DE102018102899B4

DE102018102899B4 - Device for generating electrical energy

Info

Publication number: DE102018102899B4
Application number: DE102018102899.7A
Authority: DE
Inventors: Pawel Piotroski
Original assignee: Lufthansa Technik AG
Current assignee: Lufthansa Technik AG
Priority date: 2018-02-09
Filing date: 2018-02-09
Publication date: 2022-05-05
Anticipated expiration: 2038-02-10
Also published as: DE102018102899A1

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie umfassend einen starren Gasraum (10) mit einer Ein- und Auslassöffnung (16) und ein Generatorelement (20) zur Umwandlung einer Fluidströmung durch die Ein- und Auslassöffnung (16) in elektrische Energie, wobei an der Ein- und Auslassöffnung (16) eine Zahnradturbine (17) vorgesehen ist, die mit einem Generatorelement (20) zur Umwandlung von Rotationsbewegung in elektrische Energie verbunden ist, wobei es sich bei der Fluidströmung um Umgebungsluft handelt.Device for generating electrical energy comprising a rigid gas space (10) with an inlet and outlet opening (16) and a generator element (20) for converting a fluid flow through the inlet and outlet opening (16) into electrical energy, wherein at the inlet and an outlet port (16) for a gear turbine (17) connected to a generator element (20) for converting rotational motion into electrical energy, the fluid flow being ambient air.

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Erzeugung von elektrischer Energie.The invention relates to devices for generating electrical energy.

In der Kabine von modernen Verkehrsflugzeugen wird eine Vielzahl unterschiedlichster Sensoren eingesetzt, um über die Kabine verteilt die Umgebungsbedingungen oder aber den momentanen Zustand einzelner Komponenten der Kabinenausstattung, wie bspw. eines Passagiersitzes, zu erfassen.A large number of very different sensors are used in the cabin of modern commercial aircraft in order to detect the ambient conditions distributed throughout the cabin or the current state of individual components of the cabin equipment, such as a passenger seat.

Es ist bekannt, diese Sensoren mit dem bordeigenen Energieversorgungsnetz des Flugzeuges zu verbinden. Die dafür erforderliche Verkabelung ist jedoch aufwendig und häufig derart tief in die Flugzeugkabine integriert, dass insbesondere eine mit einer Umgestaltung der Flugzeugkabine einhergehende Veränderung der Verkabelung für Sensoren regelmäßig äußerst kostenintensiv ist.It is known to connect these sensors to the aircraft's on-board power supply network. However, the wiring required for this is complex and often integrated so deeply into the aircraft cabin that, in particular, a change in the wiring for sensors that accompanies a redesign of the aircraft cabin is regularly extremely cost-intensive.

Um auf entsprechende Verkabelung von Sensoren verzichten zu können, ist weiterhin bekannt, sog. „Energy Harvesting“ („Energie-Ernten“) zu betreiben. Dazu wird mit Hilfe von Nanogeneratoren in unmittelbarer Nähe zu Sensoren und aktiven RFID-Tags elektrische Energie aus Quellen wie Licht, sonstigen elektromagnetischen Wellen, Umgebungstemperatur, Vibrationen oder Luftströmungen erzeugt, die ausreicht, um den Sensor bzw. den RFID-Tag zu betreiben. Die vom Sensor erfassten Messgrößen oder auf dem Chip des RFID-Tags gespeicherten Informationen werden drahtlos übertragen, sodass für entsprechende energieautarke Sensoren oder aktive RFID-Tags auf eine Verkabelung vollständig verzichtet werden kann.In order to be able to dispense with the corresponding cabling of sensors, it is also known to operate so-called “energy harvesting”. With the help of nanogenerators in the immediate vicinity of sensors and active RFID tags, electrical energy is generated from sources such as light, other electromagnetic waves, ambient temperature, vibrations or air currents, which is sufficient to operate the sensor or RFID tag. The measured variables recorded by the sensor or information stored on the chip of the RFID tag are transmitted wirelessly, so that cabling can be completely dispensed with for corresponding energy self-sufficient sensors or active RFID tags.

Um einen Sensor bzw. einen aktiven RFID-Tag zuverlässig über einen der bekannten Nanogeneratoren betreiben zu können, ist es erforderlich, dass die von dem Nanogenerator zur Erzeugung elektrischer Energie genutzte Quelle unter normalen Umständen in einem ausreichenden Maß zur Verfügung steht. Im Falle eines Flugzeugs muss der Nanogenerator also die beim typischen Betrieb des Flugzeugs ausreichend elektrische Energie erzeugen können.In order to be able to reliably operate a sensor or an active RFID tag via one of the known nanogenerators, it is necessary for the source used by the nanogenerator to generate electrical energy to be available to a sufficient extent under normal circumstances. In the case of an aircraft, the nanogenerator must therefore be able to generate sufficient electrical energy during typical aircraft operation.

Auch wenn sich für einzelne Sensoren und RFID-Tags in einer Flugzeugkabine die aus dem Stand der Technik bekannten Nanogeneratoren verwenden lassen, bspw. weil der Nanogenerator an einem Ort mit regelmäßigem Lichteinfall angeordnet ist, hat sich gezeigt, dass die Eignung bekannter Nanogeneratoren stark vom Einbauort abhängig ist, sodass vor der Verwendung eines Nanogenerators zur Energieversorgung eines Sensors oder eines aktiven RFID-Chips sichergestellt werden muss, dass die vom Nanogenerator verwendete Quelle an dem vorgesehenen Einbauort ausreichend zur Verfügung steht. Dies erfordert regelmäßig eine aufwendige Prüfung.Even if the nanogenerators known from the prior art can be used for individual sensors and RFID tags in an aircraft cabin, e.g. because the nanogenerator is arranged in a place with regular incidence of light, it has been shown that the suitability of known nanogenerators depends greatly on the installation location is dependent, so that before using a nanogenerator to supply energy to a sensor or an active RFID chip, it must be ensured that the source used by the nanogenerator is sufficiently available at the intended installation location. This regularly requires a complex test.

Es hat sich außerdem gezeigt, dass einzelne Sensoren in einer Flugzeugkabine - bspw. in Passagiersitze verbaute Sensoren - über keinen der bekannten Nanogeneratoren ausreichend sicher mit Energie versorgt werden können, sodass für die entsprechenden Sensoren weiterhin eine Verkabelung erforderlich ist.It has also been shown that individual sensors in an aircraft cabin - for example sensors installed in passenger seats - cannot be supplied with sufficient energy via any of the known nanogenerators, so that cabling is still required for the corresponding sensors.

Es sind aus dem Stand der Technik weiterhin alternative Energieversorgungseinheiten für elektronische Kleinkomponenten an Bord von Flugzeugen bekannt, welche die während eines Fluges auftretenden Druckdifferenzen an Bord von Flugzeugen ausnutzen.Also known from the prior art are alternative power supply units for small electronic components on board aircraft, which utilize the pressure differences that occur on board aircraft during a flight.

So ist in DE 10 2011 113 488 B4 eine Energieversorgungseinheit speziell für Flugzeuge, bei der ein mit einem Medium gefüllter Hohlraum wenigstens teilweise von einer piezoelektrischen Membran abgeschlossen ist, sodass sich aufgrund von Temperatur- und/oder Druckschwankungen in der Umgebung eine Verformung der Membran ergibt, die in Form von elektrischer Energie genutzt werden kann.So is in DE 10 2011 113 488 B4 a power supply unit specifically for aircraft, in which a cavity filled with a medium is at least partially closed off by a piezoelectric membrane, so that temperature and/or pressure fluctuations in the environment result in a deformation of the membrane, which is used in the form of electrical energy can.

Gemäß DE 10 2010 005 437 A1 kann die durch eine Druckschwankung bewirkte translatorische Bewegung eines Kolbens oder die Verformung einer Membran zur Energiegewinnung, insbesondere für aktive RFID-Tags, genutzt werden.According to DE 10 2010 005 437 A1 the translatory movement of a piston caused by a pressure fluctuation or the deformation of a membrane can be used to generate energy, in particular for active RFID tags.

In Dokument DE 10 2009 038 932 B3 ist eine Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie aus Druckschwankungen beschrieben, bei der Druckschwankungen zur Verformung einer Kondensatoreinrichtung führen, auf deren Kapazitätsänderung sich elektrische Energie gewinnen lässt.In document DE 10 2009 038 932 B3 describes a device for generating electrical energy from pressure fluctuations, in which pressure fluctuations lead to the deformation of a capacitor device, from the change in capacitance of which electrical energy can be obtained.

In Dokument US 2013/0073003 A1 sind verschiedene Vorrichtungen beschrieben, bei denen elektrische Energie durch Zusammendrücken eines komprimierbaren Elementes erzeugt wird. Die Energiegewinnung kann dabei u.a. auch durch ein aufgrund einer Kompression aus einem Element ausgestoßenen Flüssigkeit in Rotation versetztes Schaufelelement erfolgen.In document U.S. 2013/0073003 A1 describes various devices in which electrical energy is generated by squeezing a compressible element. The generation of energy can also take place, inter alia, by means of a liquid ejected from an element due to compression, which is set in rotation.

Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass grundsätzlich ein in seinem Volumen veränderlicher Fluidraum erforderlich ist, was durch elastische Membranen oder fluiddicht abgedichtete Kolben erreicht werden kann. Entsprechende Membrane und Dichtungen unterliegen aber eine Alterungsprozess, der die Lebensdauer entsprechender Vorrichtungen begrenzen kann oder aber zumindest eine regelmäßige Überprüfung erfordert. A disadvantage of this prior art is that a fluid chamber with a variable volume is required, which can be achieved by elastic membranes or pistons sealed in a fluid-tight manner. Corresponding membranes and seals are subject to an aging process, which can limit the service life of corresponding devices or at least require regular checking.

Aufgabe der Erfindung ist es, Vorrichtungen zur Erzeugung von elektrischer Energie zu schaffen, bei der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile insbesondere bei Verwendung an Bord eines Flugzeuges nicht mehr oder nur noch in vermindertem Maße auftreten.The object of the invention is to provide devices for generating electrical energy in which the disadvantages known from the prior art no longer occur or only occur to a reduced extent, particularly when used on board an aircraft.

Gelöst wird diese Aufgabe durch Vorrichtungen gemäß dem unabhängigen Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by devices according to independent claim 1. Advantageous developments are the subject matter of the dependent claims.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie umfassend einen starren Gasraum mit einer Ein- und Auslassöffnung und ein Generatorelement zur Umwandlung einer Fluidströmung durch die Ein- und Auslassöffnung in elektrische Energie, wobei an der Ein- und Auslassöffnung eine Zahnradturbine vorgesehen ist, die mit einem Generatorelement zur Umwandlung von Rotationsbewegung in elektrische Energie verbunden ist, wobei es sich bei der Fluidströmung um Umgebungsluft handelt.Furthermore, the invention relates to a device for generating electrical energy, comprising a rigid gas space with an inlet and outlet opening and a generator element for converting a fluid flow through the inlet and outlet opening into electrical energy, a gear turbine being provided at the inlet and outlet opening, connected to a generator element for converting rotational motion into electrical energy, the fluid flow being ambient air.

Zunächst werden einige in Zusammenhang mit der Erfindung verwendete Begriffe erläutert:

Ein Gasraum gilt als „abgeschlossen“, wenn selbst bei Druckunterschieden kein Gasaustausch mit der Umgebung erfolgt. Ein Gasraum ist „starr“, wenn das Volumen auch bei Druckunterschieden mit der Umgebung im Wesentlichen unverändert bleibt. Analog gilt für eine „starre“ Wandung, dass sich die Wandung bei unterschiedlichen Drücken zu beiden Seiten der Wandung nicht verformt.

First, some terms used in connection with the invention are explained:

A gas space is considered to be “closed” if there is no gas exchange with the environment even if there are differences in pressure. A gas space is "rigid" if the volume remains essentially unchanged even with pressure differences with the environment. Similarly, for a “rigid” wall, the wall will not deform if there are different pressures on either side of the wall.

Mit „Druckschwankung“ bezeichnet eine Veränderung des Luftdrucks in der Umgebung. Entsprechende Druckschwankungen treten bei Verkehrsflugzeugen bspw. regelmäßig während des Starts und der Landung auf. Zwar gelten auch grundsätzlich auch die bekannten tages- oder jahreszeitlichen Veränderungen des Luftdrucks bereits als Druckschwankungen im Sinne der Erfindung, aus Gründen der besseren Übersicht und Verständlichkeit wird nachfolgend aber insbesondere auf die Druckschwankungen an Bord eines Flugzeugs eingegangen."Pressure fluctuation" means a change in the air pressure in the surrounding area. Corresponding pressure fluctuations regularly occur in commercial aircraft, for example during take-off and landing. Although the known daily or seasonal changes in air pressure are also considered to be pressure fluctuations within the meaning of the invention, the pressure fluctuations on board an aircraft will be discussed in particular below for reasons of better clarity and comprehensibility.

Die Erfindung hat erkannt, dass die an Bord eines Flugzeugs während des Betriebs - insbesondere bei Start und Landung - regelmäßig auftretenden Druckschwankungen zwischen dem am Boden herrschenden Druck und dem bspw. in der Kabine während des Fluges herrschenden geringeren Druck (der üblicherweise dem Luftdruck in Höhe von 2.500 m entspricht und somit um ca. 27,5% geringer ist als der Luftdruck bei Normalnull) als Quelle zur Erzeugung elektrischer Energie für Sensoren oder aktive RFID-Tags genutzt werden kann. Gegenüber den durch bekannte Nanogeneratoren nutzbare Quellen bieten der Druck bzw. die Druckschwankungen als Quelle zur Erzeugung elektrischer Energie den Vorteil, dass sie innerhalb der Flugzeugkabine überall in gleichem Maße verfügbar ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist im Vergleich zu bekannten Nanogeneratoren in Bezug auf den Einbauort in der Flugzeugkabine deutlich flexibler. Außerdem ist die aus den Druckveränderungen erzeugte elektrische Energie gut plan- und berechenbar.The invention has recognized that the pressure fluctuations that regularly occur on board an aircraft during operation - especially during takeoff and landing - between the pressure prevailing on the ground and the lower pressure prevailing, for example, in the cabin during flight (which usually corresponds to the air pressure at altitude of 2,500 m and is therefore approx. 27.5% lower than the air pressure at sea level) can be used as a source for generating electrical energy for sensors or active RFID tags. Compared to the sources that can be used by known nanogenerators, the pressure or the pressure fluctuations as a source for generating electrical energy offer the advantage that it is available to the same extent everywhere within the aircraft cabin. Compared to known nanogenerators, the device according to the invention is significantly more flexible with regard to the installation location in the aircraft cabin. In addition, the electrical energy generated from the pressure changes can be easily planned and calculated.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die bei einem Flugzeug regelmäßig auftretenden Druckschwankungen zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden kann. Dabei wird alternativ eine daraus resultierende Volumenänderung eines abgeschlossenen Gasraums oder eine daraus resultierende Luftströmung ausgenutzt.The invention is based on the finding that the pressure fluctuations that regularly occur in an aircraft can be used to generate electrical energy. Alternatively, a resulting change in volume of a closed gas space or an air flow resulting therefrom is used.

Wenn auch nicht erfindungsgemäß, jedoch für das Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich kann ein abgeschlossener Gasraum vorgesehen sein, dessen Volumen sich in Abhängigkeit des Umgebungsdrucks verändern kann. Diese Volumenänderung wird dann als mechanische Energie für die Umwandlung in elektrische Energie durch das Generatorelement genutzt.Although not according to the invention but helpful for understanding the present invention, a closed gas space can be provided, the volume of which can change as a function of the ambient pressure. This change in volume is then used as mechanical energy for conversion into electrical energy by the generator element.

Der Gasraum kann z.B. durch einen starren Zylinder mit darin verschiebbaren Kolben gebildet sein. Die Volumenänderung des Gasraums erfolgt dann durch Verschieben des Kolbens. Zur letztendlichen Erzeugung elektrischer Energie ist das Generatorelement zur Umwandlung der Verschiebebewegung des Kolbens - also mechanischer Energie - in elektrische Energie ausgebildet. Das Generatorelement kann hierbei bspw. zur Ausnutzung elektrodynamischer oder triboelektrischer Effekte ausgebildet sein.The gas space can be formed, for example, by a rigid cylinder with pistons that can be displaced within it. The change in volume of the gas chamber then takes place by moving the piston. For the ultimate generation of electrical energy, the generator element is designed to convert the displacement movement of the piston—that is, mechanical energy—into electrical energy. In this case, the generator element can be designed, for example, to utilize electrodynamic or triboelectric effects.

Bei der Verschiebebewegung des Kolbens handelt es sich regelmäßig um eine translatorische Bewegung. Wenn das Generatorelement zur Umwandlung von Rotationsbewegung in elektrische Energie ausgebildet ist, kann ein Getriebe zur Umwandlung der translatorischen Verschiebebewegung des Kolbens in eine Rotationsbewegung vorgesehen sein.The displacement movement of the piston is regularly a translatory movement. If the generator element is designed to convert rotational movement into electrical energy, a gear can be provided for converting the translational displacement movement of the piston into a rotational movement.

Weiterhin kann eine Bewegung des Kolbens durch ein steuerbares Bremselement wahlweise unterdrückt werden. Durch das Bremselement kann also selbst bei einer bestehenden Druckdifferenz zwischen Gasraum und Umgebung eine Bewegung des Kolbens wahlweise verhindert werden. So ist es möglich, den Zeitpunkt der Erzeugung elektrischer Energie von dem Zeitpunkt des Auftretens der eigentlichen Druckschwankung zu trennen. Durch Lösen der Bremse ist es - bei andauernder Druckdifferenz - möglich, die elektrische Energie bspw. zu einem Zeitpunkt zu erzeugen, zu dem andere Energiereserven aufgebraucht oder ein erhöhter Energieverbrauch zu erwarten ist, bspw. für das Senden von Daten. Die Vorrichtung wirkt dabei als Druckspeicher.Furthermore, a movement of the piston can be selectively suppressed by a controllable braking element. A movement of the piston can thus be selectively prevented by the braking element even if there is a pressure difference between the gas space and the environment. It is thus possible to separate the point in time at which electrical energy is generated from the point in time at which the actual pressure fluctuation occurs. By releasing the brake it is - with persistent Druckdif Reference - possible to generate the electrical energy, for example, at a time when other energy reserves have been used up or increased energy consumption is to be expected, for example for sending data. The device acts as a pressure accumulator.

Anstelle eines verschiebbaren Kolbens kann der Gasraum durch eine wenigstens teilweise flexible, insbesondere elastisch verformbare Wandung gebildet sein, sodass eine Volumenänderung bei einer Druckschwankung in einer Verformung des flexiblen Teils der Wandung resultiert. Das Generatorelement ist zur Umwandlung dieser Verformung in elektrische Energie ausgebildet. Dazu kann das Generatorelement ein Piezoelement und/oder ein elektroaktives Polymer umfassen, die derart angeordnet sind, dass bei Verformung der Wandung des Gasraums eine mechanische Kraft auf das Generatorelement ausgeübt wird, die in elektrische Energie gewandelt werden kann. Es ist dabei auch möglich, dass der flexible Teil der Wandung selbst durch ein Piezoelement oder ein elektroaktive Polymer gebildet sind.Instead of a displaceable piston, the gas space can be formed by an at least partially flexible, in particular elastically deformable wall, so that a change in volume in the event of a pressure fluctuation results in a deformation of the flexible part of the wall. The generator element is designed to convert this deformation into electrical energy. For this purpose, the generator element can comprise a piezo element and/or an electroactive polymer, which are arranged in such a way that when the wall of the gas space is deformed, a mechanical force is exerted on the generator element, which can be converted into electrical energy. It is also possible that the flexible part of the wall itself is formed by a piezoelectric element or an electroactive polymer.

Die Wandung des Gasraums abseits des Piezoelements und/oder dem elektroaktiven Polymer kann starr sein. Dadurch wird sichergestellt, dass sämtliche, durch eine Druckschwankung entstehende Verformung des Gasraums auch tatsächlich durch das Piezoelement und/oder das elektroaktive Polymer in elektrische Energie gewandelt werden kann.The wall of the gas space away from the piezo element and/or the electroactive polymer can be rigid. This ensures that all deformation of the gas space caused by a pressure fluctuation can actually be converted into electrical energy by the piezo element and/or the electroactive polymer.

In einer ebenfalls auf dem Prinzip der Volumenänderung eines abgeschlossenen Gasraums beruhenden Ausführungsvariante sind zwei durch einen flexiblen Isolator als Dielektrikum voneinander getrennte Elektroden vorgesehen, wobei der Isolator nach Art eines Schaumstoffs Gaseinschlüsse aufweist. Eine Änderung des Umgebungsdrucks führt zu einer Volumenveränderung der Gaseinschlüsse und somit des Isolators, wodurch die relative Position der beiden Elektroden zueinander verändert wird. Sind die Elektroden mit einer Vorspannung beaufschlagt oder liegt eine Kondensatorvorspannung aufgrund eines Elektretelementes, bspw. einer Elektretfolie, vor, ergibt sich aus der Volumenveränderung des Isolators eine Veränderung der Spannung zwischen den beiden Elektroden, die wiederum in elektrische Energie gewandelt werden kann.In an embodiment variant which is also based on the principle of the volume change of a closed gas space, two electrodes are provided which are separated from one another by a flexible insulator as a dielectric, the insulator having gas inclusions in the manner of a foam material. A change in the ambient pressure leads to a change in the volume of the gas inclusions and thus of the insulator, which changes the relative position of the two electrodes to one another. If a bias voltage is applied to the electrodes or if there is a capacitor bias due to an electret element, e.g. an electret foil, the change in volume of the insulator results in a change in the voltage between the two electrodes, which in turn can be converted into electrical energy.

Die tatsächlich erfindungsgemäße Ausführung beruht auf der Ausnutzung einer Fluidströmung in einen und aus einem starren Gasraum mit einer Ein- und Auslassöffnung. Bei einer Druckschwankung strömt Fluid bzw. Luft in oder aus dem Gasraum, bis sich im Gasraum der in der Umgebung herrschende Druck eingestellt hat. Diese Fluidströmung durch die Ein- und Auslassöffnung kann mithilfe eines dort angeordneten Generatorelementes in elektrische Energie gewandelt werden.The embodiment actually according to the invention is based on the utilization of a fluid flow into and out of a rigid gas space with an inlet and outlet opening. In the event of a pressure fluctuation, fluid or air flows into or out of the gas space until the pressure prevailing in the environment has been established in the gas space. This fluid flow through the inlet and outlet opening can be converted into electrical energy using a generator element arranged there.

Das Generatorelement umfasst dabei eine an der Ein- und Auslassöffnung angeordnete Zahnradturbine, die mit einem Generator zur Umwandlung von Rotationsbewegung in elektrische Energie - bspw. unter Ausnutzung elektrodynamischer oder triboelektrischer Effekte - verbunden ist.The generator element comprises a gear turbine arranged at the inlet and outlet opening, which is connected to a generator for converting rotational movement into electrical energy—for example using electrodynamic or triboelectric effects.

Erfindungsgemäß kann elektrische Energie bei Auftreten einer Druckschwankung erzeugt werden. Bei Flugzeugen ist dies hauptsächlich während des Starts und der Landung der Fall, während bei Bodenbewegungen und im Reiseflug keine oder nur sehr geringe Druckänderungen auftreten. Um auch in diesen Zeiten Sensoren und RFID-Tags mit elektrischer Energie versorgen zu können, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Energiespeicher zur Zwischenspeicherung der vom Generatorelement erzeugten elektrischen Energie umfassen. Dieser Energiespeicher wird bei Druckschwankungen aufgeladen und dient in Phasen ohne Druckschwankungen der Energieversorgung des Sensors bzw. des RFID-Tags. Der Energiespeicher kann als Akkumulator oder Kondensator ausgeführt sein.According to the invention, electrical energy can be generated when a pressure fluctuation occurs. In the case of aircraft, this is mainly the case during take-off and landing, while there are no or only very small pressure changes during ground movements and when cruising. In order to also be able to supply sensors and RFID tags with electrical energy during these times, the device according to the invention can include an energy store for temporarily storing the electrical energy generated by the generator element. This energy store is charged in the event of pressure fluctuations and is used to supply energy to the sensor or the RFID tag in phases without pressure fluctuations. The energy store can be designed as an accumulator or capacitor.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich zu Energieversorgung beliebiger Verbraucher, wobei der Energiebedarf eines Verbrauchers dabei derart gering sein sollte, dass er durch die durch die Vorrichtung erzeugbare elektrische Energie vollständig gedeckt werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann so bspw. Teil eines Sensorelements sein, das darüber hinaus noch einen Sensor sowie ein Kommunikationsmodul zum drahtlosen Senden der vom Sensor erfassten Messwerte umfasst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch Teil eines aktiven RFID-Tags sein. Der RFID-Tag umfasst daneben noch einen Speicher, ein Kommunikationsmodul zum drahtlosen Senden von in dem Speicher abgelegten Informationen.The device according to the invention is suitable for supplying energy to any consumer, in which case the energy requirement of a consumer should be so low that it can be completely covered by the electrical energy that can be generated by the device. The device according to the invention can thus be part of a sensor element, for example, which also includes a sensor and a communication module for wireless transmission of the measured values recorded by the sensor. The device according to the invention can also be part of an active RFID tag. The RFID tag also includes a memory, a communication module for wireless transmission of information stored in the memory.

Wie aus den vorstehenden Erläuterungen ersichtlich eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung aufgrund der dort regelmäßig auftretenden Druckschwankungen insbesondere für die Verwendung an Bord von Flugzeugen, insbesondere auch in Flugzeugkabinen.As can be seen from the above explanations, the device according to the invention is particularly suitable for use on board aircraft, in particular also in aircraft cabins, due to the pressure fluctuations that regularly occur there.

Die Erfindung wird nun anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben, wobei auch nicht-erfindungsgemäße Ausführungsformen zum besseren Verständnis der Erfindung erläutert werden. Es zeigen:

1: ein erstes Ausführungsbeispiel einer nicht-erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2: ein zweites Ausführungsbeispiel einer nicht-erfindungsgemäßen Vorrichtung;
3: ein drittes Ausführungsbeispiel einer nicht-erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
4: ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

The invention will now be described by way of example on the basis of advantageous embodiments with reference to the accompanying drawings, with non-inventive embodiments also being explained for a better understanding of the invention. Show it:

1 : a first exemplary embodiment of a device not according to the invention;
2 : a second embodiment of a device not according to the invention;
3 : a third embodiment of a device not according to the invention; and
4 : a fourth exemplary embodiment of a device according to the invention.

In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer nicht-erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Erzeugung elektrischer Energie dargestellt.In 1 a first exemplary embodiment of a device 1, not according to the invention, for generating electrical energy is shown.

Die Vorrichtung 1 umfasst einen abgeschlossenen Gasraum 10. Der Gasraum 10 ist durch einen starren Zylinder 11 gebildet, indem ein Kolben 12 derart verschiebbar angeordnet ist, dass sich zwar das Volumen des Gasraums 10 ändern lässt, es aber zu keinem Gasaustausch zwischen dem Gasraum 10 und der Umgebung kommt.The device 1 comprises a closed gas space 10. The gas space 10 is formed by a rigid cylinder 11 in which a piston 12 is displaceably arranged in such a way that although the volume of the gas space 10 can be changed, there is no gas exchange between the gas space 10 and the environment comes.

Auf der von dem Gasraum 10 abgewandten Seite des Kolbens 12 herrsch Umgebungsdruck, sodass sich der Kolben 12 bei Druckschwankungen in der Umgebung jeweils verschiebt, bis sich im Gasraum 10 ein mit der Umgebung identischer Druck einstellt.Ambient pressure prevails on the side of the piston 12 facing away from the gas chamber 10 so that the piston 12 is displaced in the event of pressure fluctuations in the environment until a pressure identical to the environment is established in the gas chamber 10 .

Die aufgrund von Druckschwankungen in der Umgebung auftretenden translatorischen Bewegungen des Kolbens 12 werden mit Hilfe des Getriebes 13 in einer Rotationsbewegung umgewandelt, die dann wieder zum Antrieb eines Generators 21 als Generatorelement 20 genutzt wird, der elektrische Energie erzeugt. Die so erzeugte elektrische Energie kann über die Anschlussleitungen 24 unmittelbar einen Verbraucher oder einem Energiespeicher (nicht dargestellt) zugeführt werden.The translational movements of the piston 12 occurring due to pressure fluctuations in the environment are converted into a rotational movement with the aid of the gear 13, which is then used again to drive a generator 21 as a generator element 20, which generates electrical energy. The electrical energy generated in this way can be fed directly to a consumer or an energy store (not shown) via the connection lines 24 .

In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer nicht-erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Erzeugung elektrischer Energie dargestellt.In 2 a second exemplary embodiment of a device 1, not according to the invention, for generating electrical energy is shown.

Der Gasraum 10 ist dabei erneut in einem starren Zylinder 11 angeordnet, wobei ein Teil der Wandung des Gasraums eine flexible Membran 14 ist. Auf der vom Gasraum 10 abgewandten Seite der Membran 14 ist ein Piezoelement 22 als Generatorelement 20 angeordnet und derart ortsfest an dem Zylinder 11 befestigt, dass auf der vom Gasraum 10 abgewandten Seite der Membran Umgebungsdruck herrscht.The gas space 10 is again arranged in a rigid cylinder 11, with part of the wall of the gas space being a flexible membrane 14. On the side of the membrane 14 facing away from the gas space 10, a piezoelectric element 22 is arranged as a generator element 20 and fixed in place on the cylinder 11 in such a way that ambient pressure prevails on the side of the membrane facing away from the gas space 10.

Bei Druckschwankungen in der Umgebung ergibt sich eine Volumenänderung des Gasraums indem sich die Membran 14 verformt, bis der Druck im Gasraum 10 demjenigen in der Umgebung entspricht. Die Verformung der Membran 14 wirkt unmittelbar auf das Piezoelement 22, wobei die dabei erzeugte elektrische Energie über die Anschlussleitungen 21 abgeleitet wird.In the case of pressure fluctuations in the environment, there is a change in the volume of the gas space in that the membrane 14 deforms until the pressure in the gas space 10 corresponds to that in the environment. The deformation of the membrane 14 has a direct effect on the piezoelectric element 22, with the electrical energy generated thereby being dissipated via the connecting lines 21.

3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer nicht-erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. 3 shows a third embodiment of a device 1 not according to the invention.

Bei dieser Vorrichtung 1 ist ein einseitig offener Zylinder 11 zur Bildung eines abgeschlossenen Gasraums 10 mit einer flexiblen Wandung aus elektroaktivem Polymer 23 verschlossen. Bei Druckschwankungen in der Umgebung verformt sich die Wandung 23 elastisch, wobei aufgrund der elektroaktiven Eigenschaft u.a. auch elektrische Energie erzeugt wird, die über die Anschlussleitungen 21 einem Verbraucher oder einem Energiespeicher zugeführt wird.In this device 1, a cylinder 11 open on one side is sealed with a flexible wall made of electroactive polymer 23 to form a closed gas chamber 10. FIG. In the event of pressure fluctuations in the environment, the wall 23 deforms elastically, and due to the electroactive property, among other things, electrical energy is also generated, which is fed to a consumer or an energy store via the connecting lines 21.

Bei dem vierten Ausführungsbeispiel gemäß 4 handelt es sich um eine erfindungsgemäße Ausführungsform. Bei dieser ist der Gasraum 10 durch starre Wände 15 begrenzt, wobei jedoch eine Ein- und Auslassöffnung 16 vorgesehen ist, sodass der Gasraum 10 - anders als bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen nicht abgeschlossen ist.In the fourth embodiment according to 4 it is an embodiment of the invention. In this case, the gas space 10 is delimited by rigid walls 15, but an inlet and outlet opening 16 is provided, so that the gas space 10--unlike in the previous exemplary embodiments--is not closed off.

An der Ein- und Auslassöffnung 16 ist einer Zahnradturbine 17 vorgesehen, die bei jeglicher Strömung in den oder aus dem Gasraum 10 angetrieben wird. Entsprechende Strömungen treten immer dann auf, wenn der Druck im Gasraum 10 nicht mit demjenigen in der Umgebung übereinstimmt, bspw. aufgrund von Druckschwankungen in der Umgebung.A gearwheel turbine 17 is provided at the inlet and outlet opening 16 and is driven by any flow into or out of the gas space 10 . Corresponding flows always occur when the pressure in the gas space 10 does not match that in the environment, for example due to pressure fluctuations in the environment.

Die Zahnradturbine 17 treibt ein Generatorelement 20 an, welches elektrische Energie erzeugt, die über die Anschlussleitungen 21 einem Verbraucher oder einem Energiespeicher zugeführt wird.The gearwheel turbine 17 drives a generator element 20 which generates electrical energy which is supplied to a consumer or an energy store via the connection lines 21 .

Claims

Device for generating electrical energy comprising a rigid gas space (10) with an inlet and outlet opening (16) and a generator element (20) for converting a fluid flow through the inlet and outlet opening (16) into electrical energy, wherein at the inlet and an outlet port (16) for a gear turbine (17) connected to a generator element (20) for converting rotational motion into electrical energy, the fluid flow being ambient air.

device after claim 1 , characterized in that an energy storage device for temporarily storing the electrical energy generated by the generator element (20) is provided.

Sensor element comprising a sensor, a communication module for wireless transmission of the detected measured values and a power supply, characterized in that the power supply tion a device (1) according to one of Claims 1 or 2 includes.

RFID tag comprising a memory, a communication module for wireless transmission of information stored in the memory and a power supply, characterized in that the power supply is a device (1) according to one of Claims 1 or 2 includes.

Aircraft comprising a device (1) according to one of Claims 1 or 2 , a sensor element according to claim 3 and/or an RFID tag according to claim 4 .

plane to claim 5 , characterized in that the device (1), the sensor element and/or the RFID tag is arranged in the aircraft cabin of the aircraft.