaus sind piezoelektrische Generatoren beschrieben, die auf verschiedene Arten Energie aus Meereswellen erzeugen ( DE 43 39 306 A1 , DE 43 39 307 A1 ).Generators are also known which generate energy from fluid flows. This happens either within ( US 4 005 319 A . US Pat. No. 3,519,009 A . US 6 011 346 A ), or even outside closed systems ( DE 33 90 497 C2 . US Pat. No. 6,424,079 B1 ). In addition, piezoelectric generators are described which generate energy from sea waves in various ways ( DE 43 39 306 A1 . DE 43 39 307 A1 ).

In der DE 33 90 497 C2 und in der US 4 387 318 A ist ein piezoelektrischer fluidelektrischer Generator zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem strömenden Fluid, insbesondere bewegter Luft, nach Art eines Flatterflügels beschrieben. Dieser umfasst ein piezoelektrisches Biegeelement und einen Flügel, der durch ein U-förmiges Bauteil gehaltert ist, welches am freien Ende des piezoelektrischen Biegeelements befestigt ist. Das andere Ende des piezoelektrischen Biegeelements ist in einer Halterung einer Montagevorrichtung festgelegt. Das piezoelektrische Biegeelement enthält zwei piezoelektrische Teile oder Plättchen mit einem elastischen Metallblechteil dazwischen. An den piezoelektrischen Teilen sind Elektroden angebracht, mit denen diese elektrisch kontaktiert sind. Längs des so gebildeten Flügels strömende Luft veranlasst diesen zu einer Flatterbewegung, welche zur Erzeugung elektrischer Energie in dem piezoelektrische Biegeelement genutzt wird. Gemäß einer dort beschriebenen Ausführung ist eine Mehrzahl von solchen piezoelektrischen Flatterflügelgeneratoren in Form eines 2-dimensionalen Arrays an einem Schneezaun montiert, um als Windmühle zur Erzeugung von elektrischer Leistung aus Windenergie zu arbeiten. Verschiedene Flatterflügel in dieser Anordnung können so abgestimmt sein, dass sie optimal bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten ansprechen. Gemäß einem weiteren in den beiden genannten Druckschriften beschriebenen Ausführungsbeispiel sind an einem Ende an einer Platte eines sogenannten Kanalmasts festgelegte Biegeelemente vorgesehen, die mit ihrer Längsrichtung quer zur Strömungsrichtung des Fluids angeordnet sind. Die durch eine Öffnung in der Platte des Kanalmasts auf die Biegeelemente treffende Strömung erzeugt einen lokalisierten Bereich niedrigen Drucks, der gemäß dem Bernoullischen Prinzip das Element zur Platte des Kanalmasts hin saugt und dadurch die Strömung verringert, so dass die Saugkraft abnimmt, bis die elastische Kraft des Biegeelements die Bewegung desselben umkehrt, so dass eine zyklische Schwingungsbewegung nach Art der Zunge eines Musikinstruments erzeugt, beispielsweise wie bei einer Klarinette.In the DE 33 90 497 C2 and in the US 4,387,318 is a piezoelectric fluid electrical generator for generating electrical energy from a flowing fluid, in particular moving air, described in the manner of a flap wing. This comprises a piezoelectric bending element and a wing, which is supported by a U-shaped member which is fixed to the free end of the piezoelectric bending element. The other end of the piezoelectric bending element is fixed in a holder of a mounting device. The piezoelectric bending element includes two piezoelectric parts or plates with an elastic sheet metal part therebetween. At the piezoelectric parts electrodes are attached, with which they are electrically contacted. Air flowing along the wing thus formed causes it to flutter, which is used to generate electrical energy in the piezoelectric bending element. According to an embodiment described therein, a plurality of such two-dimensional array flutter blade piezoelectric generators are mounted on a snow fence to operate as a windmill for generating electric power from wind energy. Different tail wings in this arrangement can be tuned to respond optimally at different wind speeds. According to a further embodiment described in the two cited publications bending elements are provided at one end to a plate of a so-called channel mast, which are arranged with their longitudinal direction transverse to the flow direction of the fluid. The flow impinging on the flexures through an aperture in the plate of the channel mast creates a localized area of low pressure which, according to the Bernoulli principle, sucks the element towards the plate of the channel mast and thereby reduces the flow so that the suction force decreases until the elastic force the bending element reverses the movement thereof so as to produce a cyclic oscillating movement in the manner of the tongue of a musical instrument, for example as in a clarinet.

In der US 6 424 079 B1 ist ein piezoelektrischer Generator zur Gewinnung elektrischer Energie aus einem Strom von fließendem Wasser beschrieben, bei dem auf einer flexiblen zentralen Schicht eine Anzahl von getrennten piezoelektrischen Elementen vorgesehen sind. Beim Betrieb soll diese Anordnung einer schlangenförmigen Bewegung unterworfen werden, bei der die einzelnen piezoelektrischen Elemente mit unterschiedlicher Phasenlage gekrümmt werden. Die von den einzelnen Elementen abgegebene elektrische Leistung soll getrennt gesammelt und danach elektrisch zusammengefasst werden.In the US Pat. No. 6,424,079 B1 there is described a piezoelectric generator for recovering electrical energy from a flow of flowing water, wherein a number of separate piezoelectric elements are provided on a flexible central layer. In operation, this arrangement is to be subjected to a serpentine movement in which the individual piezoelectric elements are curved with different phase angles. The one by one Elements delivered electrical power to be collected separately and then summarized electrically.

Aus der US 6 011 346 A ist ein piezoelektrischer Generator zur Gewinnung elektrischer Energie aus einem Strom eines in einem Kanal oder einem Rohr fließendem Fluid bekannt, bei dem auf einem flexiblen zentralen Träger, der den Kanal bzw. das Rohr in zwei Teilkanäle trennt, eine Anzahl von getrennten piezoelektrischen Elementen vorgesehen sind, die jeweils nach der einen Seite und der anderen Seite ausgelenkt werden und dabei elektrische Energie erzeugen sollen. Stromaufwärts der piezoelektrischen Elemente ist ein den Kanalquerschnitt verengender Körper vorgesehen, der sowohl bezüglich des Kanals oder Rohrs als auch bezüglich der piezoelektrischen Elemente seitlich beweglich ist und eine Schwingung der piezoelektrischen Elemente verursacht.From the US 6 011 346 A For example, a piezoelectric generator for recovering electrical energy from a flow of fluid flowing in a duct or pipe is known in which a number of separate piezoelectric elements are provided on a flexible central support separating the duct into two subchannels , which are to be deflected to one side and the other side and thereby generate electrical energy. Upstream of the piezoelectric elements is provided a channel cross-sectional narrowing body which is laterally movable with respect to both the channel or tube and the piezoelectric elements and causes vibration of the piezoelectric elements.

Im Beitrag Pobering S., Schwesinger N.: Generator zur Erzeugung elektrischer Energie mithilfe piezoelektrischer Bimorphwandler. In: 7. Chemnitzer Fachtagung Mikromechanik & Mikroelektronik, 26./27.10.2005, S. 11–15 wurde ein piezoelektrischer Mikrogenerator zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem strömenden Fluid vorgeschlagen, der eine Anzahl von in der Strömung des Fluids angeordneten, in einer Längsrichtung ausgedehnten Biegeschwingern einer gegebenen Länge aufweist, welche jeweils durch in Längsrichtung der Biegeschwinger verlaufende piezoelektrische Plättchen gebildete Bimorphelemente umfassen und an einem ersten Ende an einem Halteelement befestigt sind und ein in der Längsrichtung von dem ersten Ende beabstandetes zweites Ende aufweisen, und mit einer Elektrodenanordnung zur elektrischen Kontaktierung der piezoelektrischen Plättchen, wobei die Biegeschwinger beim Betrieb durch das strömende Fluid mit ihrem zweiten, freien Ende quer zu ihrer Längsrichtung in Schwingung versetzt werden, und wobei die Biegeschwinger durch die Bimorphelemente selbst gebildet sind, die sich im wesentlichen von dem ersten, an dem Halteelement befestigten Ende zu dem zweiten, freien Ende hin erstrecken, und wobei seitlich nebeneinander befindliche Bimorphelemente an einem gemeinsamen Halteelement befestigt sind.In the article Pobering S., Schwesinger N .: Generator for the generation of electrical energy by means of piezoelectric bimorph transducers. In: 7th Chemnitz Symposium Micromechanics & Microelectronics, 26./27.10.2005, p 11-15, a piezoelectric microgenerator for generating electrical energy from a flowing fluid has been proposed, which arranged a number of in the flow of the fluid, in a longitudinal direction extended bending oscillators of a given length, each comprising bimorph elements formed by piezoelectric plates extending in the longitudinal direction of the flexural resonators, fixed to a support member at a first end and having a second end spaced longitudinally from the first end, and having an electrode assembly for electrical connection Contacting the piezoelectric plates, wherein the bending oscillators are in operation by the flowing fluid with its second free end transversely to its longitudinal direction in vibration, and wherein the bending oscillators are formed by the bimorph elements themselves, which are substantially vo n the first, attached to the holding element end to the second, free end, and wherein laterally juxtaposed bimorph elements are attached to a common holding element.

Weiter beschreibt US 6 252 336 B1 eine piezoelektrische Einrichtung für eine tragbare Kommunikationseinrichtung, so wie ein Mobiltelefon oder einen ”Pager”, welche in der Weise umschaltbar ist, dass sie sowohl als stiller Vibrationsalarm zur Benachrichtigung des Benutzers als auch in einem umgeschalteten Zustand zum Laden der Batterie des tragbaren Geräts genutzt werden kann. Im einzelnen umfaßt diese bekannte Einrichtung ein langgestrecktes Balkenelement, welches an einem Ende fest eingespannt ist und am anderen Ende ein Gewicht trägt, das bei Bewegung der Kommunikationseinrichtung eine Biegung des Balkenelements bewirkt, so dass an der piezoelektrischen Einrichtung eine Spannung erzeugt wird, die zum Laden der Batterie verwendet werden kann. Es geht hier also um eine Art von Energieerzeugung durch eine seismische Masse, was bei der vorliegenden Erfindung aber gerade nicht gemeint ist. Das das besagte Gewicht tragende Balkenelement kann an einem Torsionsfederelement befestigt sein, um damit die Eigenfrequenz des Schwingers zu verändern. Es soll dadurch das „Gefühl” des Vibrationsalarms verbessert werden.Next describes US Pat. No. 6,252,336 B1 a piezoelectric device for a portable communication device, such as a mobile phone or a "pager", which is switchable in such a way that they are used both as a silent vibration alarm for notifying the user and in a switched state for charging the battery of the portable device can. In particular, this known device comprises an elongate beam member which is fixedly clamped at one end and carries at the other end a weight which, upon movement of the communication means, causes bending of the beam member so as to generate a voltage on the piezoelectric device for charging the battery can be used. So this is a kind of energy production by a seismic mass, which is not meant in the present invention. The beam member supporting said weight may be fixed to a torsion spring member to thereby change the natural frequency of the vibrator. It is thereby to improve the "feel" of the vibrating alarm.

Die JP 2006-226221 A , schließlich beschreibt einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem strömenden Fluid, bei der am Ende eines einseitig fest eingespannten Biegeelements ein schwingungserzeugender Körper vorgesehen ist, welcher eine Oberfläche aufweist, die quer zur Richtung der Fluidströmung angeordnet ist. Das Biegeelement seinerseits ist mit seiner Längsrichtung ebenfalls quer zur Fluidströmung angeordnet, dabei aber so, dass die Ebene desselben parallel zur Strömungsrichtung ist. An der Oberfläche des Biegeelements sind offensichtlich piezoelektrische Lagen angeordnet, welche durch Verformung des Biegeelements zur Stromerzeugung nutzbar sind. Durch die Strömung des Fluids quer zu der besagten Oberfläche soll eine ”galoppierende” Bewegung des schwingungserzeugenden Körpers hervorgerufen werden, worunter offensichtlich eine Überlagerung von Torsionsschwingung und Querschwingung des Biegeelements zu verstehen ist. Mittels einer Windfahne kann die an einer Basis drehbar gelagerte stromerzeugende Einrichtung immer in den Wind gedreht werden.The JP 2006-226221 A finally, describes a generator for generating electrical energy from a flowing fluid, wherein a vibration generating body is provided at the end of a cantilevered fixed bending element, which has a surface which is arranged transversely to the direction of the fluid flow. The bending element in turn is also arranged with its longitudinal direction transverse to the fluid flow, but in such a way that the plane thereof is parallel to the flow direction. On the surface of the bending element, piezoelectric layers are obviously arranged, which can be used to generate electricity by deformation of the bending element. The flow of the fluid across the said surface is said to cause a "galloping" movement of the vibration generating body, which is obviously a superposition of torsional vibration and transverse vibration of the flexure. By means of a wind vane, the power generating device rotatably mounted on a base can always be turned into the wind.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Mikrogenerator mit verbessertem Wirkungsgrad zu schaffen.The object of the invention is to provide a piezoelectric microgenerator with improved efficiency.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen piezoelektrischen Mikrogenerator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Mikrogenerators sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.According to the invention the object is achieved by a piezoelectric microgenerator having the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the piezoelectric microgenerator according to the invention are characterized in the subclaims.

Durch die Erfindung wird ein piezoelektrischer Mikrogenerator zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem strömenden Fluid geschaffen, der eine Anzahl von in der Strömung des Fluids angeordneten, in einer Längsrichtung ausgedehnten Biegeschwingern einer gegebenen Länge aufweist, welche jeweils durch in Längsrichtung der Biegeschwinger verlaufende piezoelektrische Schichten gebildete Bimorphelemente umfassen und an einem ersten Ende an einem Halteelement befestigt sind und ein in der Längsrichtung von dem ersten Ende beabstandetes zweites Ende aufweisen, und mit einer Elektrodenanordnung zur elektrischen Kontaktierung der piezoelektrischen Plättchen, wobei die Biegeschwinger beim Betrieb durch das strömende Fluid mit ihrem zweiten, freien Ende quer zu ihrer Längsrichtung in Schwingung versetzt werden. und wobei die Biegeschwinger durch die Bimorphelemente selbst gebildet sind, die sich im wesentlichen von dem ersten, an dem Halteelement befestigten Ende zu dem zweiten, freien Ende hin erstrecken, und wobei seitlich nebeneinander befindliche Bimorphelemente an einem gemeinsamen Halteelement befestigt sind, und wobei die piezoelektrischen Bimorphelemente mit ihrer Längsrichtung im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des Fluids angeordnet sind und das Halteelement stromaufwärts derselben angeordnet ist und die piezoelektrischen Bimorphelemente beim Betrieb durch das strömende Fluid mit ihrem zweiten, freien Ende quer zur Strömungsrichtung in Schwingung versetzt werden. Erfindungsgemäß ist das gemeinsame Halteelement, an welchem die jeweils seitlich nebeneinander befindlichen Bimorphelemente befestigt sind,

– um seine quer zur Strömungsrichtung des Fluids und damit quer zur Längsrichtung der Bimorphelemente verlaufende Längsachse in begrenztem Maße rotatorisch gelagert oder
– in einer quer zur Strömungsrichtung des Fluids und damit quer zur Längsrichtung der Bimorphelemente und quer zur Längsachse des Halteelements verlaufenden Hochrichtung in begrenztem Maße translatorisch gelagert.

The invention provides a piezoelectric microgenerator for generating electrical energy from a flowing fluid having a number of flexure oscillators of a given length arranged in the flow of the fluid, each having bimorph elements formed by piezoelectric layers extending in the longitudinal direction of the flexural resonators and are attached to a support member at a first end and having a second end spaced longitudinally from the first end, and having an electrode assembly for electrical Contacting of the piezoelectric plates, wherein the bending oscillators are set during operation by the flowing fluid with its second, free end transversely to its longitudinal direction in vibration. and wherein the flexural vibrators are formed by the bimorph elements themselves extending substantially from the first end secured to the support member to the second free end, and laterally juxtaposed bimorph elements being attached to a common support member, and wherein the piezoelectric Bimorphelemente are arranged with their longitudinal direction substantially parallel to the flow direction of the fluid and the holding member upstream of the same is arranged and the piezoelectric bimorph elements are set in operation by the flowing fluid with its second, free end transversely to the flow direction in vibration. According to the invention, the common holding element to which the respective side by side bimorph elements are attached,

- To its limited transverse to the flow direction of the fluid and thus transversely to the longitudinal direction of the bimorph elements extending longitudinal axis rotatably mounted or
- In a transversely to the flow direction of the fluid and thus transversely to the longitudinal direction of the bimorph and extending transversely to the longitudinal axis of the support member extending vertical direction to a limited extent translationally.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass stromaufwärts der piezoelektrischen Bimorphelemente ein Störkörper vorgesehen ist, welcher eine charakteristische Dicke D quer zur Strömungsrichtung des Fluids aufweist, die zwischen dem 3- bis 30-fachen, vorzugsweise zwischen dem 5- bis 20-fachen der Dicke d der piezoelektrischen Bimorphelemente beträgt.According to a development of the invention, it is provided that a disruptive body is provided upstream of the piezoelectric bimorph elements, which has a characteristic thickness D transverse to the flow direction of the fluid, which is between 3 to 30 times, preferably between 5 to 20 times the thickness d of the piezoelectric bimorph elements is.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Störkörper durch das Halteelement gebildet ist.According to one embodiment of the invention, it is provided that the disruptive body is formed by the holding element.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Störkörper zur Erzeugung einer von Kármán'schen Wirbelstraße in dem strömenden Fluid vorgesehen, wobei die Länge der durch die piezoelektrischen Bimorphelemente gebildeten Biegeschwinger kleiner als der Abstand zweier aufeinander folgender Wirbel ist.According to one embodiment of the invention, the bluff body is provided for generating a Kármán vortex street in the flowing fluid, wherein the length of the bending oscillator formed by the piezoelectric bimorph elements is smaller than the distance between two successive vertebrae.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Länge der durch die piezoelektrischen Bimorphelemente gebildeten Biegeschwinger das 0, 8- bis 5-fache, vorzugsweise das 1- bis 3-fache der charakteristischen Störkörperdicke beträgt.According to one embodiment of the invention, it is provided that the length of the bending oscillator formed by the piezoelectric bimorph elements is 0, 8- to 5-fold, preferably 1 to 3 times the characteristic Störkörperdicke.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Dicke der piezoelektrischen Bimorphelemente so gering wie fertigungstechnisch möglich ist.According to another embodiment of the invention, it is provided that the thickness of the piezoelectric bimorph elements is as low as manufacturing technology possible.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die piezoelektrischen Bimorphelemente so ausgebildet sind, dass sie nur die erste Schwingungsperiode einer sich hinter dem Störkörper in dem strömenden Fluid ausbildenden Turbulenz ausnutzen.According to one embodiment of the invention, it is provided that the piezoelectric bimorph elements are designed such that they utilize only the first oscillation period of a turbulence forming behind the disruptive body in the flowing fluid.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Bimorphelemente in einer 1-dimensionalen Anordnung seitlich nebeneinander vorgesehen.According to one embodiment of the invention, the bimorph elements are provided side by side in a one-dimensional arrangement.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Bimorphelemente in einer 2-dimensionalen Anordnung seitlich nebeneinander und bezüglich der Strömungsrichtung des Fluids hintereinander vorgesehen.According to another embodiment of the invention, the bimorph elements are provided in a 2-dimensional arrangement laterally next to each other and with respect to the flow direction of the fluid behind one another.

Gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Bimorphelemente in einer 3-dimensionalen Anordnung seitlich nebeneinander und übereinander und bezüglich der Strömungsrichtung des Fluids hintereinander vorgesehen.According to yet another embodiment of the invention, the bimorph elements are provided in a 3-dimensional arrangement laterally next to each other and one above the other and with respect to the flow direction of the fluid behind one another.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Bimorphelemente zwei in Längsrichtung der Biegeschwinger verlaufende piezoelektrische Lagen umfassen, die durch jeweils eine an der Außenseite der Bimorphelemente vorgesehene Elektrode und mindestens eine zwischen den piezoelektrischen Plättchen vorgesehene Elektrode elektrisch kontaktiert sind.According to one embodiment of the invention, it is provided that the bimorph elements comprise two piezoelectric layers extending in the longitudinal direction of the bending oscillators, which are electrically contacted by an electrode provided on the outside of the bimorph elements and at least one electrode provided between the piezoelectric plates.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Bimorphelemente zwei in Längsrichtung der Biegeschwinger verlaufende piezoelektrische Lagen umfassen, die in Dickenrichtung, jeweils entgegengesetzt polarisiert sind und an den beiden Außenseiten jeweils eine Elektrode besitzen.According to a further embodiment of the invention, it is provided that the bimorph elements comprise two piezoelectric layers extending in the longitudinal direction of the bending oscillators, which are each polarized oppositely in the thickness direction and in each case have an electrode on both outer sides.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Bimorphelemente zwei in Längsrichtung der Biegeschwinger verlaufende piezoelektrische Plättchen, die in Längsrichtung, jeweils entgegengesetzt polarisiert sind und an dem Halteelement sowie an dem zum Halteelement beabstandetem Ende jeweils eine Elektrode besitzt.In accordance with a further embodiment of the invention, it is provided that the bimorph elements each have two oppositely polarized longitudinally, in the longitudinal direction of the bending oscillator piezoelectric plates and each having an electrode on the holding element and at the end spaced from the holding element.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist zwischen den zwei in Längsrichtung der Biegeschwinger verlaufenden piezoelektrischen aktiven Schicht eine piezoelektrisch inaktive Schicht vorgesehen. According to one embodiment of the invention, a piezoelectrically inactive layer is provided between the two piezoelectric active layers extending in the longitudinal direction of the bending oscillator.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die piezoelektrisch inaktive Schicht zwischen den die piezoelektrischen Schichten elektrisch kontaktierenden Elektroden vorgesehen.According to one embodiment of the invention, the piezoelectrically inactive layer is provided between the electrodes electrically contacting the piezoelectric layers.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Schicht aus piezoelektrisch inaktivem Material durch eine gemeinsame, die piezoelektrischen Plättchen elektrisch kontaktierende Elektrode gebildet.According to another embodiment of the invention, the layer of piezoelectrically inactive material is formed by a common, the piezoelectric plate electrically contacting electrode.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die piezoelektrisch inaktive Schicht einen Elastizitätsmodul vergleichbar dem der piezoelektrischen Schichten aufweist und eine Dicke hat, die zwischen 25 und 40%, vorzugsweise nahe 1/3 der Dicke d des piezoelektrischen Bimorphelements beträgt.According to one embodiment of the invention, it is provided that the piezoelectrically inactive layer has a modulus of elasticity comparable to that of the piezoelectric layers and has a thickness which is between 25 and 40%, preferably close to 1/3 of the thickness d of the piezoelectric bimorph element.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind jeweils seitlich nebeneinander befindliche Bimorphelemente einer 1-dimensionalen Anordnung, einer 2-dimensionalen Anordnung oder einer 3-dimensionalen Anordnung an einem gemeinsamen Halteelement befestigt.According to one embodiment of the invention, bimorph elements of a 1-dimensional arrangement, a 2-dimensional arrangement or a 3-dimensional arrangement located laterally next to each other are fastened to a common holding element.

Die vorliegende Erfindung nutzt die Wirbel der von Kármán'sche Wirbelstraßen zur Gewinnung elektrischer Energie. Dafür sind hinter dem Störkörper Elemente angeordnet, die aus piezoelektrischem Material bestehen und als Bimorph konfiguriert sind. Die Wirbel der Strömung bewirken einen Druck auf diese Elemente, was zu einer Verformung senkrecht zur Strömungsrichtung führt. Verformung piezoelektrischer Materialien bewirkt eine Ladungstrennung, die als elektrische Energie an Elektroden nutzbar ist, welche die piezoelektrischen Materialien einschließen. Dadurch wird die kinetische Energie der Strömung auf direktem Wege in elektrische Energie umgesetzt. Dadurch, dass das gemeinsame Halteelement, an welchem die jeweils seitlich nebeneinander befindlichen Bimorphelemente befestigt sind, um seine quer zur Strömungsrichtung des Fluids verlaufende Längsachse in begrenztem Maße rotatorisch gelagert oder in einer quer zur Strömungsrichtung des Fluids und quer zur Längsachse des Halteelements verlaufenden Hochrichtung in begrenztem Maße translatorisch gelagert ist, synchronisieren sich die Schwingungen der an dem Haltelement befestigten Bimorphelemente. Daraus ist es möglich, mehrere Bimorphelemente elektrisch direkt miteinander zu verkoppeln, ohne dass Auslöschungen auftreten. Dies steigert den Wirkungsgrad des piezoelektrischen Generators.The present invention utilizes the vortexes of Karman vortex streets to generate electrical energy. For this purpose, elements which consist of piezoelectric material and are configured as bimorphs are arranged behind the disruptive body. The vortices of the flow cause a pressure on these elements, which leads to a deformation perpendicular to the flow direction. Deformation of piezoelectric materials causes charge separation, which is useful as electrical energy at electrodes that enclose the piezoelectric materials. As a result, the kinetic energy of the flow is converted directly into electrical energy. Characterized in that the common holding element, to which each of the laterally juxtaposed bimorph elements are attached to its transversely to the flow direction of the fluid extending longitudinal axis rotatably mounted in a limited extent or in a transverse to the flow direction of the fluid and transverse to the longitudinal axis of the support member in a limited vertical direction Dimensions is mounted translationally, synchronize the vibrations of the attached to the holding element bimorph elements. From this it is possible to electrically couple several bimorph elements directly with each other, without deletions occur. This increases the efficiency of the piezoelectric generator.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besitzen alle Bimorphelemente die gleiche Resonanzfrequenz.According to one embodiment of the invention, all bimorph elements have the same resonant frequency.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind Anordnungen von in ihrer Resonanzfrequenz systematisch gegeneinander verstimmten Bimorphelementen vorgesehen, die infolge Oszillatorkopplung in einem breiteren Frequenzband ansprechempfindlich sind.According to a further advantageous embodiment of the invention arrangements of in their resonant frequency systematically detuned against each other bimorph elements are provided which are responsive due to oscillator coupling in a wider frequency band.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind Anordnungen von Bimorphelementen mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen vorgesehen.According to another advantageous embodiment of the invention, arrangements of bimorph elements with different resonance frequencies are provided.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind mehrere nebeneinander angeordnete Bimorphelemente direkt elektrisch miteinander verbunden. Dadurch findet eine Oszillatorkopplung über den reziproken piezoelektrischen Effekt der verbundenen Bimorphelemente statt.According to another advantageous embodiment of the invention, a plurality of juxtaposed bimorph elements are directly electrically connected to each other. As a result, an oscillator coupling takes place via the reciprocal piezoelectric effect of the connected bimorph elements.

Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind mehrere, in Strömungsrichtung aufeinander folgende Bimorphelemente in einem solchen Abstand angeordnet, dass die stromaufwärts entstandenen Wirbelstrasse die Ablösung der Wirbel an dem Störkörper dahingehend beeinflusst, dass sich die stromabwärts liegenden Wirbelstrassen mit einer stromaufwärts entstandenen Wirbelstrasse synchronisieren. Dies steigert ebenso den Wirkungsgrad des piezoelektrischen Generators.According to yet another advantageous embodiment of the invention, a plurality of bimorph elements following one another in the flow direction are arranged at such a distance that the vortex street formed upstream influences the detachment of the vortexes at the sturgeon body in such a way that the downstream vortex streets synchronize with an eddy street formed upstream. This also increases the efficiency of the piezoelectric generator.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele des piezoelektrischen Mikrogenerators anhand der Zeichnung erläutert.Exemplary embodiments of the piezoelectric microgenerator will be explained below with reference to the drawing.

Es zeigt:It shows:

1 eine schematisierte vergrößerte Darstellung eines Elements eines piezoelektrischen Mikrogenerators zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem strömenden Fluid gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; 1 a schematic enlarged view of an element of a piezoelectric microgenerator for generating electrical energy from a flowing fluid according to an embodiment of the invention;

2 eine Darstellung verschiedener möglicher Anordnungen oder Arrangements von piezoelektrischen Mikrogeneratoren zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem strömenden Fluid gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung; 2 a representation of various possible arrangements or arrangements of piezoelectric microgenerators for generating electrical energy from a flowing fluid according to various embodiments of the invention;

3 eine schematisierte vergrößerte Darstellung einer Anordnung von drei Elementen eines piezoelektrischen Mikrogenerators zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem strömenden Fluid zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung; und 3 a schematic enlarged view of an arrangement of three elements of a piezoelectric microgenerator for generating electrical energy from a flowing fluid for explaining embodiments of the invention; and

4 eine schematisierte vergrößerte Darstellung eines Elements eines piezoelektrischen Mikrogenerator zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem strömenden Fluid gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ähnlich 1, anhand dessen die Anregung durch von Karmán'sche Wirbelstraßen erläutert wird. 4 a schematic enlarged view of an element of a piezoelectric microgenerator for generating electrical energy from a flowing fluid according to a Embodiment of the invention similar 1 on the basis of which the suggestion is explained by Karmán vortex streets.

In den Figuren sind verschiedene Ausführungsbeispiele von piezoelektrischen Mikrogeneratoren zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem strömenden Fluid gezeigt, die eine Anzahl von in einer Strömung mit einer laminaren Strömungsgeschwindigkeit v_lam des Fluids angeordneten, in einer Längsrichtung ausgedehnten Biegeschwingern einer gegebenen Länge l umfasst. Diese umfassen jeweils durch in Längsrichtung der Biegeschwinger verlaufende piezoelektrische Plättchen 1a, 1b gebildete Bimorphelemente 1 und sind an einem ersten Ende an einem Halteelement 2 befestigt und haben ein in der Längsrichtung von dem ersten Ende beabstandetes zweites Ende. Eine Elektrodenanordnung 3, 4, 5, 6 dient zur elektrischen Kontaktierung der piezoelektrischen Plättchen 1a, 1b. Befindet sich keine piezoelektrisch inaktive Zwischenlage in dem Bimorph, fallen die Elektroden 4 und 5 zusammen. Die Biegeschwinger werden beim Betrieb durch das strömende Fluid in Schwingung versetzt. Die Biegeschwinger sind im wesentlichen durch die Bimorphelemente 1, die sich von dem ersten, an dem Halteelement 2 befestigten Ende zu dem zweiten, freien Ende hin erstrecken, allein gebildet, das heißt es sind keine seismischen Massen oder Flügel an den Biegeschwingern vorgesehen.Shown in the figures are various embodiments of piezoelectric micro-generators for generating electrical energy from a flowing fluid comprising a number of longitudinally-extending bending oscillators of a given length l arranged in a flow having a laminar flow velocity v _{lam of} the fluid. These comprise in each case by extending in the longitudinal direction of the bending oscillator piezoelectric plates 1a . 1b formed bimorph elements 1 and are at a first end to a holding element 2 and having a second end spaced longitudinally from the first end. An electrode arrangement 3 . 4 . 5 . 6 serves for electrical contacting of the piezoelectric plates 1a . 1b , If there is no piezoelectrically inactive intermediate layer in the bimorph, the electrodes fall 4 and 5 together. The bending vibrators are vibrated during operation by the flowing fluid. The bending vibrators are essentially by the bimorph elements 1 extending from the first, on the holding element 2 fastened end to the second, free end, alone formed, that is, there are no seismic masses or wings provided on the bending swingers.

Bei den in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen sind die piezoelektrischen Bimorphelemente 1 mit ihrer Längsrichtung im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des Fluids angeordnet, wobei das Halteelement 2 stromaufwärts derselben angeordnet ist und die piezoelektrischen Bimorphelemente 1 beim Betrieb durch das strömende Fluid mit ihrem zweiten, freien Ende quer zu ihrer Längsrichtung und damit quer zur Strömungsrichtung des Fluids in Schwingung versetzt werden. Das Fluid kann insbesondere strömendes Wasser oder strömende Luft sein.In the embodiments shown in the figures, the piezoelectric bimorph elements are 1 arranged with its longitudinal direction substantially parallel to the flow direction of the fluid, wherein the retaining element 2 upstream of the same and the piezoelectric bimorph elements 1 during operation by the flowing fluid with its second free end transversely to its longitudinal direction and thus transversely to the flow direction of the fluid are vibrated. The fluid may in particular be flowing water or flowing air.

Der erfindungsgemäße Generator besteht aus einer Vielzahl von piezoelektrischen Bimorphbalken oder Bimorphelementen 1 (oder kurz auch ”Bimorph”), die jeweils aus den zwei piezoelektrischen Schichten 1a, 1b aufgebaut sind, wie es in 1 gezeigt ist. Seismische Massen oder Flügel sind, wie erwähnt, nicht vorhanden. Auf der Ober- und der Unterseite jedes Piezoplättchens 1a, 1b befindet sich bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils eine flächige Elektrode 3, 4 bzw. 5, 6. Zwischen den beiden piezoelektrischen Schichten 1a, 1b kann sich eine piezoelektrisch inaktive Schicht 7 befindenThe generator according to the invention consists of a multiplicity of piezoelectric bimorph bars or bimorph elements 1 (or "bimorph" for short), each of the two piezoelectric layers 1a . 1b are built as it is in 1 is shown. Seismic masses or wings are, as mentioned, not present. On the top and bottom of each piezo plate 1a . 1b is located at the in 1 embodiment shown in each case a flat electrode 3 . 4 respectively. 5 . 6 , Between the two piezoelectric layers 1a . 1b may be a piezoelectric inactive layer 7 are located

Die Bimorphe 1 sind an Störkörpern befestigt, die bei den gezeigten Ausführungsbeispielen durch das Halteelement 2 gebildet sind und die eine größere charakteristische Dicke D besitzen als die Dicke d der Bimorphelemente 1 selbst. Durch das Einbringen der Störkörper 2 in das strömende Medium mit einer laminaren Strömungsgeschwindigkeit v_lam erzeugen sie wechselseitige Strömungsablösungen an den Hinterkanten des Störkörpers 2, wie in 4 gezeigt. Diese Strömungsablösungen bilden Wirbel in Form von Kármán'scher Wirbelstraßen, die wiederum zu Druckunterschieden zwischen der Oberseite und der Unterseite bzw. allgemein gesprochen, der einen und der anderen Seite der Bimorphelemente 1 führen und somit die Bimorphe 1 zum Schwingen anregen, wenn sie sich in Strömungsrichtung hinter dem Störkörper 2 befinden. Diese mechanischen Schwingungen führen zur periodischen Deformation des Piezomaterials der piezoelektrischen Elemente 1a, 1b und zum Aufbau einer periodisch alternierenden Spannung zwischen den beiden Elektroden 2 und 4 bzw. 5 und 6, welche zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden kann.The bimorphs 1 are attached to baffles, in the embodiments shown by the holding element 2 are formed and have a greater characteristic thickness D than the thickness d of the bimorph elements 1 yourself. By introducing the bluff body 2 in the flowing medium with a laminar flow velocity v _{lam they} produce mutual flow separation at the trailing edges of the bluff body 2 , as in 4 shown. These flow separations form vortices in the form of Kármán vortex streets, which in turn lead to pressure differences between the top and the bottom or generally speaking, one and the other side of the bimorph elements 1 lead and thus the bimorphs 1 to vibrate when moving downstream of the bluff body 2 are located. These mechanical vibrations lead to periodic deformation of the piezoelectric material of the piezoelectric elements 1a . 1b and for establishing a periodically alternating voltage between the two electrodes 2 and 4 respectively. 5 and 6 , which can be used to generate electrical energy.

Um eine dauerhaft periodische Bimorphschwingung zu gewährleisten, müssen die geometrischen Dimensionen, insbesondere die charakteristische Dicke D vom Störkörper 2 und Dicke d und Länge l vom Bimorphelement 1 aufeinander abgestimmt sein. Vorzugsweise besitzen die Bimorphelemente 1 daher eine Länge l, die zwischen 1- und 3-mal der charakteristischen Störkörperdicke D entspricht. Die Dicke d der piezoelektrischen Plättchen ist so gewählt, dass sie minimal ist. Dabei ergibt sich die minimale Dicke d_min der Plättchen aus deren Fertigung. Die charakteristische Störkörperdicke D sollte vorzugsweise zwischen 5...20 mal der Dicke d_min betragen.In order to ensure a permanently periodic bimorph oscillation, the geometrical dimensions, in particular the characteristic thickness D of the disruptive body, have to be determined 2 and thickness d and length l of the bimorph element 1 be coordinated. Preferably, the bimorph elements have 1 therefore a length l which corresponds to between 1 and 3 times the characteristic body thickness D. The thickness d of the piezoelectric plates is chosen to be minimal. This results in the minimum thickness d _{min of} the platelets from their production. The characteristic disturbance body thickness D should preferably be between 5 and 20 times the thickness d _min .

Die Umsetzung von mechanischer in elektrische Energie ist im piezoelektrischen Bimorph 1 dann am größten, wenn sich zwischen den beiden piezoelektrischen Plättchen 1a, 1b eine Schicht 7 aus piezoelektrisch inaktivem Material befindet. Besitzt diese Schicht den gleichen Elastizitätsmodul wie die Piezokeramik, dann beträgt deren Dicke vorzugsweise 1/3 der gesamten Bimorphdicke d.The conversion of mechanical into electrical energy is in the piezoelectric bimorph 1 then greatest when between the two piezoelectric plates 1a . 1b a layer 7 made of piezoelectrically inactive material. If this layer has the same modulus of elasticity as the piezoceramic, then its thickness is preferably 1/3 of the total bimorph thickness d.

Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfassen die Bimorphelemente 1 jeweils zwei in Längsrichtung der Biegeschwinger verlaufende piezoelektrische Schichten 1a, 1b, die durch jeweils eine an der Außenseite der Bimorphelemente 1 vorgesehene Elektrode 3, 6 und mindestens eine zwischen den piezoelektrischen Plättchen 1a, 1b vorgesehene Elektrode 4, 5 elektrisch kontaktiert sind. Zwischen den zwei in Längsrichtung der Biegeschwinger verlaufenden piezoelektrischen Schichten 1a, 1b ist die piezoelektrisch inaktive Schicht 7 vorgesehen, nämlich zwischen den jeweiligen, die piezoelektrischen Plättchen 1a, 1b an der Innenseite elektrisch kontaktierenden Elektroden 4, 5. Alternativ könnte die Schicht 7 aus piezoelektrisch inaktivem, elektrisch leitfähigem Material durch eine gemeinsame, die piezoelektrischen Schichten 1a, 1b elektrisch kontaktierende Elektrode gebildet sein.At the in 1 embodiment shown include the bimorph elements 1 in each case two piezoelectric layers extending in the longitudinal direction of the bending oscillator 1a . 1b passing through each one on the outside of the bimorph elements 1 provided electrode 3 . 6 and at least one between the piezoelectric plates 1a . 1b provided electrode 4 . 5 electrically contacted. Between the two extending in the longitudinal direction of the bending oscillator piezoelectric layers 1a . 1b is the piezoelectrically inactive layer 7 provided, namely between the respective, the piezoelectric plates 1a . 1b on the inside electrically contacting electrodes 4 . 5 , Alternatively, the layer could 7 made of piezoelectrically inactive, electric conductive material through a common, the piezoelectric layers 1a . 1b be formed electrically contacting electrode.

Weist die piezoelektrisch inaktive Schicht 7 einen Elastizitätsmodul vergleichbar dem der piezoelektrischen Plättchen 1a, 1b auf, kann sie eine Dicke haben, die beispielsweise zwischen 25 und 40%, vorzugsweise nahe 1/3 der Dicke d des piezoelektrischen Bimorphelements 1 beträgt.Indicates the piezoelectrically inactive layer 7 a modulus of elasticity comparable to that of piezoelectric plates 1a . 1b On, it may have a thickness, for example, between 25 and 40%, preferably close to 1/3 of the thickness d of the piezoelectric bimorph element 1 is.

Die piezoelektrischen Bimorphelemente 1 sind vorzugsweise so ausgebildet, dass sie nur die erste Schwingungsperiode der sich hinter dem Störkörper 2 in dem strömenden Fluid ausbildenden Turbulenz ausnutzen.The piezoelectric bimorph elements 1 are preferably designed so that they are only the first period of oscillation of the behind the bluff body 2 exploit the turbulence forming in the flowing fluid.

Die Bedingung minimaler Schichtdicke d_min führt zu sehr kleinen Bimorph-Störkörper-Dimensionen. Um damit nutzbare Energiemengen zu erzeugen, ist es notwendig eine Vielzahl derartiger Kombinationen einzusetzen. Diese können in allen drei Raumrichtungen hinter-, über- und nebeneinander angeordnet und zu Generatormodulen zusammengefasst werden, wie es in 2 dargestellt ist. Die Bimorphelemente 1 können daher beispielsweise in einer 1-dimensionalen Anordnung seitlich nebeneinander, in einer 2-dimensionalen Anordnung seitlich nebeneinander und bezüglich der Strömungsrichtung des Fluids hintereinander (oder auch übereinander) oder in einer 3-dimensionalen Anordnung seitlich nebeneinander und übereinander und bezüglich der Strömungsrichtung des Fluids hintereinander vorgesehen sein und dadurch Generatormodule höherer Leistung bilden. Mehrere solcher Generatormodule können ebenso in allen Raumrichtungen angeordnet werden. Damit können sie an die Charakteristik der jeweiligen Strömung und die Anforderungen eines zu versorgenden Verbrauchers adaptiert werden. Durch diese hochgradige Redundanz ergibt sich überdies eine hohe Ausfallsicherheit des Generatorsystems.The condition of minimum layer thickness d _min leads to very small bimorph-impurity dimensions. In order to generate usable amounts of energy, it is necessary to use a variety of such combinations. These can be arranged behind, above and next to each other in all three spatial directions and combined to form generator modules, as shown in FIG 2 is shown. The bimorph elements 1 Therefore, for example, in a 1-dimensional arrangement laterally side by side, in a 2-dimensional arrangement side by side and with respect to the flow direction of the fluid one behind the other (or also one above the other) or in a 3-dimensional arrangement laterally next to each other and one above the other and with respect to the flow direction of the fluid one behind the other be provided and thereby form generator modules higher performance. Several such generator modules can also be arranged in all spatial directions. Thus, they can be adapted to the characteristics of the particular flow and the requirements of a consumer to be supplied. This high degree of redundancy also results in a high reliability of the generator system.

Jeweils seitlich nebeneinander befindliche Bimorphelemente 1 einer 1-dimensionalen Anordnung 10, einer 2-dimensionalen Anordnung 20 oder einer 3-dimensionalen Anordnung 30, wie sie in 2 dargestellt sind, können an einem gemeinsamen Halteelement 2 befestigt sein, wie es zu einem Teil in 3 gezeigt ist. Das gemeinsame Halteelement 2, an welchem die jeweils seitlich nebeneinander befindlichen Bimorphelemente 1 befestigt sind, kann im wesentlichen starr gelagert sein, es kann aber insbesondere beispielsweise um seine quer zur Strömungsrichtung x des Fluids verlaufende Längsachse z in begrenztem Maße rotatorisch gelagert sein, oder es kann in einer quer zur Strömungsrichtung x des Fluids als auch quer zur Längsachse z des Halteelements 2 verlaufenden Hochrichtung y in begrenztem Maße translatorisch gelagert sein. Dadurch synchronisieren sich mehrere an dem Halteelement 2 befestigte Bimorphelemente 1, woraus sich ein höherer Wirkungsgrad des piezoelektrischen Generators ergibt.In each case laterally adjacent bimorph elements 1 a 1-dimensional arrangement 10 , a 2-dimensional arrangement 20 or a 3-dimensional arrangement 30 as they are in 2 are shown, can on a common holding element 2 be attached as part of it 3 is shown. The common holding element 2 on which the laterally juxtaposed bimorph elements 1 can be mounted substantially rigidly, but it can in particular be mounted rotatably, for example, about its transverse to the flow direction x of the fluid longitudinal axis z to a limited extent, or it can be in a transverse to the flow direction x of the fluid and transverse to the longitudinal axis z of the holding element 2 extending vertical direction y be mounted translationally to a limited extent. As a result, several synchronize to the holding element 2 attached bimorph elements 1 , resulting in a higher efficiency of the piezoelectric generator.

Bei räumlich sehr naher Anordnung mehrerer Generatormodule oder -strukturen ist deren gegenseitige Beeinflussung möglich. Dies kann genutzt werden, um Störkörper-Bimorph-Kombinationen in ihrem Schwingungsverhalten zu synchronisieren. Dazu werden die Kombinationen in einer Reihe, die senkrecht zur Strömungsrichtung steht fixiert (1D-Arrangement). Die Lagerung dieser Reihe kann dabei so gewählt sein, dass sie nicht starr, sondern elastisch befestigt und dadurch begrenzt rotatorisch um die z-Achse oder translatorisch in Richtung der y-Achse beweglich ist, wie vorher anhand der 3 erläutert.In spatially very close arrangement of multiple generator modules or structures whose mutual influence is possible. This can be used to synchronize disturbing body-bimorph combinations in their vibration behavior. For this purpose, the combinations are fixed in a row that is perpendicular to the flow direction (1D arrangement). The storage of this series can be chosen so that it is not rigidly but elastically secured and thereby limited rotationally about the z-axis or translationally movable in the direction of the y-axis, as previously with reference to the 3 explained.

Wenn jede Reihe in gleicher Weise gelagert wird, kann nicht nur die Schwingung in einer Reihe, sondern auch die Schwingung aller Reihen synchronisiert werden.If each row is stored in the same way, not only the vibration in a row, but also the vibration of all rows can be synchronized.

Durch geeignete asymmetrische Ausführungsform des Störkörpers 2 kann die Synchronisation weiter begünstigt werden.By suitable asymmetric embodiment of the bluff body 2 Synchronization can be further promoted.

Neben der mechanischen ist eine elektrische Synchronisation möglich, indem mehrere Bimorphelemente elektrisch miteinander verbunden sind. Dabei bewirkt die Ausgangsspannung eines Bimorphgenerators über den reziproken piezoelektrischen Effekt die Verformung der anderen Bimorphgeneratoren, wodurch eine Oszillatorkopplung entsteht. Drüber hinaus beeinflusst eine Wirbelstrasse die Entstehung einer stromabwärts liegenden Wirbelstrasse derart, dass sich die beiden Wirbelstrassen und damit auch die sich darin bewegenden Bimorphelemente synchronisieren.In addition to the mechanical electrical synchronization is possible by several bimorph elements are electrically connected to each other. The output voltage of a bimorph generator via the reciprocal piezoelectric effect causes the deformation of the other Bimorphgeneratoren, whereby an oscillator coupling is formed. In addition, a vortex street influences the formation of a downstream vortex street in such a way that the two vortex streets and thus also the moving bimorph elements synchronize.

Eine weitere Steigerung der Effizienz in einem breiteren Geschwindigkeits- bzw. Frequenzspektrums kann durch eine Anordnung von systematisch gegeneinander verstimmten Piezoschwingern 1 erreicht werden, die infolge der Oszillatorkopplung in einem breiteren Frequenzband empfindlich sind. Alternativ oder zusätzlich können auch mehrere Anordnungen oder Arrays von Piezoschwingern 1 mit unterschiedlich gewählten Resonanzfrequenzen verwendet werden. Dazu können die Bimorphelemente 1 einzeln auf unterschiedlich gewählte Resonanzfrequenzen eingestellt sein, oder es können die an einem gemeinsamen Halteelement 2 seitlich nebeneinander befindlichen Bimorphelemente 1 gemeinsam für jedes Halteelement 2 auf eine verschiedene Resonanzfrequenz eingestellt sein. Es sind auch Kombinationen von beidem möglich.A further increase in efficiency in a broader speed or frequency spectrum can be achieved by an arrangement of systematically detuned piezoelectric oscillators 1 can be achieved, which are sensitive due to the oscillator coupling in a wider frequency band. Alternatively or additionally, it is also possible to use a plurality of arrangements or arrays of piezoelectric oscillators 1 be used with different selected resonance frequencies. These can be the bimorph elements 1 be individually set to different selected resonant frequencies, or it can be on a common holding element 2 side by side bimorph elements 1 together for each retaining element 2 be set to a different resonant frequency. There are also combinations of both possible.

Zur der Energieausbeute werden bevorzugt Gleichrichter mit geringerer Durchlassspannung wie z. B. Shottky-Dioden, aktive Gleichrichterschaltungen oder miniaturisierte Transformatoren, die die Spannung auf ein höheres Niveau umsetzen, eingesetzt.For the energy yield are preferred rectifier with lower forward voltage such. As Shottky diodes, active rectifier circuits or miniaturized transformers, which implement the voltage to a higher level used.

Zum Ausgleich von Lastschwankungen ist eine Kopplung des Generators mit Energiespeichern möglich. Als bevorzugte Varianten können hier beispielsweise eingesetzt werden: direktes Umwandeln der elektrischen Energie in chemische Energie, beispielsweise den Energieträger Wasserstoff (elektrolytisch), Kopplung der Wandler mit entsprechenden Ladestationen für Akkumulatoren oder auch Speichern der elektrischen Energie in leistungsfähigen Kondensatoren.To compensate for load fluctuations coupling of the generator with energy storage is possible. As preferred variants can be used here, for example: direct conversion of electrical energy into chemical energy, for example, the energy carrier hydrogen (electrolytic), coupling the converter with appropriate charging stations for batteries or even storing the electrical energy in powerful capacitors.

Die notwendige Miniaturisierung erfordert eine hochgradige Parallelisierung der Bimorphgeneratoren. Zur wirtschaftlichen Herstellung der Systeme eignen sich daher insbesondere so genannte Batch-Prozesse, wie sie in der Mikroelektronik bekannt sind. Bei optimaler Designauslegung können daher in einem Arbeitsgang eine Vielzahl von Generatoren inklusive der Lagerfixierung gleichzeitig hergestellt werden. Die Mikrostrukturierung der Systeme kann mit unterschiedlichen Verfahren durchgeführt werden. Dazu zählen bevorzugt Mikro-Sandstrahlverfahren aber auch trocken- und nasschemische Ätzverfahren.The necessary miniaturization requires a high degree of parallelization of the bimorph generators. Therefore, so-called batch processes, as are known in microelectronics, are particularly suitable for the economical production of the systems. With optimum design design, therefore, a large number of generators including the bearing fixation can be produced simultaneously in one operation. The microstructuring of the systems can be carried out with different methods. These include preferably micro-sandblasting but also dry and wet chemical etching.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Bimorphelementbimorph
1a, 1b1a, 1b: piezoelektrisches Plättchenpiezoelectric plate
22: Halteelementretaining element
3, 4, 5, 63, 4, 5, 6: Elektrodeelectrode
77: piezoelektrisch inaktive Schichtpiezoelectrically inactive layer
1010: 1D-Anordnung1D arrangement
2020: 2D-Anordnung2D array
3030: 3D-Anordnung3D array

Claims

A piezoelectric microgenerator for generating electrical energy from a flowing fluid having a number of longitudinally-extending bending oscillations of a given length l arranged in the flow of the fluid, each of which is displaced by piezoelectric plates (B) extending in the longitudinal direction of the bending oscillators ( 1a . 1b ) formed bimorph elements ( 1 ) and at a first end to a holding element ( 2 ) and having a second end spaced longitudinally from the first end, and having an electrode assembly ( 3 . 4 . 5 . 6 ) for electrically contacting the piezoelectric plates ( 1a . 1b ), wherein the bending vibrators are vibrated in operation by the flowing fluid with its second, free end transversely to its longitudinal direction, and wherein the bending oscillators by the bimorph elements ( 1 ) are themselves formed, which essentially from the first, on the holding element ( 2 ) end attached to the second, free end, and wherein laterally juxtaposed Bimorphelemente ( 1 ) on a common holding element ( 2 ), and wherein the piezoelectric bimorph elements ( 1 ) are arranged with their longitudinal direction substantially parallel to the flow direction of the fluid and the retaining element ( 2 ) upstream of the same and the piezoelectric bimorph elements ( 1 ) are vibrated during operation by the flowing fluid with its second, free end transversely to the flow direction in oscillation, characterized in that the common holding element ( 2 ), on which the laterally juxtaposed bimorph elements ( 1 ) are attached to its transverse to the flow direction of the fluid and thus transversely to the longitudinal direction of the bimorph elements ( 1 ) longitudinal axis z is rotatably mounted to a limited extent or in a direction transverse to the flow direction of the fluid and thus transversely to the longitudinal direction of the bimorph elements ( 1 ) and transversely to the longitudinal axis of the retaining element ( 2 ) extending vertical direction y is mounted translationally to a limited extent.

Piezoelectric microgenerator according to claim 1, characterized in that upstream of the piezoelectric bimorph elements ( 1 ) a disruptive body is provided, which has a characteristic thickness D transverse to the flow direction of the fluid, which is between 3 to 30 times, preferably between 5 to 20 times the thickness d of the piezoelectric bimorph elements ( 1 ) is.

Piezoelectric microgenerator according to claim 2, characterized in that the interfering body by the holding element ( 2 ) is formed.

Piezoelectric microgenerator according to claim 1 or 2, characterized in that the interfering body is provided for generating a Kármán vortex street in the flowing fluid, wherein the length l of the through the piezoelectric bimorph elements ( 1 ) formed bending vibrator is smaller than the distance between two successive vertebrae.

Piezoelectric micro-generator according to claim 2, 3 or 4, characterized in that the length l of the piezoelectric bimorph elements ( 1 ) formed bending vibrator is 0, 8- to 5-fold, preferably 1 to 3 times the characteristic Störkörperdicke D.

Piezoelectric microgenerator according to one of Claims 2 to 5, characterized in that the piezoelectric bimorph elements ( 1 ) are designed so that they exploit only the first period of oscillation of a turbulence forming behind the bluff body in the flowing fluid.

Piezoelectric microgenerator according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the bimorph elements ( 1 ) are provided laterally side by side in a 1-dimensional arrangement.

Piezoelectric microgenerator according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the bimorph elements ( 1 ) are provided side by side in a 2-dimensional arrangement laterally and with respect to the flow direction of the fluid behind one another.

Piezoelectric microgenerator according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the bimorph elements ( 1 ) are provided in a 3-dimensional arrangement laterally next to each other and one above the other and with respect to the flow direction of the fluid behind one another.

Piezoelectric microgenerator according to one of claims 1 to 9, characterized in that the bimorph elements ( 1 ) two extending in the longitudinal direction of the bending oscillator piezoelectric layers ( 1a . 1b ) formed by one each on the outside of the bimorph elements ( 1 ) provided electrode ( 3 . 6 ) and at least one between the piezoelectric layers ( 1a . 1b ) provided electrode ( 4 . 5 ) are electrically contacted.

Piezoelectric microgenerator according to claim 10, characterized in that the bimorph elements ( 1 ) two extending in the longitudinal direction of the bending oscillator piezoelectric layers ( 1a . 1b ), each having on the outside of the piezoelectrically active layers interdigital electrodes.

Piezoelectric microgenerator according to claim 10, characterized in that the bimorph elements ( 1 ) two extending in the longitudinal direction of the bending oscillator piezoelectric layers ( 1a . 1b ), which are oppositely polarized in each case in the thickness direction and each have an electrode on the two outer sides.

Piezoelectric microgenerator according to claim 10, characterized in that the bimorph elements ( 1 ) two extending in the longitudinal direction of the bending oscillator piezoelectric layers ( 1a . 1b ) having interdigital electrodes on the outside.

Piezoelectric microgenerator according to claim 10, characterized in that the bimorph elements ( 1 ) two extending in the longitudinal direction of the bending oscillator piezoelectric layers ( 1a . 1b ), wherein one plate is polarized in and the other against the flow direction and one electrode on the holding element and the other electrode is arranged opposite to the holding element.

Piezoelectric microgenerator according to claim 10, characterized in that between the two extending in the longitudinal direction of the bending oscillator piezoelectric plates ( 1a . 1b ) a piezoelectrically inactive layer ( 7 ) is provided.

Piezoelectric microgenerator according to claim 15, characterized in that the piezoelectrically inactive layer ( 7 ) between the respective, the piezoelectric plates ( 1a . 1b ) electrically contacting electrodes ( 4 . 5 ) is provided.

Piezoelectric microgenerator according to claim 15, characterized in that the piezoelectrically inactive layer ( 7 ) by a common, the piezoelectric plates ( 1a . 1b ) electrically contacting electrode ( 4 . 5 . 7 ) is formed.

Piezoelectric microgenerator according to claim 15, 16 or 17, characterized in that the piezoelectrically inactive layer ( 7 ) has a modulus of elasticity comparable to that of the piezoelectric layers ( 1a . 1b ) and has a thickness which is between 25 and 40%, preferably close to 1/3 of the thickness d of the piezoelectric bimorph element ( 1 ) is.

Piezoelectric microgenerator according to one of claims 7 to 18, characterized in that in each case side by side bimorph elements ( 1 ) of a 1-dimensional arrangement ( 10 ), a 2-dimensional arrangement ( 20 ) or a 3-dimensional arrangement ( 30 ) on a common holding element ( 2 ) are attached.

Piezoelectric microgenerator according to one of Claims 1 to 19, characterized in that arrangements of bimorph elements ( 1 ) are provided with the same resonant frequency whose oscillations are synchronized with each other due to oscillator coupling.

Piezoelectric microgenerator according to one of claims 1 to 19, characterized in that arrangements of systematically tuned in their resonance frequency against each other bimorph elements ( 1 ) are provided, which are responsive due to oscillator coupling in a broader frequency band.

Piezoelectric microgenerator according to one of claims 1 to 19 and 18, characterized in that arrangements of bimorph elements ( 1 ) are provided with different resonance frequencies.