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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Energiegewinnungsvorrichtung, insbesondere auf dem Gebiet erneuerbarer Energien zum Gewinnen von elektrischer Energie basierend auf einem Fluidstrom, und ein Energiegewinnungssystem mit einer Mehrzahl solcher Energiegewinnungsvorrichtungen. Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Fluidstroms sowie ein Wasserfahrzeug, welches eine solche Vorrichtung als Antriebssystem nutzt.
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Technischer Hintergrund
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Auf dem Gebiet der Energiegewinnung aus sogenannten regenerativen Energiequellen werden typischerweise Wasserkraft, Windkraft oder die Sonne genutzt, um durch eine Energietransformation in einem oder mehreren Schritten elektrische Energie zu erzeugen und bereitzustellen.
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Die vorliegende Beschreibung widmet sich hauptsächlich der Beschreibung der Nutzung einer Fluidbewegung zum Erzeugen von elektrischer Energie. Typischerweise wird in sogenannten Windkraftanlagen oder Wasserkraftanlagen eine Fluidströmung genutzt, um einen Rotor in Rotation zu versetzen, wobei diese Rotation anschließend genutzt wird, um ein Mittel zum Transformieren von kinetischer Energie in elektrische Energie (beispielsweise einen Generator) anzutreiben, um hierdurch elektrische Energie zu erhalten.
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Insbesondere bei Windkraftanlagen kann es vorkommen, dass die benötigten Rotoren einen großen Durchmesser bzw. eine Rotorblattlänge von mehreren zehn Meter erfordern, um genügend Kraft aufzubringen, damit elektrische Energie in einem sinnvollen wirtschaftlichen Verhältnis und Ausmaß hergestellt wird. Beim Herstellen und Aufstellen einer Windkraftanlage entstehen teils erhebliche Kosten, welche sich durch den Ertrag von Energie amortisieren müssen. Ähnliche Überlegungen können auch für Wasserkraftanlagen angestellt werden.
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Als Nachteil dieser herkömmlichen Anlagen, welche eine Fluidströmung in eine Rotationsbewegung umwandeln, welche wiederum in elektrische Energie umgewandelt wird, kann deren Größe sowie der daraus resultierende Herstellungsaufwand für die benötigten strukturellen Elemente (Rotor, Übertragungswelle, Generator) betrachtet werden. Ebenso kann aus der schieren Größe typischer Wasser- und Windkraftanlagen auch ein hoher Wartungsaufwand resultieren. Weiterhin kann es unerwünscht sein, dass große Windkraftanlagen (beispielsweise mit einer Gesamthöhe von bis zu über 100 Meter) in gewissen Gebieten aufgebaut werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ausgehend hiervon kann es als Aufgabe der Erfindung betrachtet werden, eine Energiegewinnungsvorrichtung anzugeben, welche sich durch die Verwendung kleinerer Komponenten auszeichnet und geringerer Wartungsaufwendungen bedarf.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
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Die Erfindung beruht allgemein auf folgenden Erkenntnissen und grundlegenden Überlegungen:
Vorliegend wird ein flexibles klingenartiges oder klingenförmige Element genutzt, welches, wenn es einem Fluidstrom wie beispielsweise einer vorbeiströmenden Flüssigkeit wie Wasser oder einem Gas wie beispielsweise Luft ausgesetzt ist, in eine Bewegung, insbesondere eine schwingende Bewegung, versetzt wird. Das flexible klingenartige Element wird an einem Punkt, beispielsweise einseitig, d. h. mit einem Ende, oder an einem Punkt zwischen den beiden Enden des klingenförmigen Elements an einer Tragstruktur befestigt so dass sich das andere Ende frei in dem Fluid bewegen kann. Bei einer hierbei resultierenden schwingenden Bewegung des befestigten flexiblen klingenartigen Elements gibt es im Wesentlichen keine aneinander reibenden Oberflächen relativ zueinander bewegter Komponenten, wie dies bei typischen Windkraftrotoren der Fall ist, die eine Rotationbewegung nutzen. Die Schwingbewegung des klingenartigen Elements kann genutzt werden, um eine daraus resultierende Kraft in elektrische Energie umzuwandeln.
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Ein piezoelektrisches Element kann genutzt werden, die bei der Schwingbewegung des klingenartigen Elements ausgeübte Kraft zu nutzen, um eine elektrische Spannung zu generieren bzw. abzugeben. Das piezoelektrische Element erzeugt eine elektrische Spannung wenn es elektrisch verformt wird. Hierbei kann grundsätzlich jedes bekannte und für diesen Zweck geeignete piezoelektrische Element genutzt werden. Diese Anordnung mag insbesondere eine hohe elektrische Spannung liefern.
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Alternativ oder zusätzlich kann das klingenförmige Element ferromagnetisches Material aufweisen oder zumindest teilweise aus einem solchen gefertigt sein. Das klingenförmige Element kann von einem magnetischen Fluss durchströmt werden, so dass bei der Schwingbewegung des klingenförmigen Elements ein elektrischer Strom in einem elektrischen Leiter, wie z. B. in einem Induktor bzw. einer Spule, induziert wird. Als Quelle des magnetischen Flusses kann beispielsweise ein Permanentmagnet genutzt werden. Insbesondere kann der elektrische Leiter mit Bezug zu dem klingenförmigen Element dort angeordnet sein, wo die stärksten Auswirkungen des magnetischen Flusses bzw. dessen Veränderung bei der Schwingbewegung vorliegen. Diese Anordnung mag insbesondere einen hohen elektrischen Strom liefern.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Energiegewinnungsvorrichtung angegeben, welche eine Tragstruktur, einen frei schwingfähigen Arm mit einem ersten Abschnitt und Mittel zum Generieren von elektrischer Energie aufweist. Der erste Abschnitt ist mit der Tragstruktur gekoppelt und der frei schwingfähige Arm erstreckt sich in einer Richtung weg von einer ersten Oberfläche der Tragstruktur. Der frei schwingfähige Arm ist ausgeführt, eine Bewegung, insbesondere eine Schwingung, auszuführen, wenn er einem Fluidstrom ausgesetzt ist, wobei der frei schwingfähige Arm und die Mittel zum Generieren von elektrischer Energie so angeordnet sind, dass die Bewegung (d. h. die Schwingbewegung) des frei schwingfähigen Arms bewirkt, dass die Mittel zum Generieren von elektrischer Energie einen Spannung und/oder einen Strom ausgeben.
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Bei dem frei schwingfähigen Arm handelt es sich um das flexible klingenartige Element wie oben beschrieben. Der frei schwingfähige Arm ist so mit dem Mittel zum Generieren von elektrischer Energie gekoppelt, dass eine aus der Bewegung des frei schwingfähigen Arms resultierende Kraft auf das Mittel zum Generieren von elektrischer Energie übertragen wird, beispielsweise durch ein Kraftübertragungsmittel zum Übertragen von Druckkraft und/oder Zugkraft.
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Die Tragstruktur ist ein Element, an dem ein Ende des frei schwingfähigen Arms mechanisch befestigt ist. Auch kann das Mittel zum Generieren von elektrischer Energie mit der Tragstruktur mechanisch gekoppelt sein, so dass das Mittel zum Generieren von elektrischer Energie ortsfest gehalten wird. Die Tragstruktur wiederum kann beispielsweise an einer Gebäudewand befestigt werden. Beispielsweise kann eine Außenwand oder ein Dach eines Gebäudes mit einer Mehrzahl von Energiegewinnungsvorrichtungen wie hierin beschrieben bestückt werden. Die Energiegewinnungsvorrichtung kann auch beispielsweise auf der Außenwand bestehender Windkraftanlagen angebracht werden, um die Menge der gewonnenen elektrischen Energie zu erhöhen. Ist eine Windkraftanlage im Meer positioniert, so ist diese am Meeresboden verankert und Energiegewinnungsvorrichtungen wie hierin beschrieben können sowohl über als auch unter dem Wasserspiegel an der Windkraftanlage befestigt sein. Auch kann eine Tragstruktur in Form eines flächigen Elements mit einer Mehrzahl von Energiegewinnungsvorrichtungen versehen sein und in einem Fluss oder in windigen Regionen platziert werden. Weiterhin kann die Innenfläche eines Fluidrohres (Wasserrohres) mit Energiegewinnungsvorrichtungen wie hierin beschrieben bestückt sein, wobei in diesem Beispiel die Länge des frei schwingfähigen Arms und der Rohrdurchmesser aufeinander abgestimmt werden müssen, um den effektiv nutzbaren Rohrquerschnitt (der für das Fließen des Fluids übrig bleibenden Querschnitt) nicht ungebührlich zu verkleinern.
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Die Frequenz der Schwingungsbewegung des frei schwingfähigen Arms kann konstruktiv beeinflusst werden indem die Länge, Breite, Stärke (Materialdicke), die Materialauswahl und die Form des Arms verändert werden. Der frei schwingfähige Arm kann insbesondere eine Länge von wenigen Zentimetern haben, z. B. bis zu 12 cm. Somit müssen keine großen Bauwerke für die Gewinnung von elektrischer Energie errichtet werden. Die Energiegewinnungsvorrichtung wie hierin beschrieben ist grundsätzlich an jedem Ort verwendbar, an welchem ein Fluidstrom vorliegt und genutzt werden kann. Die Energiegewinnungsvorrichtung ist mit einfachen Mitteln und zu geringen Kosten herstellbar. Weil keine Rotationsbewegung großer Elemente genutzt wird, ist die Energiegewinnungsvorrichtung im Wesentlichen wartungsfrei.
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Die Energiegewinnungsvorrichtung kann auch genutzt werden, um elektrische Energie für einen Strömungsmesser bereit zu stellen, da beide Vorrichtungen in dem Fluidstrom angeordnet werden können. Damit fällt der Bedarf für eine externe Energieversorgung eines Strömungsmessers weg.
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Durch Reichenschaltung einer ersten Gruppe von Energiegewinnungsvorrichtungen und/oder Parallelschaltung einer zweiten Gruppe von Energiegewinnungsvorrichtungen kann ein Gleichgewicht zwischen der erzeugten elektrischen Spannung und dem erzeugten elektrischen Strom erzielt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der frei schwingfähige Arm senkrecht mit Bezug zu der ersten Oberfläche der Tragstruktur und/oder der frei schwingfähige Arm verjüngt sich in Richtung der ersten Oberfläche. Auch kann der frei schwingfähige Arm geneigt sein mit Bezug zu der ersten Oberfläche der Tragstruktur, und zwar in Richtung der erwarteten Fluidströmung. Diese Neigung kann die Art und Weise der Schwingung des schwingfähigen Arms und das Ausmaß der Energiegewinnung durch die Schwingung verbessern.
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In anderen Worten ist die Oberfläche des frei schwingfähigen Arms mit zunehmendem Abstand von der Tragstruktur größer. Dies kann bewirken, dass eine Schwingungsbewegung mehr Energie aus dem Fluidstrom aufnimmt, so dass die von dem frei schwingfähigen Arm ausgeübte Kraft größer ist.
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Indem der frei schwingfähige Arm sich senkrecht zu der Oberfläche der Tragstruktur erstreckt, wird der frei schwingfähige Arm von einem Fluidstrom in Schwingung versetzt, wenn der Fluidstrom an der Oberfläche der Tragstruktur entlang strömt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der erste Abschnitt des frei schwingfähigen Arms ein Hohlkörper und die Mittel zum Generieren von elektrischer Energie zumindest teilweise in dem Hohlkörper angeordnet sind und/oder die Mittel zum Generieren von elektrischer Energie sind an einem Ende des ersten Abschnittes angrenzend an die erste Oberfläche der Tragstruktur so angeordnet, dass eine Kraft des frei schwingfähigen Arms durch den Hebeleffekt maximiert wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der frei schwingfähige Arm einen zweiten Abschnitt auf, welcher so angeordnet ist, dass der erste Abschnitt zwischen der ersten Oberfläche der Tragstruktur und dem zweiten Abschnitt angeordnet ist, wobei der zweite Abschnitt ein laminares Element ist, wobei der zweite Abschnitt ausgeführt ist, sich in einem Fluidstrom zu erstrecken so dass eine Strömungsrichtung des Fluids im Wesentlichen parallel zu einer laminaren Oberfläche (insbesondere parallel zu einer Erstreckungsrichtung der laminaren Oberfläche bzw. entlang der laminaren Oberfläche) des zweiten Abschnitts ist und eine kleinere angrenzende Oberfläche des zweiten Abschnittes in Richtung des Fluidstroms ragt und wobei der frei schwingfähige Arm bevorzugt so angeordnet ist, dass eine Erstreckungsrichtung mit Bezug zu der ersten Oberfläche senkrecht zu dem Fluidstrom ist.
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Also ist die Strömungsrichtung des Fluids parallel zu der Oberfläche der Tragstruktur und die Längsrichtung des frei schwingfähigen Arms ragt senkrecht von der Tragstruktur ab, so dass der frei schwingfähige Arm auch quer zu der Strömungsrichtung steht. Gerade durch diese Anordnung des frei schwingfähigen Arms wird dieser durch den Fluidstrom in eine Schwingbewegung versetzt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Mittel zum Generieren von elektrischer Energie ein erstes piezoelektrisches Element auf, wobei der frei schwingfähige Arm ausgeführt ist, eine Kraft wie beispielsweise eine Druckkraft oder eine Zugkraft auf die Mittel zum Generieren von elektrischer Energie zu übertragen wenn er sich bewegt, so dass das piezoelektrische Element eine Spannung und/oder einen Strom ausgibt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Mittel zum Generieren von elektrischer Energie ein zweites piezoelektrisches Element auf, wobei das erste piezoelektrische Element so angeordnet ist, dass eine Kraft hierauf übertragen wird wenn der frei schwingfähige Arm sich in eine erste Richtung bewegt, wobei das zweite piezoelektrische Element so angeordnet ist, dass eine Kraft hierauf übertragen wird wenn der frei schwingfähige Arm sich in eine zweite Richtung bewegt, wobei die zweite Richtung sich von der ersten Richtung unterscheidet, beispielsweise dieser entgegengesetzt ist.
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In anderen Worten übt der frei schwingfähige Arm also jeweils eine Kraft auf ein piezoelektrisches Element aus, wenn er die Schwingungs- oder Pendelbewegung ausführt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Energiegewinnungsvorrichtung ein Kraftübertragungselement auf, welches so angeordnet ist, dass eine Bewegung des frei schwingfähigen Arms eine Kraft auf das erste piezoelektrische Element ausübt.
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Das Kraftübertragungselement ist mechanisch so mit dem frei schwingfähigen Arm gekoppelt, dass die aus der Bewegung resultierende Kraft auf das piezoelektrische Element ausgeübt werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der frei schwingfähige Arm durch die Tragstruktur und aus einer zweiten Oberfläche der Tragstruktur heraus, welche zweite Oberfläche der ersten Oberfläche der Tragstruktur entgegengesetzt angeordnet ist, wobei die Mittel zum Generieren von elektrischer Energie ein drittes piezoelektrisches Element aufweisen, welches angrenzend an die zweite Oberfläche angeordnet ist, wobei der frei schwingfähige Arm angeordnet ist, eine Kraft wie beispielsweise eine Druckkraft oder eine Zugkraft auf das dritte piezoelektrische Element zu übertragen.
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Der frei schwingfähige Arm erstreckt sich also durch eine Ausnehmung oder Öffnung der Tragstruktur und bewegt sich während seiner Schwingbewegung ähnlich einem Hebel, dessen Aufhängungspunkt die Öffnung der Tragstruktur ist. Somit kann auf beiden Seiten des Hebels eine Kraft auf ein piezoelektrisches Element ausgeübt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der erste Abschnitt des frei schwingfähigen Arms ein ferromagnetisches Material auf, wobei die Mittel zum Generieren von elektrischer Energie eine Quelle eines magnetischen Feldes und zumindest eine Spule aufweisen, wobei die Spule bevorzugt ausgeführt ist, einen elektrischen Strom zu induzieren wenn diese einer Relativbewegung mit Bezug zu den Feldlinien des magnetischen Feldes der Quelle des magnetischen Feldes ausgesetzt ist, beispielsweise wenn die Richtung der Feldlinien mit Bezug zu der Spule verändert wird, wobei der frei schwingfähige Arm ausgeführt ist, die Richtung der Feldlinien des magnetischen Feldes als Ergebnis der Bewegung des frei schwingfähigen Arms zu verändern, wenn eine Kraft auf den frei schwingfähigen Arm aufgebracht wird, so dass die Veränderung der Feldlinien des magnetischen Feldes einen Strom in der Spule induziert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Quelle des magnetischen Feldes mit einem Flusskonzentrator gekoppelt, welcher beispielsweise U-förmig ausgeführt ist, wobei die Spule um einen Pol des Flusskonzentrators gewickelt ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Quelle des magnetischen Feldes ein Permanentmagnet, welcher mittig an einem im Wesentlichen U-förmigen Flusskonzentrator angeordnet ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Flusskonzentrator zwei Pole auf und eine Verbindungslinie zwischen den zwei Polen ist in einem Winkel zwischen 30° und 60°, bevorzugt 45°, geneigt mit Bezug zu dem ersten Abschnitt des frei schwingfähigen Arms, insbesondere zu dessen Längserstreckung senkrecht zu der Oberfläche der Tragstruktur.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Energiegewinnungssystem angegeben, welches eine Mehrzahl von Energiegewinnungsvorrichtungen wie hierin beschrieben aufweist, wobei eine erste Gruppe der Mehrzahl von Energiegewinnungsvorrichtungen in Reihe verschaltet ist; und/oder eine zweite Gruppe der Mehrzahl von Energiegewinnungsvorrichtungen parallel verschaltet ist, wobei das Energiegewinnungssystem an einer Oberfläche eines Objektes angeordnet ist, welches einem Fluidstrom, beispielsweise in der Luft oder im Wasser, ausgesetzt ist.
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Die oben mit Bezug zu der Energiegewinnungsvorrichtung beschriebenen Eigenschaften können sinngemäß gleich in Umkehrung ihrer Funktion genutzt werden, um unter Zuführung von elektrischer Energie einen Fluidstrom zu generieren. Dieser Modifikation liegt die Idee zu Grunde, gemäß der es möglich ist, einen üblichen Elektromotor auch als Generator zu nutzen. Dabei kann eine gepulste elektrische Spannung und/oder Strom genutzt werden, um die frei schwingfähigen Arme in einen Schwingungsbewegung zu versetzen indem die elektrische Spannung beispielsweise einem piezoelektrischen Element zugeführt wird, woraus eine Bewegung resultiert die den frei schwingfähigen Arm in Schwingung versetzt.
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Demgemäß ist in einem weiteren Aspekt der Erfindung eine Vorrichtung zum Generieren eines Fluidstroms angegeben, wobei die Vorrichtung eine Tragstruktur, eine Mehrzahl von frei schwingfähigen Armen jeweils mit einem ersten Abschnitt und Mittel zum Umwandeln von elektrischer Energie in kinetische Energie, beispielsweise ein piezoelektrisches Element, aufweist. Der erste Abschnitt ist mit der Tragstruktur gekoppelt und der frei schwingfähige Arm erstreckt sich in einer Richtung weg von einer ersten Oberfläche der Tragstruktur, wobei der frei schwingfähige Arm und die Mittel zum Umwandeln von elektrischer Energie in kinetische Energie mechanisch so gekoppelt sind, dass eine Bewegung der Mittel zum Umwandeln von elektrischer Energie in kinetische Energie auf den frei schwingfähigen Arm übertragen wird und eine Bewegung, beispielsweise eine Schwingung, des frei schwingfähigen Arms bewirkt wird so dass die Bewegung des frei schwingfähigen Arms einen Fluidstrom bewirkt, beispielsweise einen Luftstrom oder einen Wasserstrom.
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Mit einer solchen Vorrichtung kann beispielsweise ein Fluidstrom in einer Leitung hervorgerufen werden, um beispielsweise Wasser entlang der Leitung voranzutreiben. Auch kann ein Fluidstrom in einem Gefäß erzeugt werden, wenn verhindert werden soll, dass eine Flüssigkeit in dem Gefäß über einen längeren Zeitraum unbewegt sein soll.
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Dieser Mechanismus kann auch genutzt werden, um eine Bewegung eines Objektes in einem Fluid zu bewirken. In anderen Worten kann die Vorrichtung zum Generieren eines Fluidstroms als Antrieb beispielsweise für ein Wasserfahrzeug genutzt werden.
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Demgemäß ist in einem weiteren Aspekt der Erfindung ein Wasserfahrzeug angegeben, welches eine Vorrichtung zum Generieren eines Fluidstroms wie oben beschrieben aufweist, wobei die Vorrichtung zum Generieren eines Fluidstroms an einer äußeren Oberfläche des Wasserfahrzeugs angeordnet ist, so dass die Vorrichtung zum Generieren eines Fluidstroms angeordnet ist, eine Relativbewegung zwischen dem Wasserfahrzeug und einem umgebenden Fluid zu erzeugen und die Vorrichtung zum Generieren eines Fluidstroms als Antriebssystem für das Wasserfahrzeug ausgeführt ist, wobei während eines Betriebs des Wasserfahrzeugs die Vorrichtung zum Generieren eines Fluidstroms bevorzugt unter einer Wasseroberfläche eines das Wasserfahrzeug umgebenden Wassers angeordnet ist.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Im Folgenden werden bezugnehmend auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. In dem angehängten Figurensatz zeigt
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1 eine schematische Darstellung einer Energiegewinnungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel aus einer Frontalansicht und einer Seitenansicht;
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2 eine Draufsicht der Energiegewinnungsvorrichtung aus 1;
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3 eine schematische Darstellung des Bewegungsablaufs eines frei schwingfähigen Arms in einem Fluidstrom;
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4 einen weitere schematische Darstellung des Bewegungsablaufs eines frei schwingfähigen Arms in einem Fluidstrom;
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5 eine schematische Schnittdarstellung einer Energiegewinnungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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6 eine schematische Darstellung einer Energiegewinnungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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7 eine schematische Darstellung der von einer Energiegewinnungsvorrichtung ausgegebenen elektrischen Spannung in Abhängigkeit von der Bewegungsfrequenz;
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8 eine schematische Schnittdarstellung der Frontalansicht einer Energiegewinnungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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9 eine Draufsicht auf die in 8 gezeigt Energiegewinnungsvorrichtung;
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10 eine schematische Darstellung der elektrischen Verschaltung einer Energiegewinnungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Werden in den Figuren gleiche Bezugszeichen verwendet, so beziehen sich diese auf gleiche oder ähnliche Elemente. Der Begriff der Frontalansicht wird ausgehend von der Strömungsrichtung mit Bezug zu dem frei schwingfähigen Arm verwendet.
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1 zeigt eine Energiegewinnungsvorrichtung 100 mit einer Tragstruktur 120 und einem frei schwingfähigen Arm 110. Der frei schwingfähige Arm 110 ist einseitig an der Tragstruktur 120 befestigt und der verbleibende Teil des frei schwingfähigen Arms erstreckt sich senkrecht zu der Oberfläche 122 der Tragstruktur 120.
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Der frei schwingfähige Arm kann eine Beschichtung aufweisen, welche diesen vor dem Ansetzen von Bewuchs oder Verschmutzung an der Luft oder im Wasser schützt. Beispielsweise kann der frei schwingfähige Arm mit Kupfer beschichtet sein. Der frei schwingfähige Arm kann einen länglichen Stab und ein flächiges Element aufweisen, welches mit dem Stab verbunden ist. Das flächige Element zeichnet sich typischerweise durch eine geringere Materialstärke aus als der Stab und ist so angeordnet, dass die größte Erstreckung des flächigen Elements sich parallel zu der Strömungsrichtung erstreckt. In der linken Darstellung der 1 (Frontalansicht) erstreckt sich das flächige Element, welches auf dem Stab angeordnet ist, in die Zeichenebene hinein bzw. aus dieser heraus. Die zugehörige Seitenansicht (rechte Darstellung in 1) zeigt deutlich, dass das flächige Element sich entlang der Strömungsrichtung 102 des Fluidstroms erstreckt.
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2 zeigt eine Draufsicht auf die Energiegewinnungsvorrichtung aus 1. Der Stab und das flächige Element ähneln einem Ruder, wobei das von der Tragstruktur entfernte Ende des frei schwingfähigen Arms breiter ist als das an der Tragstruktur befestigte Ende. Auch in dieser Darstellung ist zu erkennen, dass der frei schwingfähige Arm so angeordnet ist, dass die Strömungsrichtung 102 des Fluidstroms in Richtung der flächigen Erstreckung des frei schwingfähigen Endes des Arms 110 verläuft.
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Wie den 1 und 2 entnommen werden kann, ist die Ausdehnung des flächigen Elementes in einer Richtung entlang der Strömungsrichtung (in der Draufsicht der 2 die Ausdehnung des flächigen Elementes von unten nach oben) wesentlich größer als die Materialstärke bzw. Ausdehnung des flächigen Elementes quer zu der Strömungsrichtung (in der Ansicht der 1 die Dicke des flächigen Elementes von unten nach oben) und auch größer als die Ausdehnung des Stabes des frei schwingfähigen Arms in Richtung der Strömungsrichtung.
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Der Stab kann so ausgeführt sein, dass er im Wesentlichen eine Bewegung nur in Aufwärts- und Abwärtsrichtung (bezogen auf die Frontalansicht in 1) zulässt und in Richtung der Strömungsrichtung keine oder nur eine geringe Bewegung zulässt. Durch den Fluidstrom, welcher unter realen Bedingungen nicht ideal parallel zu dem flächigen Element verläuft, und durch die Anordnung des flächigen Elements des frei schwingfähigen Arms in dem strömenden Fluid wird daher im Wesentlichen eine Aufwärts- und Abwärtsbewegung des frei schwingfähigen Arms verursacht, welche als Schwingungsbewegung bezeichnet werden kann. Diese Bewegung wird bezugnehmend auf 3 detaillierter beschrieben.
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3 zeigt zunächst die Strömungsrichtung 102 eines Fluids, in welchem der frei schwingfähige Arm 110 sich bewegt. Der frei schwingfähige Arm vollführt dabei im Wesentlichen eine Bewegung in Form der Ziffer 8. Durch den Fluidstrom und die dadurch auf den frei schwingfähigen Arm ausgeübte Kraft biegt und/oder dreht sich der frei schwingfähige Arm geringfügig, so dass die Strömung den frei schwingfähigen Arm auf Grund des nun gedrehten flächigen Elements mit Bezug zu der Strömungsrichtung des Fluids zunächst entweder nach unten oder nach oben bewegt und damit die Schwingungsbewegung einleitet. Nähert sich der frei schwingfähige Arm seinem maximalen Ausschlag in einer Richtung (oberes Ende bzw. unteres Ende) vollführt das flächige Element eine Drehung in die andere Richtung und wird von dem Fluidstrom nunmehr in die entgegensetzte Richtung bewegt. In anderen Worten verändert das flächige Element an dem frei schwingfähigen Arm seine Neigung mit Bezug auf den Fluidstrom. Es sei darauf hingewiesen, dass die Drehung des flächigen Elements nicht aktiv erfolgt, sondern durch den Fluidstrom verursacht wird (passive Bewegung) und mitunter der Tatsache geschuldet ist, dass der frei schwingfähige Arm flexibel (elastisch verformbar) ist und einseitig an der Tragstruktur mechanisch befestigt ist.
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4 zeigt den Bewegungsablauf 118 des frei schwingfähigen Arms, wobei drei Bewegungsrichtungen bzw. -komponenten voneinander isoliert dargestellt sind. Der frei schwingfähige Arm vollführt eine Querbewegung 118B in bzw. gegen die Strömungsrichtung, eine Aufwärts- und Abwärtsbewegung 118A senkrecht zur Strömungsrichtung und eine Rotationsbewegung 118C. Jede dieser von der Strömung verursachten Bewegungen kann genutzt werden, um elektrische Energie zu erzeugen, wenn die entsprechende Kraft auf die Mittel zum Generieren von elektrischer Energie appliziert wird. Entsprechend können für jeden frei beweglichen Arm für jede Bewegungsrichtung Mittel zum Generieren von frei beweglicher Energie verwendet werden. Die Materialeigenschaften wie Steifheit und Länge des frei schwingfähigen Arms können in Abhängigkeit der Dichte (und Viskosität) und der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids gewählt werden.
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5 zeigt eine Schnittdarstellung eines frei schwingfähigen Arms einer Energiegewinnungsvorrichtung 100. In der Schnittdarstellung sind die obere Wand 111A und die untere Wand 111B des als Hohlkörper geformten frei schwingfähigen Arms gezeigt, wobei in dem Hohlkörper zwei piezoelektrische Elemente 132A, 132B an einem Montageelement 126 angeordnet sind, wobei das Montageelement zwischen den Wänden 111A, 111B des frei schwingfähigen Arms angeordnet ist. Die piezoelektrischen Elemente sind so angeordnet, dass jeweils ein Kraftübertragungselement 116, welches mit der oberen bzw. unteren Wand mechanisch gekoppelt ist, bei einer Bewegung des frei schwingfähigen Arms eine Kraft auf die piezoelektrischen Elemente ausgeübt wird. In Abhängigkeit der Bewegungsrichtung des frei schwingfähigen Arms 110 übt entweder die obere Wand 111A eine Druckkraft auf das obere piezoelektrische Element 132A oder die untere Wand 111B eine Druckkraft auf das untere piezoelektrische Element 132B aus. Die piezoelektrischen Elementen 132A, 132B sind jeweils mit elektrisch leitenden Anschlusselementen 133 verbunden, über welche die erzeugte elektrische Leistung abgegriffen wird. Die Kraftübertragungselemente 116 können jeweils dort angeordnet sein, wo bei der Schwindungsbewegung des Arms 110 die höchsten Biegekräfte auftreten.
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Die Anordnung der 5 kann so verschaltet sein, dass eine Wechselspannung erzeugt wird. Es sei darauf hingewiesen, dass die in 5 ersichtlichen Unterbrechungen des frei schwingfähigen Arms lediglich Darstellungsmittel dafür sind, dass der frei schwingfähige Arm von unterschiedlicher Länge sein kann und dass dieser sich auch im Verhältnis zu den übrigen in 5 dargestellten Komponenten in seiner Ausdehnung verändern kann. Ausdrücklich wird darauf hingewiesen, dass der frei schwingfähige Arm trotz der unterbrochenen Darstellung eine durchgängige Komponente (d. h. ohne Unterbrechungen) ist, wie es auch der Darstellung in 1, 2 und 6 zu entnehmen ist. Das Gleiche gilt sinngemäß für die Darstellungen in den 8 und 9.
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6 zeigt eine Energiegewinnungsvorrichtung 100 bei der der Arm 110 durch die Tragstruktur hindurch verläuft und an einem Punkt zwischen seinen beiden Enden mit der Tragstruktur 120 gekoppelt ist. Der Arm 110 bewegt sich bei einer Schwingung in dem Fluid auf der einen Seite der Tragstruktur ähnlich einer Wippe, so dass auch auf der anderen Seite der Tragstruktur eine Kraft von dem Arm auf das piezoelektrische Element ausgeübt wird. Der Pfeil 117 zeigt die Bewegung des Arms 110 auf der dem Fluid gegenüberliegenden Seite der Tragstruktur an. In dieser Ausführungsform kann der Arm 110 aus einem im Wesentlichen nicht biegbaren Material gefertigt sein, so dass eine hebelartige Bewegung samt Kraftübertragung erfolgt.
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7 zeigt den grundsätzlichen Verlauf der Ausgangsleistung 204 eines piezoelektrischen Elements in Abhängigkeit der Schwingungsfrequenz 202 des Arms 110. Es kann erkannt werden, dass die Ausgangsleistung 204 bei der Resonanzfrequenz 208 am höchsten ist und dass es einen Schwingungsfrequenzbereich 206 nahezu gleichbleibender Ausgangsleistung gibt. Je nach dem genutzten Fluid und in Abhängigkeit der konstruktiven Merkmale des frei schwingfähigen Arms kann es schwierig sein, die Resonanzfrequenz zu erreichen. Grundsätzlich soll aber im Zusammenhang mit piezoelektrischen Elementen eine möglichst hohe Schwingungsfrequenz angestrebt werden von einigen Hz (ungefähr 1 Hz) bis mehrere zehn Hz im Wasser und bis zu einigen Hundert oder gar Tausend Hz in der Luft.
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8 und 9 zeigen eine Erweiterung der oben beschriebenen Energiegewinnungsvorrichtung 100. In dem Hohlkörper des frei schwingfähigen Arms kann ein Mittel zum Generieren von elektrischer Energie basierend auf magnetischen Prinzipien angeordnet sein. 8 zeigt eine Seitenansicht der entsprechenden Energiegewinnungsvorrichtung. Ein U-förmiger Flusskonzentrator, in dessen Quersteg ein Permanentmagnet 134 angeordnet ist, ist zwischen der oberen und der unteren Wand des Arms angeordnet, wobei an den Polenden des Flusskonzentrators jeweils eine Spule 135 angeordnet ist. Der frei schwingfähige Arm ist aus ferromagnetischem Material gefertigt oder weist zumindest solches auf, so dass der magnetische Fluss bei einer Bewegung des frei schwingfähigen Arms relativ zu dem Flusskonzentrator verändert wird. Durch diese Veränderung wird ein Stromfluss in die beiden Spulen 135 induziert. In anderen Worten wird die Veränderung der magnetischen Eigenschaften in dem Hohlkörper des Arms 110, welche durch die Schwingungsbewegung verursacht wird, genutzt, um eine Induktion eines Stroms zu bewirken, indem der magnetische Fluss in dem Flusskonzentrator beeinflusst wird. Der in die Spulen induzierte Strom kann über elektrische leitfähige Anschlusselemente abgegriffen werden.
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Es sei darauf hingewiesen, dass 8 eine Seitenansicht zeigt, wohingegen 9 eine Draufsicht auf das gleiche Ausführungsbeispiel zeigt. Die Schwingungsbewegung des Arms 110 verläuft also in 8 im Wesentlichen nach oben und unten (8 zeigt in der Schnittdarstellung die obere und untere Wand), wohingegen die Schwingungsbewegung in 9 im Wesentlichen aus der Zeichenebene heraus bzw. in diese hinein verläuft (9 zeigt in der Schnittdarstellung die beiden Seitenwände des Hohlkörpers).
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10 zeigt eine Möglichkeit des Spannungsabgriffs von piezoelektrischen Elementen einer Energiegewinnungsvorrichtung wie hierin beschrieben. Die von den piezoelektrischen Elementen erzeugte Spannung kann bis zu mehreren zehn Volt betragen. Daher kann ein Diodengleichrichter genutzt werden, um aus einer abgegriffenen Wechselspannung eine Gleichspannung zu erzeugen und bereitzustellen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Energiegewinnungsvorrichtung
- 102
- Strömungsrichtung des Fluids
- 110
- frei schwingfähiger Arm
- 111A
- obere Wand
- 111B
- untere Wand
- 112
- erster Abschnitt
- 114
- zweiter Abschnitt
- 116
- Kraftübertragungselement
- 117
- Kraftausübungsrichtung
- 118
- Bewegungspfad des frei schwingfähigen Arms
- 120
- feste Tragstruktur
- 122
- erste Oberfläche
- 124
- zweite Oberfläche
- 126
- Montageelement
- 130
- Mittel zum Generieren von elektrischer Energie (Spannung und/oder Strom), alternativ Mittel zum Umwandeln von elektrischer Energie in kinetische Energie
- 132
- piezoelektrisches Element
- 133
- Anschlusselement, elektrisch leitend
- 134
- Quelle eines magnetisches Feldes, beispielsweise Permanentmagnet
- 135
- Spule
- 200
- Verlauf Energie über Frequenz
- 202
- Bewegungsfrequenz
- 204
- Ausgangsleistung
- 206
- bevorzugter Bereich
- 208
- Resonanzfrequenz
