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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels eines strömenden Fluids der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Derartige Vorrichtungen sind hinlänglich bekannt. So offenbart die
DE 101 09 475 B4 eine Hubflügel-Strömungskraftmaschine zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines strömenden Fluids. Die Vorrichtung umfasst einen Hebelmechanismus, an welchem ein Flügelelement angeordnet ist, welches in einer Strömung des Fluids mit einem veränderlichen Anstellwinkel beweglich angeordnet ist. Ein Profilhebel und ein Steuerhebel des Hebelmechanismus ist an jeweils mit einem an einer weiteren Vorrichtung versehenem Krafteinleitungspunkt gekoppelt. Die Krafteinleitungspunkte sind jeweils an einer mittels zweier Kettenräder geführten Kette angeordnet, wobei die Relativposition der Krafteinleitungspunkte zueinander mittels eines verstellbaren Kegelzahnrades verstellbar ist, über welches die Ketten kinematisch miteinander gekoppelt sind.
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Bei einer solchen Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels eines strömenden Fluids sind eine Vielzahl von mechanischen Komponenten erforderlich. Die translatorische Bewegung des Flügelelements wird über den Hebelmechanismus an die kettenrädergeführten Ketten übertragen und in eine rotatorische Bewegung übersetzt. Infolgedessen sind neben den Elementen des Hebelmechanismus weitere, insbesondere rotierende Teile, erforderlich. Zum einen ergibt sich daraus ein relativ aufwändiger mechanischer Aufbau der Vorrichtung, was relativ hohe Herstellungskosten einer solchen Vorrichtung zur Folge hat. Zum anderen stellten die Vielzahl an einzelnen Komponenten, insbesondere die rotierenden Teile, ein entsprechendes Risiko hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Vorrichtung im Betrieb dar. Des Weiteren können erhöhte Reibungsverluste im Betrieb aufgrund der Vielzahl der kinematisch miteinander in Interaktion stehenden Elemente auftreten, was in einer relativ schlechten Umwandlung der mechanischen in elektrische Energie bzw. in einem relativ schlechten Wirkungsgrad resultieren kann.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der eine verbesserte Erzeugung von elektrischer Energie mittels eines strömenden Fluids ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels eines strömenden Fluids zeichnete sich dadurch aus, dass ein erstes Element des Hebelmechanismus mit seinem ersten Ende ortsfest angeordnet ist, und mit seinem zweiten Ende mittelbar oder unmittelbar mit einem ersten Ende des Flügelelements verbunden ist, und dass ein zweites Element des Hebelmechanismus mit seinem ersten Ende ortsfest angeordnet ist und mit seinem zweiten Ende mittelbar oder unmittelbar mit einem zweiten Ende des Flügelelements verbunden ist, wobei mittels des Hebelmechanismus wenigstens ein piezoelektrischer Biegewandler der Vorrichtung betätigbar ist. Während also beim Gegenstand gemäß der
DE 101 09 475 B4 die translatorische Bewegung des Flügelelements mittels einer entsprechenden Kinematik in eine rotatorische Bewegung umgewandelt wird, ist es demgegenüber erfindungsgemäß vorgesehen, dass die translatorische Bewegung des Flügelelements mittels des Hebelmechanismus an wenigstens einen piezoelektrischen Biegewandler der Vorrichtung übertragen wird. Dadurch werden rotierende Teile vermieden und der Strömung wird, unterstützt durch aerodynamisch geformten Flügel, sehr effizient Energie entzogen. Durch einen zusätzlichen Resonanzeffekt beschleunigen sich die Hebelbewegungen des Hebelmechanismus weiter, bis sich die den Hebelmechanismus über die Hubflügel zugeführte und die durch Reibung und dem piezoelektrischen Energiewandler entnommene Energie die Waage halten. Vorteilhaft erweist sich, dass der elastische Energieanteil der Biegeverformung beim Zurückstellen des piezoelektrischen Biegewandlers nicht verloren geht, sonder die Bewegung des Hebelmechanismus wieder beschleunigt. Alle diese Vorteile resultieren in einer hohen Effizienz der Wandlung der Strömungsenergie in elektrische Energie.
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Somit ist eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels eines strömenden Fluids geschaffen, mit einer geringeren Teileanzahl und einem mechanisch weniger komplizierten Aufbau der Vorrichtung, mit welcher auf effiziente Weise eine Wandlung von mechanischer in elektrische Energie erfolgt. Insbesondere kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung gänzlich auf rotierende Teile verzichtet werden. In Kombination mit der verringerten Teileanzahl der Vorrichtung resultiert daraus eine erhöhte Zuverlässigkeit der Vorrichtung während des Betriebs. Zudem kann aufgrund des vereinfachten mechanischen Aufbaus der Vorrichtung ein verringerter Reibungsverlust während des Betriebs erzielt werden, und schließlich hat der vereinfachte mechanische Aufbau der Vorrichtung auch einen positiven Effekt auf die Herstellkosten.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Hebelmechanismus zwei beweglich angeordnete Gelenke umfasst, wobei das erste Element und das zweite Element jeweils mit seinem zweiten Ende an einem der beweglich angeordneten Gelenke des Hebelmechanismus angeordnet ist und das Flügelelement mittelbar oder unmittelbar mit seinen Enden jeweils an einem der beweglich angeordneten Gelenke angeordnet ist. Zudem ist es vorteilhafterweise vorgesehen, dass der Hebelmechanismus zwei ortsfest angeordnete Gelenke umfasst, wobei das erste Element und das zweite Element jeweils mit seinem ersten Ende an einem der ortsfesten Gelenke des Hebelmechanismus angeordnet ist Die maximale Auslenkung eines mittels des Hebelmechanismus betätigten piezoelektrischen Biegewandlers ist hierbei durch die Geometrie der Hebellängen der einzelnen Elemente und der Abstände der Gelenke definiert. Darin liegt ein weiterer Vorteil, weil hierdurch die Auslenkung des piezoelektrischen Biegewandlers mit steigender Strömungsgeschwindigkeit konstant bleibt und nicht über die Belastungsgrenze des piezoelektrischen Biegewandlers gerät. Nach dem Stand der Technik werden üblicherweise mechanische Anschläge zur Begrenzung und Auslenkung piezoelektrischer Biegewandler verwendet, welche einerseits die Effizienz der Energiewandlung mindern und andererseits den piezoelektrischen Bieger mit Prellvorgängen zusätzlich belasten. Demgegenüber können erfindungsgemäß solche mechanischen Anschläge eingespart werden bzw. sind gar nicht erforderlich, da aufgrund der Kinematik des Hebelmechanismus die Auslenkung des piezoelektrischen Biegewandlers von vorneherein unterhalb der Belastungsgrenze des piezoelektrischen Biegewandlers einstellbar bzw. begrenzbar ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein drittes Element des Hebelmechanismus mit seinem ersten Ende und seinem zweiten Ende jeweils an einem der beweglichen Gelenke angeordnet, wobei das Flügelelement an dem dritten Element angeordnet ist. Das Flügelelement kann somit auf einfache Weise an dem dritten Element angeordnet sein, welches das erste und das zweite Element miteinander verbindet und auf diese Weise der gesamte Hebelmechanismus ausgebildet wird. An dem Flügelelement selbst müssen keine Gelenke vorgesehen sein, da es an dem dritten Element angeordnet wird, wodurch eine gleichmäßige Belastung des Flügelelements im Betrieb sichergestellt werden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zumindest ein piezoelektrischer Biegewandler mit einem ersten Ende ortsfest angeordnet und mit einem zweiten Ende an einem der beweglichen Gelenke angeordnet ist. Alternativ sieht eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung vor, dass zumindest ein piezoelektrischer Biegewandler mit einem ersten Ende ortsfest angeordnet und mit einem zweiten Ende an dem ersten Element oder an dem zweiten Element angeordnet ist. Dadurch kann auf einfache Weise eine kinematische Kopplung zwischen dem Hebelmechanismus und dem piezoelektrischen Biegewandler realisiert werden. Je nach gewählter Geometrie des Hebelmechanismus und des piezoelektrischen Biegewandlers kann die maximale Biegung bzw. der maximale Ausschlag des piezoelektrischen Biegewandlers durch Auswahl eines geeigneten Kopplungspunktes, an welchem der piezoelektrische Biegewandler mit dem Hebelmechanismus gekoppelt ist, eingestellt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das erste Element und/oder das zweite Element als piezoelektrischer Biegewandler ausgebildet. Dadurch ist es möglich, das erste und/oder das zweite Element des Hebelmechanismus einzusparen, da diese durch einen piezoelektrischen Biegewandler ersetzt werden. Des Weiteren ist es bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform vorgesehen, dass die ortsfest angeordneten Enden des piezoelektrischen Biegewandlers im Wesentlichen in Form einer mechanischen Einspannung und nicht mittels eines Gelenks ausgebildet sind. Somit können bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform zwei Gelenke und zwei Hebelelemente des Hebelmechanismus eingespart werden, was wiederum in verringerten Herstellkosten der Vorrichtung resultiert. Des Weiteren kann eine Ankopplung des piezoelektrischen Biegewandlers an den Hebelmechanismus entfallen, so dass eine noch effizientere Energiewandlung bzw. ein erhöhter Wirkungsgrad erzielbar ist.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn eine Bewegung des Flügelelements im Wesentlichen senkrecht zur Lotrichtung erfolgt. Mit anderen Worten ist der Hebelmechanismus mitsamt dem Flügelelement derart anzuordnen, dass der Hebelmechanismus durch die Bewegung des Flügelelements keine Auslenkung entgegen der Schwerkraft erfährt. Somit hemmt keines der bewegten Teile des Hebelmechanismus aufgrund seiner Gewichtskraft die Auslenkung des Flügelelements. Zum einen bietet die Vorrichtung dadurch einen geringeren Widerstand gegenüber der Auslenkung des Flügelelements, zum anderen wird dadurch eine gleichmäßige Auslenkung des Flügelelements in beide Auslenkungsrichtungen gewährleistet.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Flügelelement ein symmetrisches Querschnittsprofil aufweist. Dadurch ist gewährleistet, dass der Flügel in beide Auslenkungsrichtungen im Wesentlichen die gleiche dynamische Auftriebskraft erfährt, und somit auch in beide Auslenkungsrichtungen des Flügels eine gleichgroße Belastung auf den Hebelmechanismus einwirkt. Eine auslenkungsabhängige Auslegung des Hebelmechanismus kann dadurch entfallen und der Hebelmechanismus erfährt einen gleichmäßigen und gut vorhersagbaren Verschleiß während des Betriebs der Vorrichtung.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels eines strömenden Fluids mit einem Hebelmechanismus, welcher drei stabförmig mittels Gelenken miteinander verbundene Elemente umfasst, wobei an dem mittleren Element ein Flügelelement angeordnet ist;
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2 eine schematische Draufsicht auf eine im Wesentlichen gleiche Vorrichtung wie in 1 gezeigt, wobei an dem Hebelmechanismus zwei Flügelelemente angeordnet sind;
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3 eine schematische Seitenansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung; und in
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4 eine Abfolge von vier Diagrammen, in welcher eine Bewegung der in den 1 und 3 gezeigten Vorrichtung dargestellt ist, wobei die Verschiebung der in den Diagrammen dargestellten Knotenpunkte dabei der Bewegung entspricht, welche die Vorrichtung in der in 1 gezeigten Draufsicht vollzieht, wenn diese einem strömenden Fluid ausgesetzt ist.
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Eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines strömenden Fluids ist in einer schematischen Draufsicht in 1 gezeigt. Die Vorrichtung umfasst einen Hebelmechanisums 10, an welchem ein Flügelelement 12 angeordnet ist, welches im vorliegenden Fall in einer von links nach rechts strömenden, mit dem Pfeil 13 angedeuteten Strömung eines Fluids mit einem veränderlichen Anstellwinkel α beweglich angeordnet ist. Die x-Achse bezeichnet im vorliegenden Fall die Richtung der Längsachse des Hebelmechanismus und die y-Achse die Hauptbewegungsrichtung des Flügelelements 12. Des Weiteren ist der 1 zu entnehmen, dass das Flügelelement 12 im vorliegenden Fall ein symmetrisches Querschnittsprofil aufweist.
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Ein erstes Element 14 des Hebelmechanismus 10 ist mit seinem ersten Ende 16 an einem ortsfesten Gelenk 18 angeordnet und mit seinem zweiten Ende 20 an einem beweglichen Gelenk 22 angeordnet. Ein zweites Element 24 des Hebelmechanismus 10 ist mit seinem ersten Ende 26 an einem ortsfest angeordneten Gelenk 28 angeordnet und ist mit seinem zweiten Ende 30 mit einem beweglich angeordneten Gelenk 32 verbunden.
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Ein drittes Element des Hebelmechanismus 10 ist zwischen dem ersten Element 14 und dem zweiten Element 24 angeordnet, wobei das dritte Element 34 des Hebelmechanismus 10 mit seinem ersten Ende 36 mit dem beweglich angeordneten Gelenk 22 verbunden ist und mit seinem zweiten Ende 38 mit dem beweglich angeordneten Gelenk 32 verbunden ist. Des Weiteren ist in dem vorliegend dargestellten Fall das Flügelelement 12 an dem dritten Element 34 des Hebelmechanismus 10 angeordnet. Es ist aber auch möglich, dass das Flügelelement 12 mit seinem ersten Ende 40 und mit seinem zweiten Ende 42, also im Bereich der Profilnase bzw. im Bereich der Profilhinterkante direkt mit den beweglich angeordneten Gelenken 22 bzw. 32 verbunden ist.
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Mittels des Hebelmechanismus 10 ist wenigstens ein im vorliegenden Fall nicht dargestellter piezoelektrischer Biegewandler der Vorrichtung betätigbar. Ein solcher piezoelektrischer Biegewandler kann beispielsweise mit einem ersten Ende ortsfest angeordnet und mit einem zweiten Ende an einem der beweglichen Gelenke 22 bzw. 32 angeordnet sein. Des Weiteren ist es aber genauso gut möglich, dass ein solcher piezoelektrischer Biegewandler mit seinem ersten Ende ebenfalls ortsfest angeordnet ist und mit seinem zweiten Ende an dem ersten Element 14 bzw. an dem zweiten Element 24 angeordnet ist. Des Weiteren ist es aber auch denkbar, dass das erste Element 14 und/oder das zweite Element 24 als piezoelektrischer Biegewandler ausgebildet ist. In diesem Fall wäre ein erstes Ende des piezoelektrischen Biegewandlers an der Position, wo im vorliegenden Fall das ortsfeste Gelenk 18 dargestellt ist, angeordnet, wobei jedoch der piezoelektrische Biegewandler mit seinem ersten Ende in Form einer Einspannung ortsfest angeordnet wäre. Ein zweites Ende des piezoelektrischen Biegewandlers könnte dabei analog zu dem ersten Element 14 mit dem beweglich angeordneten Gelenk 22 verbunden sein. Ein piezoelektrischer Biegewandler, welcher das zweite Element 24 des Hebelmechanismus 10 ersetzen würde, wäre dabei in analoger Weise angeordnet, wie der zuvor beschriebene piezoelektrischer Biegewandler, welcher das erste Element 14 des Hebelmechanismus 10 ersetzt.
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In 2 ist im Wesentlichen die gleiche Vorrichtung wie in 1 gezeigt, wobei lediglich an dem Hebelmechanismus 10 zwei Flügelelemente 12 angeordnet sind. Gleiche Elemente sind daher auch mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden an dieser Stelle nicht nochmals im Detail beschrieben.
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In 3 ist die in 1 gezeigte Vorrichtung in einer schematischen Seitenansicht dargestellt. Die z-Achse bezeichnet die Richtung der Längsachse des Flügelelements 12. Wie zu erkennen ist, ist das Flügelelement 12 in Richtung seiner Längsachse mittig an dem dritten Element 34 angeordnet. Des Weiteren ist aus der Darstellung in 3 ersichtlich, dass es sich bei den ortsfest angeordneten Gelenken, 18 und 28 bzw. bei den beweglich angeordneten Gelenken 22 und 32 um Drehgelenke handelt, welche beispielsweise in Form von Scharniergelenken ausgebildet sein können. Die ortfest angeordneten Gelenke 18, 28 weisen nur einen Freiheitsgrad auf, nämlich eine Drehung um die Achse z, welche sich parallel zur Längsachse des Flügelelements 12 erstreckt. Die beweglich angeordneten Gelenke 22, 32 selbst sind prinzipiell in alle drei Raumrichtungen x, y, z translatorisch bewegbar, jedoch nur soweit, wie es ihnen aufgrund der kinematischen Kopplung im Zusammenspiel mit dem gesamten Hebelmechanismus 10 möglich ist. Zudem weisen die beweglich angeordneten Gelenke 22, 32 einen Drehfreiheitsgrad im Wesentlichen um die Achse z auf.
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In 4 ist anhand von vier Diagrammen eine Auf- und Abbewegung des Flügelelements 12 bzw. des gesamten Hebelmechanismus 10 dargestellt. In den jeweiligen Diagrammen entspricht die y-Achse bzw. die x-Achse dergleichen Richtung wie in den 1 bzw. 2 dargestellt. In den vier dargestellten Graphen ist eine Periode der periodischen Bewegung der Vorrichtung dargestellt. Die vier Knoten mit den x-Koordinaten 0, 3, 5 und 8 in dem ersten Diagramm von links symbolisieren die Positionen der vier Gelenke 18, 22, 32 und 28, welche mit den Elementen 14, 24 und 34 verbunden sind. Nachfolgend wird anhand der in 4 dargestellten Abfolge der vier Graphiken der Bewegungsablauf der Vorrichtung erläutert.
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Aus einer anfänglich immer vorhandenen Anstellung des Flügels 12 in Bezug zur Strömungsrichtung 13 ergibt sich eine im Wesentlichen senkrecht zur Flügelfläche, im vorliegenden Fall in Richtung der Achse y, wirkende dynamische Auftriebskraft, welche den Flügel 12 in die entsprechende Richtung antreibt. Bevor das Flügelelement 12 an einen der beiden durch den Hebelmechanismus 10 definierten Endpunkte gelangt, wird durch den Hebelmechanismus 10 der Anstellwinkel α des Flügelelements 12 verringert. Damit verringert sich auch die dynamische Auftriebskraft. Aufgrund der Trägheit aller bewegten Teile bewegt sich das Flügelelement 12 jedoch weiter über den Endpunkt und den Anstellwinkel α = 0° gegenüber der x-Achse hinaus. Der Anstellwinkel α ändert nun das Vorzeichen mit der Folge, dass die dynamische Auftriebskraft die Richtung wechselt und das Flügelelement 12 weiter beschleunigt, bis es den anderen Endpunkt erreicht. Diese Beschleunigung setzt sich nun solange fort, bis sich durch die Strömung dem System zugeführte Energie und die durch Reibung und Energieentnahme durch die mit den beweglichen Gelenken 22, 32 verbundenen piezoelektrischen Biegewandler, welche die durch den Hebelmechanismus 10 bewirkte Verbiegung in elektrische Energie umwandeln, die Waage halten. Somit wird der vorhandenen Strömung effizient Energie entnommen und in elektrische Energie gewandelt, ohne die Strömung zu stark zu beeinflussen und Turbulenzen zu erzeugen. Durch einen zusätzlichen Resonanzeffekt beschleunigen sich die Bewegungen des Hebelmechanismus 10 weiter, bis sich die dem Hebelmechanismus 10 und dem Flügelelement 12 zugeführte und die durch Reibung und dem piezoelektrischen Energiewandler entnommene Energie die Waage halten. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, dass der elastische Teil der Energieverformung des piezoelektrischen Biegewandlers beim Zurückschnellen nicht verloren geht und die Bewegung des Hebelmechanismus 10 wiederum beschleunigt. Dies resultiert in einer hohen Effizienz der Wandlung der Strömungsenergie in elektrische Energie. Die maximale Auslenkung der piezoelektrischen Biegeelemente ist herbei durch die Geometrie der Hebellängen und der Abstände der Gelenke 18, 22, 32, 28 definiert. Darin liegt ein weiterer Vorteil, da hierdurch die Auslenkung des piezoelektrischen Biegeelements mit steigender Strömungsgeschwindigkeit konstant bleibt und nicht über die Belastungsgrenze des piezoelektrischen Biegeelements gerät. Diese Art der Vorrichtung, welche ein Hebelmechanismus 10 mit einem Flügelelement 12 und zumindest einem piezoelektrischen Biegeelement kombiniert, lässt sich zur Energieerzeugung für das sogenannte „Energy-Harvesting“ nutzen, bei dem die aus Umgebungsenergie gewandelte elektrische Energie zum energieautarken Betrieb von elektrischen Sensorschaltung oder dergleichen genutzt werden kann.
