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Die Erfindung betrifft eine Einheit und ein Verfahren zum Energieharvesting sowie ein mit einer derartigen Einheit versehenes Fahrzeugbauteil, insbesondere Luftfahrzeugbauteil.
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Als Energieharvesting bezeichnet man die Gewinnung kleiner Mengen von elektrischer Energie aus lokal vorhandenen Energiequellen, wie z. B. Umgebungstemperatur, Vibrationen oder Luftströmungen. Mit der entsprechenden elektrischen Energie kann man z. B. mobile Geräte oder lokal vorgesehene Geräte, wie z. B. Sensoren oder dergleichen, mit geringer Leistung betreiben. Energieharvesting vermeidet bei Drahtlostechniken Einschränkungen durch kabelgebundene Stromversorgung oder Batterien.
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Eine insbesondere bei Luftfahrzeuganwendungen interessante Möglichkeit des Energieharvestings beruht in der Umwandlung von lokal vorhandener Wärmeenergie in elektrische Energie. Hierzu werden beispielsweise thermoelektrische Generatoren (im Folgenden auch einfach TEG genannt) eingesetzt. Bekannte thermoelektrische Generatoren sind beispielsweise in der
DE 10 2008 031 266 A1 beschrieben. Umfassende Darstellungen finden sich beispielsweise in
Dominik Samson, Energy Harvesting in Aircraft with special focus of thermoelectrics, Dissertation, TU Vienna, 2011.
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Weitere Details von Energy-Harvesting-Einheiten mit thermoelektrischen Generatoren sind aus der
DE 10 2009 038 925 A1 sowie aus folgenden Literaturstellen bekannt:
- [1] T. Becker, M. Kluge, J. Schalk, K. Tiplady, C. Paget, U. Hilleringmann und T. Otterpohl, „Autonomous sensor nodes for aircraft structural health monitoring", Sensors Journal, IEEE, vol. 9, no. 11, pp. 1589-1595, 2009
- [2] G. J. Snyder and E. S. Toberer, „Complex thermoelectric materials", Nature materials, vol. 7, no. 2, pp. 105–114, 2008.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine hinsichtlich der möglichen Einsatzmöglichkeiten verbesserte Energy-Harvesting-Einheit sowie ein damit durchführbares verbessertes Energy-Harvesting-Verfahren zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Energy-Harvesting-Einheit gemäß Anspruch 1 bzw. eine Energy-Harvesting-Einheit gemäß dem nebengeordneten Verfahrensanspruch gelöst.
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Vorteilhafte Einsatzmöglichkeiten der Einheit sind Gegenstand der weiteren nebengeordneten Ansprüche.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt schafft die Erfindung eine Energy-Harvesting-Einheit zur lokalen Umwandlung von in der Umgebung der Energy-Harvesting-Einheit vorhandener Energie in elektrisch nutzbare Energie, umfassend einen thermoelektrischen Generator zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie und einen Konzentrator zum Konzentrieren von auf die Energy-Harvesting-Einheit auftreffender elektromagnetischer Strahlung auf den thermoelektrischen Generator.
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Es ist bevorzugt, dass der thermoelektrische Generator zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie unter Ausnutzung des Seebeck-Effekts und/oder des pyroelektrischen Effekts ausgebildet ist.
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Es ist bevorzugt, dass der Konzentrator zum Konzentrieren von Lichtstrahlung, IR-Strahlung, UV-Strahlung und/oder sichtbarem Licht ausgebildet ist.
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Es ist bevorzugt, dass der Konzentrator ausgewählt ist aus einer Gruppe, die eine einzelne Linse, eine Anordnung mehrerer Linsen, eine konvexe Linse oder Sammellinse, eine Anordnung von konvexen Linsen oder Sammellinsen und eine oder mehrere Fresnellinsen umfasst.
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Es ist bevorzugt, dass ein Gehäuse vorgesehen ist, in dem der Konzentrator und der thermoelektrische Generator aufgenommen sind.
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Es ist bevorzugt, dass das Gehäuse aus wärmeleitfähigem Material zum Bilden einer Wärmesenke ausgebildet ist oder dass das Gehäuse aus wärmeisolierendem Material ausgebildet ist, wobei zusätzlich eine Wärmesenke vorgesehen ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung einen Wärmepuffer aus Phasenwechselmaterial, welches zum Phasenwechsel von einem der physikalischen Zustände fest, flüssig und gasförmig in einen anderen dieser physikalischen Zustände im Betrieb der Energy-Harvesting-Einheit fähig ist.
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Es ist bevorzugt, dass die Wärmesenke das Phasenwechselmaterial aufweist.
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Es ist bevorzugt, dass zum Bilden einer heißen Seite des thermoelektrischen Generators eine Absorptionsschicht oder Absorptionsmasse zur Absorption der konzentrierten elektromagnetischen Strahlung und zur Umwandlung in Wärme vorgesehen ist.
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Es ist bevorzugt, dass in Richtung auf eine Strahleintrittsfläche, durch die die elektromagnetische Strahlung in die Energy-Harvesting-Einheit eintritt, gesehen der thermoelektrische Generator eine wesentlich geringere Fläche als der Konzentrator einnimmt, wobei in dem entsprechend durch den thermoelektrischen Generator nicht besetzten Raum neben dem thermoelektrischen Generator oder um den thermoelektrischen Generator herum wenigstens ein elektrisches oder elektronisches Bauteil oder wenigstens ein elektrischer Energiespeicher oder alle zum Betrieb der Energy-Harvesting-Einheit vorgesehenen elektrischen und elektronischen Komponenten und Energiespeicher untergebracht sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Fahrzeugbauteil oder Luftfahrzeugbauteil zum Bilden eines Teils eines Fahrzeugs oder Luftfahrzeugs, die wenigstens eine Energy-Harvesting-Einheit gemäß einer der zuvor erläuterten Ausgestaltungen umfasst.
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Es ist bevorzugt, dass die Energy-Harvesting-Einheit in die Struktur des Bauteils integriert ist.
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Das Bauteil ist bevorzugt ausgebildet als Rumpfbauteil eines Flugzeuges oder Hubschraubers, als Ersatzbauteil bereits bestehender Luftfahrzeuge, als Teil eines Rotors eines Hubschraubers, als Flügelbauteil eines Flugzeuges oder als Leitwerkbauteil zum Bilden eines Leitwerks eines Hubschraubers oder Flugzeugs.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Energy-Harvesting zum lokalen Umwandeln lokal vorhandener Energie in elektrisch nutzbare Energie, umfassend: Konzentrieren von elektromagnetischer Strahlung, Absorbieren der konzentrierten elektromagnetischen Strahlung zum Erzeugen von Wärme, Umwandeln der Wärme in elektrische Energie unter Ausnutzung des Seebeck-Effekts und/oder des pyroelektrischen Effekts.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische geschnittene Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Energy-Harvesting-Einheit;
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2 eine Darstellung vergleichbar der 1 eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Energy-Harvesting-Einheit;
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3 ein Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugbauteils, insbesondere Luftfahrzeugbauteils, mit einer Energy-Harvesting-Einheit gemäß einer der beiden Ausgestaltungen von 1 oder 2;
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4 ein weiteres Beispiel für ein mit der Energy-Harvesting-Einheit versehenes Luftfahrzeugbauteil.
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In den 1 und 2 sind zwei Ausführungsbeispiele einer Energy-Harvesting-Einheit 10 zum Durchführen eines Energy-Harvesting-Verfahrens dargestellt.
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Die Energy-Harvesting-Einheit 10 weist jeweils ein Gehäuse 12, einen thermoelektrischen Generator 16 und einen Konzentrator 14 zum Konzentrieren elektromagnetischer Strahlung 18 auf den thermoelektrischen Generator 16 auf.
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Im Bereich des thermoelektrischen Generators 16 wird die elektromagnetische Strahlung 18 absorbiert und in Wärme umgewandelt. Die Wärmeenergie kann durch den thermoelektrischen Generator 16 in elektrisch nutzbare Energie umgewandelt werden.
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Energy Harvesting ist ein generischer Begriff, der zum Beschreiben von Verfahren zum Umwandeln von elektrischer Energie aus Umgebungsenergiequellen verwendet wird.
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Eine dezentrale Erzeugung elektrischer Energie aus der Umgebung bietet einen Schlüssel zum Bilden von vollautonomen Sensorsystemen oder drahtlosen Systemen wie z. B. in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Energy Harvesting erlaubt flexible Systeminstallationen an unterschiedlichen Orten ohne großen Verkabelungsaufwand und verbessert die Systemmodularität, um lokale Systemfunktionalitäten zu ermöglichen.
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Weiter bietet Energy Harvesting eine wartungsfreie Lösung zum andauernden Betrieb der mit Energie zu versorgenden Einrichtung. Außerdem erlaubt Energy Harvesting ein schnelles Bereitstellen neuer Funktionalitäten zum nachträglichen Aufrüsten bestehender Luftfahrzeugprogramme bzw. Luftfahrzeugdesigns.
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Der Energieausstoß eines Energy-Harvesting-Moduls wird durch die Umgebungsbedingungen, die an dem Modul vorherrschen, bestimmt. In der oben unter [1] erläuterten Literaturstelle ist eine Studie über mögliche Umgebungsbedingungen erläutert. Demnach gehören zu den vielversprechendsten Kandidaten von Umgebungsquellen die vielen unterschiedlichen Wärmeströme in Luftfahrzeugstrukturen. Diese Wärmeströme können durch Nutzung thermoelektrischer Generatoren 16 (TEG) in elektrische Energie umgewandelt werden. Beispielsweise nutzen thermoelektrische Generatoren 16 den Seebeck-Effekt, um elektrische Leistung aus einer Temperaturdifferenz zu erzeugen. Eine andere Möglichkeit zur Energieerzeugung aus Wärme wäre der sogenannte pyroelektrische Effekt unter Nutzung von pyroelektrischen Kristallen (siehe beispielsweise http://de.wikipedia.org/wiki/pyroelektrizität, abgerufen am 4. Dezember 2014).
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Unter thermoelektrischem Energy Harvesting wird die Umwandlung von Umgebungswärmeströmung in elektrische Energie verstanden. Typischerweise wird eine TEG-Einrichtung – z. B. ein thermoelektrischer Generator 16 – zur Energieumwandlung durch den Seebeck-Effekt eingesetzt. Dabei hängt die erreichbare elektrische Leistung stark von der zur Verfügung stehenden Temperaturdifferenz ab, da diese die Wärmeströmungsleistung und somit auch die TEG-Umwandlungseffizienz bestimmt.
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Thermoelektrische Generatoren 16 sind Festkörpereinrichtungen ohne bewegliche Teile, was sie besonders zuverlässig macht. Sie können daher an jeder Stelle eingesetzt werden, wo eine Temperaturdifferenz vorhanden ist – siehe hierzu Literaturstelle [2].
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Bei Luftfahrzeugen können Temperaturdifferenzen an vielen unterschiedlichen Stellen, wie z. B. nahe von Turbinen oder anderen Triebwerken oder zwischen dem Innenraum und dem Äußeren während des Flugs aufgefunden werden. Mehr insbesondere können solche TEG-Einrichtungen – thermoelektrische Generatoren 16 – thermisch an den inneren Teil der Hülle des Luftfahrzeuges angeschlossen sein. Der Luftfahrzeugrumpf dient als eine „unendliche” thermische Energiequelle.
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Dabei können zwei Ansätze zum Nützen dieser Energie und zum Erzeugen eines Wärmeflusses betrachtet werden. Ein Ansatz bezieht sich auf das Erzeugen eines „quasi statischen” Zustandes, in dem nur passive Komponenten, wie z. B. Wärmeröhren und/oder Wärmesenken, zusätzlich zu den thermoelektrischen Generatoren 16 verwendet werden.
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Bei einem zweiten Ansatz wird ein „dynamischer” Zustand erzeugt, wo eine thermische Masse oder thermische Energiespeichereinheit verwendet wird, um temporär einen künstlichen Temperaturunterschied zwischen zwei Seiten des thermoelektrischen Generators zu erzeugen.
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Bei bisherigen bekannten Energy-Harvesting-Einheiten, die TEG-Einrichtungen nutzen, werden beim ersten Ansatz nur passive Komponenten, wie Wärmeleitungsrohre und/oder Wärmesenken, zusätzlich zu thermoelektrischen Generatoren eingesetzt. Die Wärmeleitungsrohre und Wärmesenken müssen dazu eingesetzt werden, Energie von einer Hochtemperaturquelle, wie dem Raum zwischen dem Rumpf und der Kabineneinfassung zu leiten und zu absorbieren und hin zu den thermoelektrischen Generatoren und durch die thermoelektrischen Generatoren hindurch zu dem Rumpf zu leiten.
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Bei anderen bekannten Energy-Harvesting-Einheiten, die den Ansatz des „dynamischen” Zustands verfolgen, wird die thermische Masse oder Wärmespeichereinheit dazu eingesetzt, temporär eine künstliche Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten des thermoelektrischen Generators unter Ausnutzung der signifikanten Temperaturfluktuation während Starten und Landen zu erzeugen. Wenn eine thermische Masse mit großer Wärmekapazität an der Oberfläche der TEG-Einrichtung verwendet wird, die nicht hin zu dem Rumpf gerichtet ist, wird die bis zum Erreichen des thermischen Gleichgewichts benötigte Zeit vergrößert, was die elektrische Energieproduktion vergrößert. Um die Wärmekapazität der thermischen Masse zu erhöhen, wird ein Phasenwechselmaterial (PCM) verwendet. Phasenwechselmaterialien – auch latente Wärmespeicherstoffe genannt – absorbieren als latente Wärme bezeichnete Energie oder geben diese frei, wenn sie einer Phasenveränderung unterworfen sind. Diese latente Wärme vergrößert die durch die Phasenwechselmaterialien zu speichernde Energie erheblich. Jedoch ist die Phasenänderungstemperatur für jedes Phasenwechselmaterial anders und spezifisch und beeinflusst somit dessen Betriebstemperaturbereich, was ein entscheidender Faktor in der Flexibilität der Energieumwandlungseinheit darstellen kann.
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Die vorgenannten beiden Ansätze werden auch in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen von Energy-Harvesting-Einheiten 10 verfolgt.
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Bei dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel von Energy-Harvesting-Einheiten 10 lässt sich zusätzlich oder alternativ zu dem durch Temperaturunterschiede an einem Fahrzeug, wie beispielsweise einem Luftfahrzeug, verursachten Wärmeströmungen noch eine weitere Energiequelle, nämlich elektromagnetische Strahlung, nutzen. Insbesondere wird hierzu Lichtstrahlung, mehr insbesondere Infrarotstrahlung oder sichtbare Lichtstrahlung oder sogar UV-Strahlung, eingesetzt.
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Der Konzentrator 14 ist derart ausgebildet, dass die elektromagnetische Strahlung 18, die an einer Eintrittsfläche 20 in das Gehäuse 12 eintritt, auf den thermoelektrischen Generator 16 konzentriert wird.
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Vorzugsweise wird mit den Energy-Harvesting-Einheiten 10 ein Verfahren zum thermoelektrischen Energy Harvesting unter Verwendung einer Lichtquelle 22 – sichtbares Licht, IR-Strahlung und/oder UV-Strahlung, vorgeschlagen.
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Der Konzentrator 14 ist in den 1 und 2 nur schematisch dargestellt.
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Der Konzentrator 14 weist eine oder mehrere Linsen 24 auf, die dazu fähig sind, Licht 26 auf eine kleine Fläche 28 zu konzentrieren, um die heiße Seite 30 des thermoelektrischen Generators 16 zu erzeugen.
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Die Fläche 28 kann z. B. mit einer Absorptionsschicht (nicht dargestellt) versehen sein, die einen auf das nutzbare Licht 26 abgestimmten Absorptionskoeffizienten aufweist. Beispielsweise könnte hier die Fläche 28 schwarz angestrichen sein, um sichtbares Licht 26 besonders gut zu absorbieren. Die andere Seite des thermoelektrischen Generators 16 ist bei dem Ausführungsbeispiel der Energy-Harvesting-Einheit 10 gemäß 1 an dem Gehäuse 12 angeordnet und kontaktiert dieses Gehäuse 12.
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Bei der Ausführungsform von 1 ist das Gehäuse 12 aus gut wärmeleitfähigem Material, wie insbesondere Metall, ausgebildet. Beispielsweise ist ein metallisches Gehäuse 12 vorgesehen, das so als Wärmesenke 32 dienen kann.
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Bei dem Ausführungsbeispiel von 2 wird der dynamische Ansatz verfolgt. Hier kann das Gehäuse 12 auch aus wärmeisolierendem Material, wie beispielsweise Kunststoff, gebildet sein. Die der heißen Seite 30 entgegengesetzte Seite des thermoelektrischen Generators 16 – kalte Seite 34 – ist in Kontakt mit einem Wärmespeicher 36. Vorzugsweise ist der Wärmespeicher 36 als latenter Wärmespeicher ausgebildet und weist insbesondere ein Phasenwechselmaterial 38 auf, das beispielsweise in einem Hohlraum des Wärmespeichers 36 untergebracht sein kann. Hier können aus dem Stand der Technik bekannte Phasenwechselmaterialien 38 bzw. bekannte Wärmespeicher 36 eingesetzt werden.
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Im Folgenden werden mögliche Typen von Linsen 24 näher erläutert.
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Die Dicke der Linsen 24 hängt insbesondere von der Art der Linsen ab. Ein vernünftiger Ansatz ist die Verwendung von Sammellinsen in Form von konvexen Linsen 40. Der Vokalpunkt einer derartigen konvexen Linse kann durch die folgende Linsengleichung berechnet werden:
- (1) 1 / f = (n – 1)( 1 / R1 – 1 / R2 + (n-1)d / nR1R2).
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Hierbei ist f die vokale Länge, n ist der Brechungsindex, R1 und R2 sind die Radien der Krümmungen der Linsenoberflächen, die am nähesten bzw. am weitesten zu der Lichtquelle liegen.
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Für eine plan-konvexe Linse, wie sie im Beispiel der 1 und 2 verwendet ist, kann der Vokalpunkt gemäß folgender Gleichung 2 berechnet werden:
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Ein weiterer Ansatz ist z. B. die Verwendung von Fresnellinsen. Eine Fresnellinse hat die gleiche Wirkung wie eine konvexe Linse, jedoch ein unterschiedliches Design, in dem man die konvexe Linse in einen Satz konzentrischer ringförmiger Abschnitte aufteilt und so die Dicke und das Gewicht reduzieren kann. Vergleichen zu einer äquivalenten konvexen Linse wird mit jedem Abschnitt der Fresnellinse die Gesamtdicke verringert. Aufgrund dessen wird die kontinuierliche Oberfläche einer konvexen Linse in einem Satz von Oberflächen der gleichen Krümmung mit schrittweisen Diskontinuitäten dazwischen überführt. Der Einsatz von Fresnellinsen bei den Energy-Harvesting-Einheiten 10 ist besonders bevorzugt.
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Jede weitere Art von Linsen 24 mit der Charakteristik eines Konzentrierens von Licht oder sonstiger in Wärme umwandelbare elektromagnetische Strahlung auf eine kleine Fläche könnte zum Kumulieren des Lichts 22 verwendet werden, um es auf den thermoelektrischen Generator 16 zu fokussieren oder zu konzentrieren.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung wird der thermoelektrische Generator 16 versetzt zu dem Fokalpunkt angeordnet, um damit zu erreichen, dass die gesamte Oberfläche 28 der heißen Seite 30 eine im Wesentlichen homogene Temperaturverteilung hat.
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Im Folgenden werden mögliche Materialien für das Gehäuse 12 erörtert.
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Das Material des Gehäuses 12 wird abhängig von dem Energy-Harvesting-Ansatz ausgewählt. Der statische Energy Harvester (1) benötigt eine Wärmesenke 32, um die Wärme zu effizient wie möglich abzuleiten. Hier können natürlich auch andere Wärmesenken, wie z. B. ein Wärmeleitmedium führende Leitungen oder dergleichen, eingesetzt werden. Vorzugsweise wird die Wärme über das Gehäuse 12 abgeleitet. Dies ermöglicht einen besonders einfachen und kompakten Aufbau. Demnach ist bei der Ausgestaltung von 1 eine Wärmeableitung weg von der unteren Seite 34 des thermoelektrischen Generators 16 über das Gehäuse 12 bewerkstelligt.
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Um die Wärmeableitung des Gehäuses zu erhöhen und zu optimieren, könnte das Gehäuse 12 thermisch an die Umgebung des Luftfahrzeuges, wie z. B. einem Rumpf oder Flügel oder sonstige Struktur des entsprechenden Luftfahrzeugbauteils 42 (siehe hierzu 3 und 4) thermisch verbunden sein.
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Für den in 2 als Beispiel dargestellten dynamischen Energy-Harvesting-Ansatz ist ein Gehäuse 12 bevorzugt, das Wärmeverluste hin zu der Umgebung minimiert.
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Aus den vorgenannten Gründen wird ein Metallgehäuse 44 für die statische Energy-Harvesting-Einheit 10 von 1 und ein Kunststoffgehäuse 46 für die dynamische Energy-Harvesting-Einheit 10 von 2 vorgeschlagen. Das Kunststoffgehäuse 46 hat eine entsprechend geringe Wärmeleitfähigkeit und Eigenschaften einer thermischen Isolierung.
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Im Folgenden werden mögliche Elektronik-Komponenten der Energy-Harvesting-Einheit 10 näher erläutert.
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Um den Spannungsausgang und den Stromausgang einzustellen, ist die Energy-Harvesting-Einheit 10 mit einem Elektronikbauteil 48, wie z. B. einer Strom- und Spannungssteuerung, versehen. Damit können die ausgegebene Spannung und der ausgegebene Strom auf für den Rest der Elektronik und die Systembauteile der mit elektrischer Energie zu versorgenden Anwendung passende Werte eingestellt werden.
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Wie aus den 1 und 2 ersichtlich, nimmt der thermoelektrische Generator 16, wenn von oben gesehen, eine weitaus geringere Fläche als die Eintrittsfläche 20 ein. Demnach nimmt der thermoelektrische Generator 16 in wenigstens einer quer zu der Eintrittsfläche 20 verlaufenden Richtung einen geringeren Raum 50 ein als der Konzentrator 14. Zum modularen Einsetzen der Energy-Harvesting-Einheiten 10 sind möglichst einfache Gehäuse 12, d. h. mit möglichst einheitlichen Außenflächen, wie z. B. quaderförmiger oder zylinderförmiger Außengestaltung, bevorzugt. Der entsprechende frei gelassene Raum 50 kann zur Aufnahme von Elektronikbauteilen 48 und/oder auch für einen elektrischen Energiespeicher 52, wie z. B. eine Speicherbatterie oder Superkondensator (SuperCap), ausgenutzt werden.
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Zum Beispiel könnte der Raum 50, welcher durch die konvexe Linse 40 erzeugt wird, für Elektronikbauteile 48 und möglicherweise auch für ein Medium zum Speichern elektrischer Energie – Energiespeicher 52 –, d. h. z. B. eine wiederaufladbaren Batterie und/oder ein hochleistungsfähiger Kondensator, verwendet werden.
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Durch die vorgeschlagenen Energy-Harvesting-Einheiten 10 lässt sich in der Umgebung vorhandene elektromagnetische Strahlung 18, wie insbesondere Licht 26, zur Erzeugung von Wärme und durch entsprechende Umwandlung zur Erzeugung elektrischer Energie ausnutzen. Es lassen sich zur Umwandlung der elektromagnetischen Strahlung 18 insbesondere als Festkörperbauteile ohne bewegliche Komponenten ausgeführte thermoelektrische Generatoren 16 nutzen, die entsprechend auch in rauen Umgebungsbedingungen zuverlässig arbeiten. Die thermoelektrischen Generatoren 16 können einerseits die durch Umwandlung elektromagnetischer Strahlung 18 in Wärme erzeugte Wärmeenergie nutzen, aber auch in konventioneller Weise weitere Wärmeströmungen nutzen.
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Die 3 und 4 zeigen mögliche Anwendungsbeispiele an Luftfahrzeugbauteilen 42.
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Bei dem Ausführungsbeispiel von 1 ist die Energy-Harvesting-Einheit 10 an der Außenseite eines Luftfahrzeugrumpfbauteils 54 eingesetzt. Hier kann sie sowohl die durch bisherige Energy-Harvesting-Einheiten genutzten auftretenden Wärmeströmungen zum Umwandeln nutzen, jedoch auch zusätzlich eintretendes Licht zur elektrischen Energieerzeugung nutzen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel von 4 ist die Energy-Harvesting-Einheit 10 an einem Hubschrauberrotorblatt 56 eingesetzt. Sie kann beispielsweise dazu dienen, eine an den Blattspitzen vorgesehene Beleuchtung mit elektrischer Energie zu versorgen. Insbesondere wird durch die Energy-Harvesting-Einheit 10 ein strukturintegriertes bzw. in die Struktur von Luftfahrzeugbauteilen 42 integrierbares Energieversorgungssystem geschaffen.
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Die Energy-Harvesting-Einheiten 10 können in zukünftigen neu zu entwerfenden und herzustellenden Luftfahrzeugbaureihen, wie z. B. neuen Helikopterprogrammen und/oder neuen Flugzeugprogrammen, eingesetzt werden. Sie können aber auch zum Aufrüsten bereits existierendder Luftfahrzeugtypen eingesetzt werden, indem Energy-Harvesting-Einheiten 10 beim Ersetzen von entsprechenden Luftfahrzeugbauteilen 42 eingebaut werden.
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Beispielsweise lassen sich existierende Helikopterprogramme (z. B. die Programme EC135, EC145, ... der Airbus Helicopter) und Flugzeugprogramme (z. B. die Flugzeugmodelle A350, A380, A320, ... der Airbus) nachträglich mit entsprechenden Energy-Harvesting-Einheiten 10 ausrüsten.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Energy-Harvesting-Einheit
- 12
- Gehäuse
- 14
- Konzentrator
- 16
- thermoelektrischer Generator
- 18
- elektromagnetischer Strahlung
- 20
- Eintrittsfläche
- 22
- Lichtquelle
- 24
- Linse
- 26
- Licht
- 28
- Fläche
- 30
- heiße Seite
- 32
- Wärmesenke
- 34
- kalte Seite
- 36
- Wärmespeicher
- 38
- Phasenwechselmaterial
- 40
- konvexe Linse
- 42
- Luftfahrzeugbauteil
- 44
- Metallgehäuse
- 46
- Kunststoffgehäuse
- 48
- Elektronikbauteil
- 50
- Raum
- 52
- elektrischer Energiespeicher
- 54
- Rumpfbauteil
- 56
- Hubschrauber-Rotorblatt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006013237 A1 [0003]
- WO 2007/076561 A1 [0003]
- WO 2007/070022 A2 [0003]
- WO 2006/109037 A1 [0003]
- DE 102009021556 B4 [0003]
- DE 102008031266 A1 [0004]
- DE 102009038925 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Dominik Samson, Energy Harvesting in Aircraft with special focus of thermoelectrics, Dissertation, TU Vienna, 2011 [0004]
- T. Becker, M. Kluge, J. Schalk, K. Tiplady, C. Paget, U. Hilleringmann und T. Otterpohl, „Autonomous sensor nodes for aircraft structural health monitoring”, Sensors Journal, IEEE, vol. 9, no. 11, pp. 1589-1595, 2009 [0005]
- G. J. Snyder and E. S. Toberer, „Complex thermoelectric materials”, Nature materials, vol. 7, no. 2, pp. 105–114, 2008 [0005]
- http://de.wikipedia.org/wiki/pyroelektrizität, abgerufen am 4. Dezember 2014 [0035]
