DE102009040852A1

DE102009040852A1 - Device for use in autonomous sensor unit for autonomous production of electricity in e.g. aircraft, has movable element movable by change of ambient pressure and connected with electrical generator to change its movement into electricity

Info

Publication number: DE102009040852A1
Application number: DE200910040852
Authority: DE
Inventors: Dominik Samson; Thomas Prof. Dr. Becker; Martin Dipl.-Ing.(FH) Kluge; Josef Dipl.-Ing. Schalk
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2009-09-09
Filing date: 2009-09-09
Publication date: 2011-03-10

Abstract

The device (10) has a movable element movable by change of ambient pressure (Va) caused by positional changes. The movable element is connected with an electrical generator (22) to change its movement into electricity. The movable element is designed as a piston (14), which is movable in a cylinder. A connecting rod (16) is attached at the piston and is connected with a transmission (20), which is drive off-laterally coupled with the generator. The generator is connected with an energy storage (24) e.g. accumulator or capacitor. An independent claim is also included for an autonomous sensor unit.

Description

Die Erfindung betrifft eine Umgebungsdruckänderungen ausgesetzte Vorrichtung zur autonomen Erzeugung elektrischer Energie.The invention relates to an ambient pressure changes exposed device for the autonomous generation of electrical energy.

Zur Energieversorgung autonomer Sensoren in Fahrzeugen, die Umgebungsdruckänderungen ausgesetzt sind, insbesondere Luftfahrzeugen, bedarf es einer genauso autonomen Energiequelle. Als primäre Energiequelle kommen bisher im Wesentlichen Batterien in Betracht, welche diese Aufgabe zuverlässig übernehmen können, sofern die Einsatzdauer und der Energieverbrauch gewisse Werte nicht überschreiten. Ab einer gewissen Einsatzzeit sind jedoch Batterien, vor allem auf Grund ihrer Selbstentladung, nicht mehr geeignet.To power autonomous sensors in vehicles that are exposed to changes in ambient pressure, in particular aircraft, an equally autonomous energy source is required. So far, essentially batteries come into consideration as primary energy source, which can reliably take over this task, provided that the duration of use and the energy consumption do not exceed certain values. After a certain period of use, however, batteries are no longer suitable, above all due to their self-discharge.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Vorrichtung bereitzustellen, die zeitlich unbeschränkt eine Energieversorgung, insbesondere von autonomen Sensoren, sicherstellt.The object of the invention is therefore to provide a generic device, the unlimited time a power supply, in particular of autonomous sensors, ensures.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine abgeschlossene, gasgefüllte Druckkammer, wobei ein dem Innendruck sowie dem Umgebungsdruck ausgesetztes bewegliches Element vorgesehen ist, das durch einen Druckunterschied am beweglichen Element bewegbar ist, wobei das bewegbare Element mit einem elektrischen Generator verbunden ist, um dessen Bewegung in elektrische Energie umzuwandeln.According to the invention, this object is achieved by a closed, gas-filled pressure chamber, wherein a internal element exposed to the pressure and the ambient pressure movable element is provided, which is movable by a pressure difference on the movable element, wherein the movable member is connected to an electric generator to its movement in to convert electrical energy.

Die Erfindung realisiert somit eine regenerative Energiequelle unter Ausnutzung einer Umgebungsdruckänderung dadurch, dass diese Änderung das bewegliche Element ein Stück verschiebt, bis Druckausgleich zwischen dem Innendruck und dem Umgebungsdruck besteht und diese Bewegung über einen Generator in elektrische Energie gewandelt wird. Diese Energie läßt sich über eine Speichereinrichtung (Akkumulatoren, Kondensatoren) zuführen und/oder direkt zum Betrieb von Sensoren verwenden. Dies ist insbesondere in modernen Luftfahrzeugen von Vorteil, weil die Anzahl der verwendeten Sensoren an exponierten oder schwer zugänglichen Bauteilen und Stellen immer mehr zunimmt und es einen großen Vorteil darstellt, wenn solche Sensoren autonom, d. h. ohne Anschluß an zentrale Energieversorgungseinrichtungen, betrieben werden können.The invention thus realizes a regenerative energy source by utilizing an ambient pressure change in that this change shifts the movable element a piece until pressure equalization between the internal pressure and the ambient pressure and this movement is converted by a generator into electrical energy. This energy can be supplied via a storage device (accumulators, capacitors) and / or used directly for the operation of sensors. This is particularly advantageous in modern aircraft because the number of sensors used on exposed or inaccessible components and locations is increasing more and more and it is a great advantage if such sensors are autonomous, i. H. can be operated without connection to central power supply facilities.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das bewegbare Element ein Kolben, der in einem gasgefüllten Zylinder verschiebbar ist. Dadurch läßt sich die Vorrichtung baulich sehr einfach realisieren. Alternativ kann statt einem Kolben auch eine Membran vorgesehen werden.According to a preferred embodiment of the invention, the movable element is a piston which is displaceable in a gas-filled cylinder. As a result, the device can be structurally very easy to implement. Alternatively, instead of a piston, a membrane can also be provided.

Eine weitere bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass am Kolben eine Schubstange angebracht ist, die mit einem Getriebe verbunden ist, das abtriebseitig mit dem Generator gekoppelt ist. Durch ein derartiges Getriebe mit einem großen Übersetzungsverhältnis kann auch eine kleine Lageänderung des beweglichen Elements in eine ausreichend starke Drehbewegung verwandelt werden, um einen Generator effizient zu betreiben.A further preferred embodiment provides that a push rod is attached to the piston, which is connected to a transmission which is coupled on the output side with the generator. By such a transmission with a large gear ratio and a small change in position of the movable element can be converted into a sufficiently strong rotational movement to operate a generator efficiently.

Vorzugsweise ist der Generator mit einem Energiespeicher, insbesondere einem Akkumulator oder einem Kondensator verbunden. Auf diese Weise läßt sich die gewonnene Energie zwischenspeichern, so dass auch dann Energie zur Verfügung steht, wenn die Vorrichtung keiner Umgebungsdruckänderung aktuell ausgesetzt ist, beispielsweise wenn ein Luftfahrzeug am Boden steht oder sich im Horizontalflug befindet. Die Energie läßt sich bei einem solchen Luftfahrzeug dann gewinnen, wenn dieses sich im Steig- oder Sinkflug befindet, so dass sich der Umgebungsluftdruck ändert.Preferably, the generator is connected to an energy store, in particular an accumulator or a capacitor. In this way, the energy obtained can be cached, so that even then energy is available when the device is not exposed to any ambient pressure change, for example, when an aircraft is on the ground or is in horizontal flight. The energy can be gained in such an aircraft then, if this is in the climb or descent, so that the ambient air pressure changes.

Alternativ kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch in einem Unterseefahrzeug eingesetzt werden, wobei die Umgebungsdruckänderung der hydrostatische Druck beim Ab- oder Auftauchen ist.Alternatively, the device according to the invention can also be used in a submarine vehicle, wherein the ambient pressure change is the hydrostatic pressure when diving or surfacing.

Eine weitere besonders bevorzugte Anwendung der Erfindung ist in einer mit Messeinrichtungen versehenen Boje, die bei Niedrigwasser (Ebbe) auf der Wasseroberfläche schwimmt und bei Hochwasser (Flut) überspült ist. Jeder Wechsel von Flut zu Ebbe und umgekehrt ermöglicht daher die Erzeugung von Energie. Als Messeinrichtungen kommen insbesondere Druck-, Temperatur- oder seismische Sensoren in Betracht, wobei vorzugsweise Sendeeinrichtungen vorhanden und von der Energieerzeugungsvorrichtung betrieben werden sollten, um die gemessenen Werte an eine Empfangsstation zu senden.Another particularly preferred application of the invention is in a buoy provided with measuring devices, which floats on the water surface at low tide (low tide) and is flooded during high tides (flood). Every change from high tide to low tide and vice versa therefore allows the generation of energy. In particular pressure, temperature or seismic sensors come into consideration as measuring devices, wherein transmitting devices should preferably be present and operated by the energy generating device in order to send the measured values to a receiving station.

Die Erfindung betrifft ferner eine autonome Sensoreinheit, die mindestens einen Sensor umfasst, einen Energiespeicher sowie eine Kontrolleinrichtung zur Ansteuerung bzw. Auslesung des mindestens einen Sensors sowie die oben beschriebene Energieerzeugungsvorrichtung. Auf diese Weise lässt sich ein vollständig autonomer Sensor realisieren, der kompakt aufgebaut sein kann und leicht ein- und auszubauen ist. Besonders bevorzugt ist es, wenn die autonome Sensoreinheit eine Signalsendeeinrichtung umfasst, welche das Sensorsignal an ein Empfangsgerät sendet, weil auf diese Weise jegliche Anschlüsse zum Betrieb des Sensors entfallen können.The invention further relates to an autonomous sensor unit comprising at least one sensor, an energy store and a control device for controlling or reading the at least one sensor and the power generating device described above. In this way, a completely autonomous sensor can be realized, which can be compact and easy to install and remove. It is particularly preferred if the autonomous sensor unit comprises a signal transmitting device which transmits the sensor signal to a receiving device, because in this way any connections for the operation of the sensor can be dispensed with.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:The invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Showing:

1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Energieerzeugungsvorrichtung; 1 a schematic representation of a first embodiment of a power generating device;

2: eine Anwendung der Erfindung in einer Boje; 2 an application of the invention in a buoy;

3: eine Anwendung der Erfindung in einer autonomen Sensoreinheit. 3 an application of the invention in an autonomous sensor unit.

Die in 1 gezeigte Vorrichtung 10 besteht im Wesentlichen aus einer gasgefüllten Druckkammer 12, die von einem Kolben 14 druckdicht verschlossen ist. Im Inneren der Druckkammer 12 herrscht der Innendruck Vi, der abhängig ist von der Stellung des beweglichen Kolbens 14. Die äußere Seite des Kolbens 14 ist vom Umgebungsdruck Va beaufschlagt, der sich beispielsweise durch eine Verbringung der Vorrichtung in große Höhe verändert. Beispielsweise bei Anbringung in einem Luftfahrzeug sinkt der Aussendruck Va nach dem Abheben bis zum Erreichen der Flughöhe. Die Differenz zwischen Aussendruck Va und Innendruck Vi erzeugt eine Kraft auf den Kolben 14 und bewegt diesen in Axialrichtung einer Schubstange 16 so lange, bis sich der Innendruck Vi dem Aussendruck Va angepasst hat. An der Schubstange 16 ist eine Zahnstangen-Zahnradverbindung 18 vorgesehen, die mit einem Getriebe 20 gekopplet ist, das wiederum mit einem Generator 22 wirkverbunden ist und die axiale Bewegung der Schubstange 16 in elektrische Energie umwandelt. Dazu weist das Getriebe 20 vorzugsweise ein hohes Übersetzungsverhältnis auf, damit auch kleine Bewegungen des Kolbens 14 bzw. der Schubstange 16 in ausreichende Bewegung zur Anregung des Generators 22 umgesetzt werden. Der Generator 22 ist mit einem Powermanagementsystem 24 versehen, welches die gewonnene Energie konvertiert und speichert, um bei Bedarf zur Verfügung zu stehen.In the 1 shown device 10 consists essentially of a gas-filled pressure chamber 12 coming from a piston 14 pressure sealed. Inside the pressure chamber 12 the internal pressure Vi prevails, which depends on the position of the movable piston 14 , The outer side of the piston 14 is acted upon by the ambient pressure Va, which changes, for example, by a shipment of the device in high altitude. For example, when mounted in an aircraft, the external pressure Va decreases after lifting until reaching the altitude. The difference between external pressure Va and internal pressure Vi generates a force on the piston 14 and moves it in the axial direction of a push rod 16 until the internal pressure Vi has adapted to the external pressure Va. At the push rod 16 is a rack gear connection 18 provided with a gear 20 is coupled, which in turn with a generator 22 is operatively connected and the axial movement of the push rod 16 converted into electrical energy. This is indicated by the gearbox 20 preferably a high gear ratio, thus small movements of the piston 14 or the push rod 16 in sufficient motion to excite the generator 22 be implemented. The generator 22 is with a power management system 24 which converts and stores the energy recovered to be available when needed.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erzeugt also bei jeder Druckänderung elektrische Energie, sei es dass der Umgebungsdruck absinkt oder zunimmt. Da in der Reiseflughöhe von Passagierflugzeugen der Außendruck ca. 1/3 bar beträgt, läßt sich die Druckänderung von ca. 2/3 bar energetisch verwerten. Das heißt, sowohl bei einem Steig- als auch bei einem Sinkflug eines Luftfahrzeuges wird Energie erzeugt. Beipielsweise bei einem Volumen des Zylinders 12 von ca. 5 liter und einer Druckänderung von 0,5 bar läßt sich eine Energie von ca. 170 J gewinnen.Thus, the device according to the invention generates electrical energy at every pressure change, be it that the ambient pressure drops or increases. As at the cruising altitude of passenger aircraft, the external pressure is about 1/3 bar, the pressure change of about 2/3 bar can be used energetically. That is, both in a climb and a descent of an aircraft energy is generated. For example, with a volume of the cylinder 12 of about 5 liters and a pressure change of 0.5 bar, an energy of about 170 J can be obtained.

In 2 ist eine bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einer Boje 30 dargestellt, die in 2a bei Flut und in 2b bei Ebbe dargestellt ist. Bei der Boje 30 handelt es sich um eine mit Energiebedarf, beispielsweise zur Messung meterologischer Daten. Die Boje 30 ist über ein Fixierkabel 32 an einem Bojenfundament 34 befestigt, das auf dem Meeresboden 36 liegt. Dabei ist die Länge des Fixierkabels 32 so gewählt, dass die Boje 30 bei Ebbe (2b) auf der Wasseroberfläche 38b aufschwimmt, während diese bei Flut (2a) um den Tidenhub H überspült ist. Dieser Tidenhub führt zu einer entsprechenden Druckänderung, beispielsweise bei einem Tidenhub von 1 m zu einer Druckänderung von ca. 0,1 bar. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 ist dabei im Inneren der Boje 30 angebracht.In 2 is a preferred application of the device according to the invention in a buoy 30 represented in 2a at high tide and in 2 B is shown at low tide. At the buoy 30 it is one with energy needs, for example, to measure meterological data. The buoy 30 is via a fixing cable 32 at a buoys foundation 34 fixed on the seabed 36 lies. Here is the length of the fixing cable 32 so chosen that the buoy 30 at low tide ( 2 B ) on the water surface 38b floats while at high tide ( 2a ) is washed over by the tidal stroke H. This Tidenhub leads to a corresponding pressure change, for example, at a Tidenhub of 1 m to a pressure change of about 0.1 bar. The device according to the invention 10 is inside the buoy 30 appropriate.

In 3 ist eine autonome Sensoreinheit 40 dargestellt, die mindestens einen Sensor 42 umfaßt. Ein solcher Sensor 42 kann die verschiedensten physikalischen oder chemischen Parameter erfassen, beispielsweise Temperaturen, Drucke, Leitfähigkeit, Strom, Spannung. Der Sensor 42 ist mit einer Steuereinrichtung 44 gekoppelt, die den Sensor 42 sowohl ansteuert als auch das Signal aus diesem ausliest. Die Steuereinrichtung 44 ist ferner mit einer Energiespeichereinheit 46 verbunden, welche die Energie zum Betrieb der Steuereinrichtung 44 und des Sensors 42 und sonstiger Einrichtungen bereitstellt. Ferner ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Umgebungsdruckänderungen Bestandteil der Sensoreinheit 40, wobei die von der Vorrichtung gelieferte elektrische Energie von der Steuereinrichtung 44 umgewandelt und der Energiespeichereinheit 46 zugeführt wird, soweit diese nicht aktuell benötigt wird.In 3 is an autonomous sensor unit 40 shown, the at least one sensor 42 includes. Such a sensor 42 can detect a wide variety of physical or chemical parameters, such as temperatures, pressures, conductivity, current, voltage. The sensor 42 is with a control device 44 coupled to the sensor 42 both drives and reads out the signal from this. The control device 44 is further provided with an energy storage unit 46 connected to which the energy to operate the control device 44 and the sensor 42 and other facilities. Furthermore, the device according to the invention 10 for generating electrical energy from ambient pressure changes part of the sensor unit 40 wherein the electrical energy supplied by the device from the control device 44 converted and the energy storage unit 46 is supplied, if not currently required.

Ferner kann die autonome Sensoreinheit 40 eine Sendeeinrichtung 48 umfassen, die das vom Sensor 42 gelieferte und von der Steuereinrichtung 44 aufbereitete, gegebenenfalls kodierte, Sensorsignal über elektromagnetische Wellen, insbesondere Funk oder Licht an einen nicht dargestellten Empfänger sendet. Es können natürlich mehrere Sensoren 42 in der Sensoreinheit 40 vorgesehen werden.Furthermore, the autonomous sensor unit 40 a transmitting device 48 include that from the sensor 42 delivered and from the controller 44 processed, optionally encoded, sensor signal via electromagnetic waves, in particular radio or light to a receiver, not shown, sends. There can of course be several sensors 42 in the sensor unit 40 be provided.

Claims

Device for the autonomous generation of electrical energy, which is exposed to changes in ambient pressure, characterized by a closed, gas-filled pressure chamber ( 12 ), wherein a moving element exposed to the internal pressure and the ambient pressure ( 14 ) is provided, which is movable by a change in position caused by changes in the ambient pressure, wherein the movable element ( 14 ) with an electric generator ( 22 ) is connected to convert its movement into electrical energy.

Device according to claim 1, characterized in that the movable element is a piston ( 14 ), which is in a cylinder ( 12 ) is displaceable.

Device according to claim 2, characterized in that on the piston ( 14 ) a push rod ( 16 ) fitted with a transmission ( 20 ) connected on the output side with the generator ( 22 ) is coupled.

Device according to claim 1, characterized in that the generator ( 22 ) with an energy store ( 24 ), in particular an accumulator or capacitor is connected.

Apparatus according to claim 1, characterized in that it is mounted in an aircraft and the change of the ambient pressure is used during the rise and fall of the aircraft for energy production.

Apparatus according to claim 1, characterized in that it is used in a submarine vehicle, and the changing ambient pressure is the hydrostatic underwater pressure.

Apparatus according to claim 1, characterized in that this in a buoy ( 30 ), which floats at low tide (low tide) on the water surface and is flooded at high tide.

Autonomous sensor unit ( 40 ), characterized in that it comprises at least one sensor ( 42 ), an energy store ( 46 ), a control device ( 44 ) for the at least one sensor and a device according to claim 1.

Autonomous sensor unit according to claim 8, characterized in that it comprises a signal transmitting device ( 48 ) which emits the sensor signal as electromagnetic waves.