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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Erzeugung von Energie unter Ausnutzung von Ausgleichströmungen in Folge
von Druckschwankungen, im Besonderen von Luftdruckschwankungen in
Verbindung mit einem Druckreservoir.
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Stand der Technik
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Es
ist bekannt Luftströmungen
zum Antreiben von mechanischen Einrichtungen oder Generatoren zur
Stromerzeugung zu verwenden. So sind beispielsweise Windräder bereits
seit dem Altertum bekannt, mit denen Schöpfeinrichtungen betrieben wurden.
Neuere Windkraftanlagen werden zur Stromerzeugung eingesetzt. Derartige
Anlagen sind weder mobil noch für
kleine Bauformen geeignet.
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Aufgabenstellung
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Oftmals
besteht der Bedarf nach einer autonomen Energieversorgung. Zur mobilen
Energieversorgung werden oftmals Batterien eingesetzt. Allerdings
setzt dies Mindestwartungsperioden zur Wiederaufladung/Auswechselung
voraus, um eine Mindestspannung zu gewährleisten. Da die dazu nötige Wartungsarbeit
einen oftmals nicht unerheblichen Kostenfaktor darstellt, ist eine
autonome Energieerzeugereinheit wünschenswert. Beispielhaft wäre hier eine
moderne Anwendung aus dem Transportwesen zu nennen: Moderne Transportbehälter haben
zunehmend einen eigenen Energieversorgungsbedarf um z. B. aktive
RFIDs mit Spannung zu versorgen. Die Spannungsversorgung solcher
Behältnisse
wäre eine
mögliche
Anwendung der vorliegenden Erfindung.
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Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung greift auf Druckschwankungen – im Besonderen
auf Luftdruckschwankungen – als
oftmals natürlich
und global vorhandene Energiereservoir und die dadurch ausgelösten Ausgleichsvorgänge zwischen
einem Reservoir und der mit dem Reservoir verbundenen oder angrenzenden
Umgebung zurück.
Dadurch werden insbesondere klimatisch, tageszeitlich und durch
Höhenänderungen
bedingte Druckschwankungen zur elektrischen wie mechanischen Energiegewinnung nutzbar.
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Ausführungsbeispiele-Aufbau
einer Druckdifferenz mittels Reservoir
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1 zeigt
ein durch die Wandung W von einer unmittelbaren Umgebung abgegrenztes
Reservoir R. Im Reservoir R herrscht der Druck pR während in
einer Umgebung U der Druck pU vorliegt.
Wird nun das Reservoir R mittels einer oder mehrerer Strömungspassagen
K mit einer Querschnittsfläche
A mit U verbunden, d. h. K durchstößt W, erfolgt bei einer vorliegenden
Druckdifferenz ein Druckausgleich der einen Volumenstrom Q zu Folge
hat. Der Volumenstrom Q kann nun mittels einer Vorrichtung zur Umwandlung
der kinetischen Energie des Fluids in eine andere Energieform z.
B. mechanische, elektrische oder auch thermische Energie genutzt
werden. Die für
den Volumenstrom erforderliche Druckdifferenz entsteht z. B. durch
natürliche
oder in Folge von Transportvorgängen – insbesondere.
in vertikaler Richtung – entstehenden
Druckschwankungen, z. B. Luft- oder Tiefendruckschwankungen.
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Als
Reservoir R kann zum Beispiel ein extra dafür vorgesehenes Behältniss als
auch ohnehin vorhandene abgeschlossene Hohlräume eines Gegenstands – z. B.
doppelte Wandungen von Transportbehältnissen – benutzt werden.
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Ein
konkretes Beispiel zur Anwendung dieses Prinzips wäre eine
autonome Energieversorgung der RFID-Elektronik eines Transportbehälters, wie sie
z. B. in der Luftfracht verwendet werden. Als Reservoir kann z.
B. der Hohlraum zwischen doppelten Wänden des Behälters dienen.
Der Druckunterschied kann z. B. durch Höhenunterschiede oder atmosphärische Luftdruckschwankungen
aufgebaut werden.
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Ausführungsbeispiele-Energieerzeugung
durch Ausgleichsströmungen
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Nachfolgend
werden verschiedene Ausführungsbeispiele
aufgeführt,
um den durch den Druckunterschied zwischen pU und
pR entstehenden Fluidstrom in elektrische
Energie zu transformieren. Diese Vorrichtungen befinden sich bevorzugt
in der Strömungspassage
K aus 1. Die erzeugte Spannung kann direkt für den Betrieb
verwendet werden. Insbesondere kann diese zur direkten Versorgung
von aktiven RFIDs verwendet werden. Neben der direkten Versorgung
von elektrischen Verbrauchern ist auch eine akkumulative Speicherung
der zur Verfügung gestellten
Energie (z. B. mittels Kondensatoren) mit Hilfe einer entsprechenden
Folgeelektronik möglich. Auch
Möglichkeiten
zur mechanischen Energieakkumulation und Speicherung (z. B. in einem
eigenem Energiereservoir) sind möglich.
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Reservoir-Mikrogenerator
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In 2 ist
in die Strömungspassage
(K) ein Wandler (W) eingebaut, der die kinetische Energie der Strömung (Q)
durch (K) in mechanische Bewegung wandelt, wodurch mit Hilfe eines
elektrischen Generators die mechanische Bewegung in elektrische
Energie gewandelt werden kann. Der Wandler (W) kann z. B. eine Turbine
oder auch ein Pneumatikkolbenmotor sein, um die Verbindungswelle
(1) rotatorisch anzutreiben. Der Generator (G) wandelt
die Drehbewegung in elektrische Energie um.
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Reservoir-Einzel- und Rippelkolben
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In 3 erkennt
man einen in einem Gehäuse
G laufenden magnetisierten (M) Arbeitskolben AK, der den Kolben
in die beiden Bereiche V1 und V2 unterteilt. V1 ist mit dem Umgebunsdruck
pU und V2 mit dem Reservoirdruck pR verbunden.
An beiden Endanschlägen
sind ferromagnetische Segmente F eingearbeitet, wordurch ein Mindestdruckunterschied vorliegen
muß, um
den Kolben in Richtung gegenüberliegenden
Endanschlag in Bewegung zu setzen. Dadurch wird der Kolben abrupt
gelöst,
was zu einer Induktionsspannungsspitze in den um die Arbeitsräume V1 und
V2 gewickelten Spulen S1 bzw. S2 führt. Während der freien Bewegung erzeugt
der Magnet ebenfalls Induktionsspannung in den Spulen, mit bewegungsrichtungsabhängigem Vorzeichen.
Erreicht der Kolben den gegenüber
liegenden Anschlag, wird wieder eine Induktionsspitze beim Einrasten
des Magneten M erzeugt.
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In 4 ist
das Prinzip aus 3 erweitert und wird nachfolgend
als Rippelkolben bezeichnet. Dabei bewegt sich wiederum ein magnetisierter
Arbeitskolben AK in einem Gehäuse
G, wodurch das Volumen wieder in zwei Bereiche V1 bzw. V2 unterteilt
wird. Nun sind jedoch in die Wandungen ferromagnetische Materialien
F in einem Abstand größer dem
Polabstand des M integriert wodurch sich magnetische Einrastpunkte
für AK
ergeben. Dadurch bewegt sich AK abrupt von einem Einrastpunkt zum nächsten,
so fern der Druckunterschied ausreicht den Kolben aus einer Rastposition
zu lösen.
Dadurch werden in den an den Aufenthaltsort des AK angrenzden Spulen
Induktionsspannungen mit relativ hohen Spitzen erzeugt, die zur
Energiegewinnung herangezogen werden können.
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Fluidoszillator mit Hysterese
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In 5 ist
in der oberen Hälfte
eine Ausführungsform
einer Druckweiche DW skizziert deren Aufgabe es ist, zwei vorhandene
Drücke – hier pU und pR – in größeren (p2)
und kleineren (p1) Druck in die Kanäle K1 und K2 zu separieren.
Dazu besteht DW aus einem Gehäuse
mit vier Öffnungen
für pR, pU, p1 und p2.
Im Inneren des Gehäuses
befindet sich der Schaltkolben SK, der den Arbeitsraum in zwei Bereiche
unterteilt, nämlich
in pR- und pU-seitig.
Je nach Druckdifferenz befindet sich der Kolben auf der pR oder
pU Seite. Der Kolben SK ist geometrisch
so beschaffen, dass er die Kanäle
K1 bzw. K2 jeweils mit dem entsprechenden Druckpotential verbindet
ohne pR und pU kurzzuschließen. Damit
wird sicher gestellt, dass der Druck in p2 größer dem Druck p1 ist, was für eine nachfolgend
beschriebene Einheit zur selbsterregten Schwingungserzeugung in
Folge einer Druckdifferenz hilfreich ist.
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In
der unteren Hälfte
von 5 ist eine Vorrichtung zur selbsterregten Schwingungserzeugung skizziert.
Dabei gibt es den Steuerschieber SS und den Arbeitskolben AK als
bewegte Teile. Der Steuerschieber SS besteht aus zwei mittels eines
Abstandhalters miteinander fixierten Permanentmagneten. Dabei sind
die Magneten M1 & M2
gegenseitig abstoßend
montiert – es
kann auch ein einziges magnetisiertes Element sein, das allerdings
eine Polungsperiode mit identischen Abschlußpolen aufweist. Auch der unter
dem Steuerkolben befindliche Arbeitskolben AK ist magnetisch ausgeführt. Dabei
ist das magnetische Feld des Arbeitskolbens anziehend zum mittig
befindlichen Steuerungsschieberpol ausgerichtet. Dadurch wird eine
Federsteifigkeit – hier
auf magnetischem Wege – zwischen
AK und SS realisiert, wodurch sich der Steuerkolben zum Arbeitskolben synchron
bewegen würde.
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Mittels
ferromagnetischem Material F an den beiden Endanschlägen von
SS wird eine Hysterese für
den Steuerschieber geschaffen. Dies bewirkt ein Losbrechen von SS
wenn AK weit genug ausgelenkt ist, um die Anziehungskraft zwischen
ferromagnetischem Material F und dem jeweils anliegenden Permanentmagneten
M1 oder M2 zu überwinden.
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Dadurch
liegt die Druckdifferenz am Kolben AK an, und bewegt ihn translatorisch.
Im Zusammenspiel mit dem Steuerkolben kann so eine periodische Bewegung
erzeugt werden. Die periodische Bewegung der Teile SS und AK kann
nun zur Spannungserzeugung genutzt werden. Die Spannungserzeugung
kann sowohl kapazitiv (siehe 7.), induktiv (nachfolgend
erläutert)
als auch in Kombination beider Verfahren erfolgen. Zur induktiven
Spannungserzeugung ist eine Spulenanordnung dem sich ändernden
magnetischen Fluss der Magnete M1, M2, M3 oder auch M4 aussetzen.
Dabei können
die Spulen am Rand des Gehäuses
platziert werden – z.
B. S3 und S1 – oder
aber auch um die sich bewegenden Magnete angeordnet werden. Im Falle
von M1(M2) ist dies mittels der Spule S4A (S4B) skizziert. Der optionale
via Hilfsgestänge
HG von AK aktuierte M4 bewegt sich innerhalb von S2.
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Von
besonderem Vorteil ist die abrupte Bewegung des Steuerkolbens SS,
wodurch mit Hilfe der Spulen S3 und S4A/B relativ hohe Spannungsspitzen verfügbar sind.
Diese können
zum Beispiel direkt zur Energiegewinnung herangezogen werden, als
auch zur Speisung einer benötigten
Hilfsspannungsquelle für
evtl. nachgeschaltete Spannungswandlerelektronik für z. B.
U2(t) und U1(t) genutzt werden.
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Induktionsstössel
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In 6 ist
die Strömungspassage/Kapillare K
dargestellt, die Reservoir und Umgebung verbindet. In dem (evtl.
mit Flüssigkeit
gefüllten)
Kanal läuft ein
oder auch mehrere magnetisierte Kolben AK (bis ggf. AKn). In Folge
der Kolbenbewegung wird in die um den Kanal angeordneten Spulen
eine Induktionsspannung induziert, die an den Klemmen der Spulen zur
Energiegewinnung abgegriffen werden kann. Im Falle mehrerer Stößel ist
es von Vorteil die räumlich getrennt
laufenden Stößel mit
wechselnder magnetischer Ausrichtung anzuordnen, um auf Abstandshaltermaterial
verzichten zu können.
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Drosselklappe
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Die
einfachste Vorrichtung die Druckdifferenz mittels selbsterregter
Schwingungen nutzbar zu machen besteht aus einem bewegten Teil.
Dieses bewegte Teil bewirkt eine Nichtlinearität (Schalter) in der Systemdynamik,
wodurch selbsterregte Schwingungen entstehen. 7 bis 9 stellen
Ausführungsbeispiele
dar, wie sich selbsterregte Schwingungen aus Druckdifferenzen erzeugen
lassen. Dadurch, dass das bewegte Bauteil magnetisiert ist kann
die Bewegung mittels elektromagnetischer Indukion nutzbar gemacht
werden. Es ist dabei nicht zwingend erforderlich, dass das bewegte
Bauteil magnetisiert ist. Auch der Einsatz eines stationären Permanentmagneten
in Verbindung mit einem aus ferromagnetischen Werkstoff gefertigtem
bewegten Bauteils ist bei allen Ausführungsbeispielen möglich.
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7 zeigt
eine magnetisierte Kugel, die in einer Röhre geführt, auf einem Fluid schwimmt.
In Folge des Druckunterschieds steigt der Fluidspiegel, wodurch
sich die Kugel ebenfalls mitbewegt. Die Röhre und die Fluidmenge sind
so aufeinander abgestimmt, dass ab einer gewissen Steighöhe von unten das
Fluid mit der geringeren Dichte in die Röhre gelangt und so die Fluidsäule wieder
aus der Röhre
herausfliesst. Durch ein erneutes Ansteigen des Fluids im Steigrohr
wird der nächste
Zyklus der selbsterregten Schwingung eingeleitet.
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Durch
die Bewegung der magnetisierten Kugel wird eine Spannung in einer
Spule induziert und somit die Energie der Schwingung nutzbar gemacht.
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8 zeigt
eine Klappe KL, die mit einem Gelenk G an der Trennwand (TW), die
die Bereiche mit Durck p1 und p2 voneinander abtrennt, befestigt ist.
Im geschlossenen Zustand verschließt sie eine Durchgangsöffnung und
verhindert somit einen Druckausgleich. Optional kann ein Zwischenreservoir
(Druck p2*) mit Blende B angebaut werden. Dieses Zwischenreservoir
ist mit einer Blende B mit dem Bereich mit Druck p2 verbunden. Dadurch
ist es möglich
die Frequenz des Öffnens
und Schließens
der Klappe einzustellen. Alternativ kann dies auch über einen
Kanal mit angepasster Länge
geschehen.
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14 zeigt
eine Variante ohne Gelenk, und 15 eine
Variante mit Gelenk aber ohne zusätzlichem Zwischenreservoir.
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9 zeigt
einen magnetisierten Kolben AK, der in einer Röhre zwischen zwei Anschlägen A gleitet.
Je nach Druckunterschied bewegt sich der Kolben nach links oder
rechts. Dabei baut sich zwischen Kolben und einem ferromagnetischen
Anker F eine von der Auslenkung abhängige Rückstellkraft auf. Ist der Kolben
weit genug ausgelenkt, so kann über
eine Einkerbung E ein abrupter Druckausgleich erfolgen. Durch die
magnetische Rückstellkraft
wird der Kolben in Richtung Mittelposition beschleunigt. Dabei wird
in den umliegend platzierten Spulen Spannung induziert, die zur
Energiegewinnung abgegriffen werden kann. Mittels der Blende B werden
die Volumina V1 und V2 von der restlichen Strömungspassage/Kapillare K abgetrennt,
wodurch die selbsterregte Schwingung beeinflusst werden kann.
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Kapazitive Energieerzeugung (verschiebliche
Platten)
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In 10 ist
das Grundprinzip einer kapazitiven Potentialanhebung auf mechanischem
Weg skizziert. Dabei wird der Plattenabstand eines mit der Ladung
Q geladenen Kondensators erhöht,
wodurch mechanische Arbeit in elektrostatische Energie gewandelt
wird. Dabei ist eine Platte als Kolben ausgeführt, der in Folge einer Druckdifferenz
zwischen Reservoir P1 und P2 bewegt wird.
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In 11 wird
die in Abschnitt F3 bereits eingeführte Vorrichtung um eine kapazitive
Energieerzeugungsmöglichkeit
erweitert. Dabei wird der Arbeitskolben AK elektrisch leitfähig beschichtet.
Ferner werden in den beiden Endpositionen zwei isolierte elektrisch
leitfähige
Platten – Platte
q1 und Platte q2 angebracht. Mittels der Umschaltbewegung des Steuerschiebers
SS wird jeweils das Plattenpaar mit dem geringsten geometrischen
Abstand über
den entsprechenden Gleichrichter (D1 bzw. D2) aufgeladen. Im nachfolgenden
Arbeitschritt des Arbeitskolbens AK wird mechanische Arbeit in elektrostatische Energie
(analog zu 10) gewandelt. Zwischen den
Klemmen der entsprechenden Plattenpaare stehen die Spannungen U'1(t)
und U'2(t)
für die
Energiegewinnung zur Verfügung.
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Piezokeramische Wandungen
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16 zeigt
ein abgeschlossenes Behältniss
B, dessen elastische Wände
mit Piezokristallen und/oder Piezofolien bestückt sind. Eine Änderung des
Umgebungsdrucks pu bewirkt eine Verformung der
Berandung von B wodurch an den Piezoelementen eine elektrische Spannung
auftritt. Alternativ kann die Verformung auch durch „aufblasen” durch einen
Volumenstrom Q erfolgen.
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aktives Mikrophon/Lautsprecher
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In 12 ist
die Prinzipskizze eines aktiven Mikrophons/Lautsprechers dargestellt.
Durch Druckdifferenzen zwischen Reservoir P2 und Umgebung wird die
Membran und damit verbundene Magnete in Bewegung gesetzt, wodurch
eine Spannung an den Ausgangsklemmen der Spule abgegriffen werden kann.
Eine Anwendung diese Prinzips ist insbesondere in der Logistik nützlich.
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Schnatterzungen
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In 13 wird
die Strömungspassage/Kapillare
K durch flexible Zungen eingeengt. Durch einen Fluidstrom werden
diese zu Schwingungen angeregt. In dem die Zungen z. B. mit Piezoelementen
bestückt sind,
kann Energie mittels einer entsprechenden Folgeelektronik aus der
Vibration gewonnen werden. Denkbar wäre auch eine induktive Abnahme,
mittels mitschwingender Magnete oder bereits an sich magnetischen
Zungen und statisch fixer Spulen- bzw. auch umgekehrt. Es können lediglich
eine Zunge bis beliebig viele Zungen in einer Röhre zum Einsatz kommen.
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Mechanische Energiegewinnung und Akkumulation
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Im
folgenden sind mehrere Möglichkeiten
zur mechanischen Energiegewinnung und Akkumulation im Besonderen
durch natürliche
Druckschwankungen – im
Besonderen Luftdruckschwankungen – aufgeführt.
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In 17 ist
die Vorrichtung aus Abschnitt F3 um eine Kompressoreinheit erweitert.
Der Arbeitskolben AK bewegt den im Durchmesser geringeren Druckkolben
DK hin und her, solange eine positive Druckdifferenz zwischen p2
und p1 herrscht. Um sicher zu stellen dass p2 > p1 ist, kann die in der oberen Hälfte von 5 skizzierte
und bereits in F3 beschriebene Einheit einer Druckweiche analog
verwendet werden. Die Funktion von Steuerschieber SS, Magnet M1,
M2 und M3 sowie der Ferrite und der gezeichneten – hier jedoch
nur optionalen – Spulen mit
den Induktionsspannungen U1 und U ist analog zur bereits beschriebenen
Funktion. In Folge der Pumpbewegung von DK öffnen die Rückschlagventile RV1 und RV2 – in der
Zeichnung exemplarisch als Kugelventile ausgeführt – je nach Bewegungsrichtung
von DK. Angesaugt wird über
RV1 aus dem Druckreservoir p2. Je nach Kolbendurchmesserverhältniss von
AK zu DK kann der Druck p2 im Volumen Vp in das gepumpt wird entsprechend
vervielfacht werden. Mittels eines Ventils V1 – im Besonderen wenn dieses
als Überdruckventil
mit Hysterese ausgeführt
wird – kann
bei Bedarf oder Erreichen eines bestimmten Drucks die im Volumen
Vp gespeicherte mechanische Energie abgerufen werden. Neben der direkten
mechanischen Energieumformung – z.
B. als pneumatischer Antrieb – lässt sich
hier wiederum ein Stromgenerator und daran eine optionale Einheit zur
elektrischen Energiespeicherung/akkumulation (z. B. Kondensator
oder Spule) anschließen.
Im Besonderen ist dies dann von Vorteil, wenn die direkte elektrische
Nutzung aufgrund zu geringer Induktionsspannungen nicht möglich ist.
Gestaltet man die Wandungen von Vp elastisch aus, z. B. ähnlich einem Luftballon,
so kann nicht nur pneumatisch sondern auch hydraulisch Energie gespeichert
werden. In diesem Falle würde
nicht ein kompressibles Fluid sondern ein inkompressibles Fluid
aus einem Vorratstank der ebenfalls mit dem Druck beaufschlagt würde, gepumpt
werden.
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18 zeigt
eine Vorrichtung, die ebenfalls einen durch Druckschwankungen getriebenen
Kompressor darstellt, mit dem ebenfalls aus z. B. atmosphärischen
Druckschwankungen pneumatisch oder auch hydraulisch Energie gespeichert
werden kann. Dabei muss der Arbeitskolben AK nicht als Kolben ausgeführt sein,
er kann auch als Membrane ausgeführt
sein, die den Arbeitskolben DK – der
selbst ebenfalls als Membran ausgeführt sein kann – aktuiert.
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19 Der
Arbeitskolben AK wird durch die Druckdifferenz zwischen Umgebungsdruck
pU und Reservoirdruck pR translatorisch bewegt. Über eine mit dem AK verbundene
mechanische Koppelung z. B. einem Hebelwerk, einem Seiltrommelmechanismus
oder wie hier im Besonderen gezeichnet einer Zahnstange ZS und einem
Zahnrad ZR wird diese Bewegung in eine Rotation umgewandelt. Über einen Freilauf
F wird die Drehbewegung in einer Richtung auf einen ”Ratschenmechanismus” R übertragen,
der eine Drehfeder D zwischen R und einer äußeren Scheibe AS spannt. Die
Feder D verbindet AS und R.
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Für den skizzierten
Fall würde
eine Bewegung von ZS nach oben den Freilauf freischalten; eine Bewegung
nach unten würde
den Freilauf sperren und ZR und R im Uhrzeigersinn drehen und damit die
Drehfeder spannen. Ein Schalter KA verhindert das Losdrehen der
Scheibe AS. Erst ab einem gewissen Drehmoment gibt KA die Scheibe
AS frei. Im Besonderen ist der Schalter KA als Kugelsperre – wie skizziert – ausgeführt. Um
nach einer erfolgten Freischaltung unnötige Energieverluste der drehenden Scheibe
AS einzusparen, wäre
eine Vorrichtung KA2 statt KA vorteilhafter. Diese besteht aus einem
Gelenk mit Drehfeder G, einem in G gelagerten Hebelarm an dessen
Enden die Masse m und eine Rolle R montiert sind. In folge der Drehfeder
in G wird die Rolle vom Zentrum der Vorrichtung weg gedrückt. Der
Hebel ist mit der sich drehenden Scheibe AS verbunden, d. h. er
dreht sich mit der Scheibe mit. Im Falle einer Drehbewegung wirken
Fliehkräfte
auf die Masse m, wodurch die Rolle vom Rand weggehalten wird aufgrund
des entsprechend zu wählenden
Hebelverhältnisses
zwischen R und m. Erst unter einer bestimmten Drehzahl kann so die
Rolle R wieder in die Arretierung einrasten, um die Vorrichtung
für den nächsten Ladevorgang
zu arretieren. Neben der reinen rotatorisch mechanischen Energie
kann an die Scheibe AS ein Generator GEN zur elektrischen Erzeugung
mechanisch gekoppelt werden. Die Scheibe AS kann durch die Montage
von Permanentmagneten und Spulen (z. B. S1) selbst zum elektrischen
Generator werden.
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Anstelle
einer Drehfeder D kann auch analog jede sonstige Feder zur Energiespeicherung
und -akkumulation verwendet werden, hier im Besonderen in Folge
von Luftdruckschwankungen.