DE102021133220A1

DE102021133220A1 - Piezo/bi-metall energiequelle

Info

Publication number: DE102021133220A1
Application number: DE102021133220.6A
Authority: DE
Inventors: Carsten Brinkschulte; Marco Bönig
Original assignee: Dryad Networks GmbH
Current assignee: Dryad Networks GmbH
Priority date: 2021-12-15
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2023-06-15
Also published as: WO2023111077A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen mit einer ersten Bimetall-Lamelle gekoppelt mit einer Energiekonversionsvorrichtung und einer zweiten Bimetall-Lamelle gekoppelt mit einer Energiekonversionsvorrichtung, wobei die Energiekonversionsvorrichtung mit einem Akku/Energiespeicher verbunden ist, wobei die erste Bimetall-Lamelle verschieden ist von der zweiten Bimetall-Lamelle, sowie eine Energiekonversionsvorrichtung umfassend eine Bimetall-Lamelle, ein erstes Piezoelement, wobei die Bimetall-Lamelle mit dem ersten Piezoelement gekoppelt ist, wobei die Energiekonversionsvorrichtung ein zweites Piezoelement aufweist, wobei das zweite Piezoelement mit der Bimetall-Lamelle gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft außerdem die Anwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen, wobei die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen eine erste und eine zweite Bimetall-Lamelle aufweisen, wobei die beiden Bimetall-Lamellen jeweils eine obere und eine untere Sprungtemperatur aufweisen, wobei die oberen Sprungtemperaturen der beiden Bimetall-Lamellen und/oder die oberen Sprungtemperaturen der beiden Bimetall-Lamellen unterschiedlich sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen mit einer ersten Bimetall-Lamelle gekoppelt mit einer Energiekonversionsvorrichtung und einer zweiten Bimetall-Lamelle gekoppelt mit einer Energiekonversionsvorrichtung, wobei die Energiekonversionsvorrichtung mit einem Akku/Energiespeicher verbunden ist, wobei die erste Bimetall-Lamelle verschieden ist von der zweiten Bimetall-Lamelle, sowie eine Energiekonversionsvorrichtung umfassend eine Bimetall-Lamelle, ein erstes Piezoelement, wobei die Bimetall-Lamelle mit dem ersten Piezoelement gekoppelt ist, wobei die Energiekonversionsvorrichtung ein zweites Piezoelement aufweist, wobei das zweite Piezoelement mit der Bimetall-Lamelle gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft außerdem die Anwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen, wobei die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen eine erste und eine zweite Bimetall-Lamelle aufweisen, wobei die beiden Bimetall-Lamellen jeweils eine obere und eine untere Sprungtemperatur aufweisen, wobei die oberen Sprungtemperaturen der beiden Bimetall-Lamellen und/oder die oberen Sprungtemperaturen der beiden Bimetall-Lamellen unterschiedlich sind.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen mit den Verfahrensschritten Aufnahme oder Abgabe von Wärmeenergie in eine erste Bimetall-Lamelle einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen, eine Deformation der ersten Bimetall-Lamelle infolge der Temperaturschwankung, Erzeugen eines ersten Piezoeffekts durch die Deformation der ersten Bimetall-Lamelle, Aufnahme oder Abgabe von Wärmeenergie in eine zweite Bimetall-Lamelle einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen, Deformation der zweiten Bimetall-Lamelle infolge der Temperatirschwankung, Erzeugen eines zweiten Piezoeffekts durch die Deformation der ersten Bimetall-Lamelle, wobei die erste Bimetall-Lamelle verschieden ist von der zweiten Bimetall-Lamelle.
Stand der Technik
Geräte und Sensoren, die z.B. zur Überwachung von Anlagen und Arealen eingesetzt werden, benötigen häufig nur wenige Mengen Energie, sei es, weil sie nicht permanent in Betrieb sind oder die Sensorik selbst sehr energiesparend ausgeführt ist.. Zu nennen sind beispielsweise Rauchmelder. Zu ihrer Energieversorgung werden z.B. Batterien - auch wiederaufladbar - eingesetzt. Es kann aber dennoch sinnvoll sein, auf Batterien zu verzichten, weil Prüfung und Austausch zu aufwändig sind, wenn die Verbraucher unzugänglich montiert oder schwer erreichbar sind.
Eine Möglichkeit ist die Erzeugung elektrischer Energie mittels piezoelektrischer Materialien, die bei Krafteinwirkung durch Druck oder Vibration elektrische Spannung erzeugen. Ein Prototyp und das Wirkprinzip einer derartigen Vorrichtung wird in der Schrift „Thermal Energy Harvesting Using Pyroelectric and Piezoelectric Effect“ (Miwon Kang and Eric M. Yeatman 2016 J. Phys.: Conf. Ser. 773 012073) gezeigt. Allerdings ist die Ausgangsleistung der Vorrichtung begrenzt, ebenso der Temperaturbereich, in der die Vorrichtung betreibbar ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen bereitzustellen, die einen erhöhten Wirkungsgrad sowie eine erhöhte Leistungsabgabe aufweist. Es ist ebenfalls Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen bereitzustellen, mit dem ein erhöhter Wirkungsgrad und eine erhöhte Leistungsabgabe realisierbar ist.
Die Aufgabe wird mittels der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen weist eine erste Bimetall-Lamelle sowie eine zweite Bimetall-Lamelle auf. Erste und zweite Bimetall-Lamelle sind mit einer Energiekonversionsvorrichtung gekoppelt. Die Energiekonversionsvorrichtung selbst ist mit einem Energiespeicher zur Speicherung elektrischer Energie verbunden, z. B. ein Akku oder ein Kondensator. Erfindungsgemäß sind die erste Bimetall-Lamelle und die zweite Bimetall-Lamelle unterschiedlich zueinander ausgeführt. Die beiden Bimetall-Lamellen unterscheiden sich insbesondere durch ihre Wärmeausdehnungskoeffizienten. Demzufolge ist die Deformation beider Bimetall-Lamellen bei gegebener Temperatur unterschiedlich, was in einer unterschiedlichen Leistungsabgabe bei gegebener Temperatur resultiert. Die Menge an elektrischer Energie, die durch eine an ein Bimetall gekoppelte Energiekonversionsvorrichtung erzeugt wird, ist daher abhängig von der Temperatur und damit auch von der Zeit, zu welcher die jeweilige Temperatur erreicht wird. Die Abgabe an elektrischer Energie, die die erfindungsgemäße Vorrichtung pro Zeiteinheit abgibt, kann daher vorteilhafterweise derart eingestellt werden, dass die für die Anwendung der Vorrichtung benötigte elektrische Leistung innerhalb eines definierten Temperaturbereiches abgegeben wird.
Eine Bimetall-Lamelle weist zwei übereinander liegenden Schichten unterschiedlicher Metalle auf. Die beiden Schichten sind miteinander stoffschlüssig oder durch formschlüssiges Material verbunden. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der verwendeten Metalle dehnt sich eine der Schichten stärker aus als die andere, wodurch sich die Bimetall-Lamelle bei Temperaturänderungen biegt. Die Energiekonversionsvorrichtung ist geeignet und dafür vorgesehen, eine Deformation der Bimetall-Lamellen in elektrische Energie umzuwandeln, z.B. ein Piezoelement. Die Ausgangsleistung wird maßgeblich durch die mechanische Deformation der Biegestruktur bestimmt. Je größer die Auslenkung, desto größer sind die generierte Ladung und Leistung.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung ist jeweils ein Teil der Bimetall-Lamellen frei beweglich angeordnet, ein jeweils anderer Teil der Bimetall-Lamellen ist gelagert. Aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der beiden eine Bimetall-Lamelle bildenden Metalle deformieren sich die Bimetall-Lamellen sowohl bei Erwärmung als auch bei Abkühlung. Bei Erwärmung geht die Deformation z. B. von einer im Wesentlichen flachen Form in eine Form mit einer Krümmung über.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Ende der Bimetall-Lamelle gelagert. Das nicht gelagerte Ende einer Bimetall-Lamelle führt aufgrund der Deformation unter Temperatureinwirkung eine Translation aus der Ruhelage der Bimetall-Lamelle aus.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist die Bimetall-Lamelle an zwei Positionen gelagert und zwischen diesen Positionen beweglich ausgeführt. Bevorzugt ist die Bimetall-Lamelle an den Enden gelagert. Die Deformation durch thermische Einwirkung erfolgt dann derart, dass die Bimetall-Lamelle abhängig von der Temperatur mindestens zwei unterschiedliche Rastzustände einnimmt. Diese Deformationen erzeugen durch Zug bzw. Druck in der Energiekonversionsvorrichtung elektrische Ladungen, die an den Elektroden der Energiekonversionsvorrichtung als elektrische Spannung messbar sind.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Bimetall-Lamelle zwischen ihren Enden in senkrechter Richtung zur Grenzfläche zwischen den metallischen Schichten der Bimetall-Lamellen beweglich ausgeführt. Die Bewegung durch thermische Einwirkung erfolgt senkrecht zu den Schichten der Bimetall-Lamelle derart, dass die Bimetall-Lamelle abhängig von der Temperatur mindestens zwei unterschiedliche Rastzustände einnimmt.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung die Energiekonversionsvorrichtung ein Piezo-Element und/oder ein elektret-basierter kapazitiver Konverter. Diese Deformation der Bimetall-Lamelle aufgrund thermischer Einwirkung wird von einem piezoelektrischen Material in elektrische Energie umgewandelt, die verformt oder erschüttert wird, wenn sich die Bimetall-Lamelle krümmt. Ein Piezo-Element erzeugt bei Krafteinwirkung durch Druck oder Vibration elektrische Spannung, nutzen also in der Umgebung vorhandene Bewegungsenergie.
Ein Elektret ist ein elektrisch isolierendes Material, das quasi-permanent gespeicherte elektrische Ladungen oder quasi-permanent ausgerichtete elektrische Dipole enthält und somit ein quasi-permanentes elektrisches Feld in seiner Umgebung oder in seinem Inneren erzeugt. Technisch werden Elektrete in teilweise sehr großen Stückzahlen eingesetzt z.B. als Membranen in Schallwandlern (Elektret-Mikrofon oder Kopfhörer).
In einer vorteilhaften Gestaltung der Erfindung weist die erste Bimetall-Lamelle eine untere Sprungtemperatur und eine obere Sprungtemperatur auf, wobei die untere und/oder die obere Sprungtemperatur der ersten Bimetall-Lamelle unterschiedlich ist zu der unteren und/oder der oberen Sprungtemperatur der zweiten Bimetall-Lamelle.
Eine Sprungtemperatur markiert dabei den Übergang von einem Rastzustand in einen anderen Rastzustand der jeweiligen Bimetall-Lamelle. Die untere Sprungtemperatur liegt dabei bei einer niedrigeren Temperatur als die obere Sprungtemperatur. Bei der unteren Sprungtemperatur erfolgt ein Übergang von einem ersten Rastzustand in einen zweiten Rastzustand bei einer sinkenden Temperatur, also von Temperaturen größer der unteren Sprungtemperatur zu Temperaturen kleiner der unteren Sprungtemperatur. Bei der oberen Sprungtemperatur erfolgt ein Übergang von dem ersten Rastzustand in den zweiten Rastzustand bei steigenden Temperaturen, also bei einem Übergang von Temperaturen kleiner der oberen Sprungtemperatur zur Temperatuern größer der oberen Sprungtemperatur. Bei Übergang vom ersten Rastzustand in den zweiten Rastzustand bzw. vom zweiten Rastzustand in den ersten Rastzustand wird eine große Menge elektrischer Leistung erzeugt.
Insbesondere weisen die beiden Bimetall-Lamellen unterschiedliche untere sowie obere Sprungtemperaturen auf. Die beiden Bimetall-Lamellen weisen daher unterschiedliche Temperatur-Einsatzbereiche auf. Bei Verwendung eines Piezoelements als Energiekonversionsvorrichtung erzeugt daher die erste und zweite Bimetall-Lamelle bei der unterschiedlichen Temperaturen eine elektrische Energiemenge.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist die erste Bimetall-Lamelle eine erste untere Sprungtemperatur und eine erste obere Sprungtemperatur und die zweite Bimetall-Lamelle eine zweite untere Sprungtemperatur und eine zweite obere Sprungtemperatur auf. Vorteilhafterweise liegt die zweite obere Sprungtemperatur der zweiten Bimetall-Lamelle zwischen der ersten unteren Sprungtemperatur und der ersten oberen Sprungtemperatur der ersten Bimetall-Lamelle und/oder die zweite untere Sprungtemperatur der zweiten Bimetall-Lamelle zwischen der ersten unteren Sprungtemperatur und der ersten oberen Sprungtemperatur der ersten Bimetall-Lamelle. Die beiden Bimetall-Lamellen weisen also unterschiedliche Temperatur-Einsatzbereiche auf. Vorteilhafterweise überschneiden sich die Temperatur-Einsatzbereiche der beiden Bimetall-Lamellen derart, dass der Gesamt-Temperatureinsatzbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber der Anordnung von nur einer Bimetall-Lamelle vergrößert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung weist die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen ein Array von Bimetall-Lamellen auf. Die Verwendung Arrays von Bimetall-Lamellen erhöht den Temperatureinsatzbereich, in dem das Array elektrische Energie erzeugen kann. In Bereichen mit schwankenden Temperaturen kann so in jedem Temperaturbereich elektrische Energie erzeugt werden. Bei einem Einsatz im Außenbereich ist so eine Energieerzeugung bei Tag und bei Nacht oder auch zu verschiedenen Jahreszeiten möglich.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Array eine Vielzahl von Bimetall-Lamellen auf. Die Verwendung von einer Vielzahl von Bimetall-Lamellen in einem Array erhöht den Temperatureinsatzbereich, in dem das Array elektrische Energie erzeugen kann. In Bereichen mit schwankenden Temperaturen kann so in jedem Temperaturbereich elektrische Energie erzeugt werden. Bei einem Einsatz im Außenbereich ist so eine Energieerzeugung bei Tag und bei Nacht oder auch zu verschiedenen Jahreszeiten möglich.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die Bimetall-Lamellen des Arrays jeweils ein Temperaturintervall zwischen unterer und oberer Sprungtemperatur der jeweiligen Bimetall-Lamelle auf. Vorteilhafterweise überlappen sich die Temperaturintervalle der Bimetall-Lamellen gegenseitig derart, dass sie ein lückenloses Gesamt-Temperaturintervall bilden. Der Gesamt-Temperatureinsatzbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird so gegenüber der Anordnung von nur einer Bimetall-Lamelle vergrößert.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen einen maximalen Temperatur-Einsatzbereich auf. Der maximale Temperatur-Einsatzbereich wird durch die jeweiligen Temperatur-Einsatzbereiche der in der Vorrichtung angeordneten Bimetall-Lamellen definiert.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung bilden das Temperaturintervall zwischen der niedrigsten unteren Sprungtemperatur und der höchsten oberen Sprungtemperatur der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen den maximalen Temperatur-Einsatzbereich der Vorrichtung. Die niedrigste untere Sprungtemperatur einer Bimetall-Lamelle und die höchste obere Sprungtemperatur einer Bimetall-Lamelle der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen definieren also die Endpunkte des Temperatur-Einsatzbereiches der Vorrichtung. Bei Anordnung einer Mehrzahl unterschiedlicher Bimetall-Lamellen mit unterschiedlichen unteren bzw. der oberen Sprungtemperatur wird der Gesamt-Temperatureinsatzbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber der Anordnung von nur einer Bimetall-Lamelle vergrößert.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen einen minimalen Temperatur-Einsatzbereich auf. Der minimalen Temperatur-Einsatzbereich definiert den kleinsten Temperatur-Einsatzbereich der Vorrichtung.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung bilden das kleinste Temperaturintervall einer Bimetall-Lamelle des Arrays der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen den minimalen Temperatur-Einsatzbereich. Jede Bimetall-Lamelle des Arrays weist eine untere Sprungtemperatur und eine obere Sprungtemperatur auf. Das Temperaturintervall zwischen diesen Sprungtemperaturen ist der Temperatur-Einsatzbereich der jeweiligen Bimetall-Lamelle. Das kleinste Temperaturintervall einer Bimetall-Lamelle des Arrays definiert den minimalen Temperatur-Einsatzbereich der Vorrichtung.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die erste und/oder die zweite Bimetall-Lamelle mit der gleichen Energiekonversionsvorrichtung gekoppelt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung benötigt daher nur eine Energiekonversionsvorrichtung und ist daher preiswert herzustellen und weist gleichzeitig einen einfachen Aufbau auf.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung sind die erste und/oder die zweite Bimetall-Lamelle mit einer zweiten Energiekonversionsvorrichtung gekoppelt. Die Energiekonversionsvorrichtung kann dann den entsprechenden Deformationen einer Bimetall-Lamelle derart angepasst werden, dass eine maximale elektrische Energieausbeute und maximale elektrische Leistung erreichbar sind.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind die erste und/oder die zweite Bimetall-Lamelle permanent mit der Energiekonversionsvorrichtung gekoppelt. Eine Bimetall-Lamelle bildet daher mit einer Energiekonversionsvorrichtung ein Bauteil. ein derartiges Bauteil weist z.B. Piezokeramikplatten- oder Folien auf, die inklusive Kontaktierung in einem Polymer eingebettet sind. Dadurch wird die an sich spröde Keramik mechanisch vorgespannt und gleichzeitig elektrisch isoliert. Die mechanische Vorspannung erweitert die Grenzen der Belastbarkeit der Keramik, somit ist z.B. auch eine Applikation auf gekrümmte Flächen möglich. Gleichzeitig vereinfacht der kompakte Aufbau einschließlich der Isolierung die Handhabung für den Anwender, es besteht sogar die Möglichkeit, den Flächenwandler in einen Verbundwerkstoff einzubetten. Im Idealfall sind die derartigen Bauteile symmetrisch aufgebaut, d.h. bei Verbiegung der Bimetall-Lamelle entstehen auf beiden Elektrodenflächen gleiche Ladungsmengen mit entgegengesetztem Vorzeichen.
Die Aufgabe wird ebenfalls mittels einer Energiekonversionsvorrichtung gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind in dem Unteranspruch 18 dargelegt.
Die erfindungsgemäße Energiekonversionsvorrichtung weist eine Bimetall-Lamelle sowie ein erstes Piezo-Element auf, das mit der Bimetall-Lamelle gekoppelt ist. Erfindungsgemäß weist die Energiekonversionsvorrichtung ein zweites Piezo-Element auf, das ebenfalls mit der Bimetall-Lamelle gekoppelt ist. Die beiden Bimetall-Lamellen unterscheiden sich insbesondere durch ihre Wärmeausdehnungskoeffizienten. Demzufolge ist die Deformation beider Bimetall-Lamellen bei gegebener Temperatur unterschiedlich, was in einer Leistungsabgabe bei unterschiedlichen Temperaturen resultiert. Die Menge an elektrischer Energie, die die erfindungsgemäße Vorrichtung pro Zeiteinheit abgibt, kann daher vorteilhafterweise derart eingestellt werden, dass die für die Anwendung der Vorrichtung benötigte elektrische Leistung innerhalb eines definierten Temperaturbereiches abgegeben wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Bimetall-Lamelle permanent mit dem ersten Piezo-Element gekoppelt. Eine Bimetall-Lamelle bildet daher mit einer Energiekonversionsvorrichtung ein Bauteil. ein derartiges Bauteil weist z.B. Piezokeramikplatten- oder Folien auf, die inklusive Kontaktierung in einem Polymer eingebettet sind. Dadurch wird die an sich spröde Keramik mechanisch vorgespannt und gleichzeitig elektrisch isoliert. Die mechanische Vorspannung erweitert die Grenzen der Belastbarkeit der Keramik, somit ist z.B. auch eine Applikation auf gekrümmte Flächen möglich. Gleichzeitig vereinfacht der kompakte Aufbau einschließlich der Isolierung die Handhabung für den Anwender, es besteht sogar die Möglichkeit, den Flächenwandler in einen Verbundwerkstoff einzubetten. Im Idealfall sind die derartigen Bauteile symmetrisch aufgebaut, d.h. bei Verbiegung der Bimetall-Lamelle entstehen auf beiden Elektrodenflächen gleiche Ladungsmengen mit entgegengesetztem Vorzeichen.
Die Aufgabe wird weiterhin mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen gelöst. In den Unteransprüchen 20 bis 22 sind vorteilhafte Ausführungen der Erfindung dargelegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen weist sechs Verfahrensschritte auf. Im ersten Verfahrensschritt nimmt eine erste Bimetall-Lamelle einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen Wärmeenergie auf. Im zweiten Verfahrensschritt wird die Wärmeenergie in eine Deformation der ersten Bimetall-Lamelle umgewandelt. Im dritten Verfahrensschritt wird ein erster Piezoeffekt durch die Deformation der ersten Bimetall-Lamelle erzeugt. Im vierten Verfahrensschritt nimmt eine zweite Bimetall-Lamelle einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen Wärmeenergie auf. Im fünften Verfahrensschritt wird die Wärmeenergie in eine Deformation der zweiten Bimetall-Lamelle umgewandelt. Im sechsten Verfahrensschritt wird ein zweiter Piezoeffekt durch die Deformation der zweiten Bimetall-Lamelle erzeugt.
Erfindungsgemäß ist die erste Bimetall-Lamelle verschieden von der zweiten Bimetall-Lamelle. Ein Bimetall-Lamelle weist zwei übereinander liegenden Schichten unterschiedlicher Metalle auf. Die beiden Schichten sind miteinander stoffschlüssig oder durch formschlüssiges Material verbunden. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der verwendeten Metalle dehnt sich eine der Schichten stärker aus als die andere, wodurch sich die Bimetall-Lamelle bei Temperaturänderungen biegt. Die Energiekonversionsvorrichtung ist geeignet und dafür vorgesehen, eine Deformation der Bimetall-Lamellen in elektrische Energie umzuwandeln, z.B. ein Piezoelement. Die Ausgangsleistung wird maßgeblich durch die mechanische Deformation der Biegestruktur bestimmt. Je größer die Auslenkung, desto größer sind die generierte Ladung und Leistung.
Erfindungsgemäß sind die erste Bimetall-Lamelle und die zweite Bimetall-Lamelle unterschiedlich zueinander ausgeführt. Die beiden Bimetall-Lamellen unterscheiden sich insbesondere durch ihre Wärmeausdehnungskoeffizienten. Demzufolge ist die Deformation beider Bimetall-Lamellen bei gegebener Temperatur unterschiedlich, was in einer unterschiedlichen Leistungsabgabe bei gegebener Temperatur resultiert. Die Menge an elektrischer Energie, die die erfindungsgemäße Vorrichtung pro Zeiteinheit abgibt, kann daher vorteilhafterweise derart eingestellt werden, dass die für die Anwendung der Vorrichtung benötigte elektrische Leistung innerhalb eines definierten Temperaturbereiches abgegeben wird.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung weisen die erste Bimetall-Lamelle eine erste untere und eine erste obere Sprungtemperatur auf. In gleicher Weise weist die zweite Bimetall-Lamelle eine zweite untere und eine zweite obere Sprungtemperatur auf. Eine Sprungtemperatur markiert dabei den Übergang von einem Rastzustand in einen anderen Rastzustand der jeweiligen Bimetall-Lamelle. Die untere Sprungtemperatur liegt dabei bei einer niedrigeren Temperatur als die obere Sprungtemperatur.
Bei der unteren Sprungtemperatur erfolgt ein Übergang von einem ersten Rastzustand in einen zweiten Rastzustand bei einer sinkenden Temperatur, also von Temperaturen größer der unteren Sprungtemperatur zu Temperaturen kleiner der unteren Sprungtemperatur. Bei der oberen Sprungtemperatur erfolgt ein Übergang von dem ersten Rastzustand in den zweiten Rastzustand bei steigenden Temperaturen, also bei einem Übergang von Temperaturen kleiner der oberen Sprungtemperatur zur Temperatuern größer der oberen Sprungtemperatur. Bei Übergang vom ersten Rastzustand in den zweiten Rastzustand bzw. vom zweiten Rastzustand in den ersten Rastzustand wird eine große Menge elektrischer Leistung erzeugt.
Vorteilhafterweise ist die erste untere Sprungtemperatur der ersten Bimetall-Lamelle verschieden von der zweiten unteren Sprungtemperatur der zweiten Bimetall-Lamelle, ebenso ist die erste obere Sprungtemperatur der ersten Bimetall-Lamelle verschieden von der zweiten oberen Sprungtemperatur der zweiten Bimetall-Lamelle.
Die beiden Bimetall-Lamellen weisen daher unterschiedliche Temperatur-Einsatzbereiche auf, bei denen sie zusammen mit einer Energiekonversionsvorrichtung Energie erzeugen können. Bei Verwendung eines Piezoelements als Energiekonversionsvorrichtung erzeugt daher erste und zweite Bimetall-Lamelle bei unterschiedlichen Temperaturen eine elektrische Energiemenge. In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist die erste Bimetall-Lamelle eine erste untere Sprungtemperatur und eine erste obere Sprungtemperatur und die zweite Bimetall-Lamelle eine zweite untere Sprungtemperatur und eine zweite obere Sprungtemperatur auf. Vorteilhafterweise liegt die zweite obere Sprungtemperatur zweiten Bimetall-Lamelle zwischen der ersten unteren Sprungtemperatur und der ersten oberen Sprungtemperatur der ersten Bimetall-Lamelle und/oder die zweite untere Sprungtemperatur zweiten Bimetall-Lamelle zwischen der ersten unteren Sprungtemperatur und der ersten oberen Sprungtemperatur der ersten Bimetall-Lamelle. Die beiden Bimetall-Lamellen weisen also unterschiedliche Temperatur-Einsatzbereiche auf. Vorteilhafterweise überschneiden sich die Temperatur-Einsatzbereiche der beiden Bimetall-Lamellen derart, dass der Gesamt-Temperatureinsatzbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber der Anordnung von nur einer Bimetall-Lamelle vergrößert wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird der erste Piezoeffekt bei einer ersten Piezo-Temperatur und der zweite Piezoeffekt bei einer zweiten Piezo-Temperatur erzeugt. Die erste Piezo-Temperatur ist dabei verschieden von der zweiten Piezo-Temperatur. Das Verfahren ermöglicht also die Erzeugung elektrischer Energie bei mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturen.
In einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Erfindung werden bei Temperaturschwankungen über ein Temperaturintervall eine Vielzahl Bimetall-Lamellen zu jeweils unterschiedlichen Temperaturen infolge der Aufnahme oder Abgabe der Wärmeenergie deformiert werden. Die Verwendung einer Mehrzahl von Bimetall-Lamellen erhöht die erzeugte elektrische Energie pro Zeiteinheit, die erfindungsgemäße Vorrichtung erzeugt also eine höhere Leistung als bei Anordnung nur einer Bimetall-Lamelle. Gleichzeitig wird der Temperaturbereich vergrößert, bei dem eine Erzeugung elektrischer Energie möglich ist.
Die Aufgabe wird ebenfalls durch die Anwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 24 bis 26 dargelegt.
Die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen wird erfindungsgemäß angewandt, indem die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen eine erste und eine zweite Bimetall-Lamelle aufweist. Beide Bimetall-Lamellen weisen jeweils eine untere und eine obere Sprungtemperatur auf.
Insbesondere sind die jeweils die unteren Sprungtemperaturen und/oder die oberen Sprungtemperaturen der beiden Bimetall-Lamellen unterschiedlich zueinander. Die beiden Bimetall-Lamellen weisen daher unterschiedliche Temperatur-Einsatzbereiche auf. Bei Verwendung eines Piezoelements als Energiekonversionsvorrichtung erzeugt daher erste und zweite Bimetall-Lamelle bei unterschiedlichen Temperaturen eine elektrische Energiemenge.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist die erste Bimetall-Lamelle eine erste untere Sprungtemperatur und eine erste obere Sprungtemperatur und die zweite Bimetall-Lamelle eine zweite untere Sprungtemperatur und eine zweite obere Sprungtemperatur auf. Vorteilhafterweise liegt die zweite obere Sprungtemperatur zweiten Bimetall-Lamelle zwischen der ersten unteren Sprungtemperatur und der ersten oberen Sprungtemperatur der ersten Bimetall-Lamelle und/oder die zweite untere Sprungtemperatur zweiten Bimetall-Lamelle zwischen der ersten unteren Sprungtemperatur und der ersten oberen Sprungtemperatur der ersten Bimetall-Lamelle. Die beiden Bimetall-Lamellen weisen also unterschiedliche Temperatur-Einsatzbereiche auf. Vorteilhafterweise überschneiden sich die Temperatur-Einsatzbereiche der beiden Bimetall-Lamellen derart, dass der Gesamt-Temperatureinsatzbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber der Anordnung von nur einer Bimetall-Lamelle vergrößert wird.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen ein Array von Bimetall-Lamellen auf. Die durch die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen erzeugte elektrische Energie wird in einem Netzwerk mit Off-grid-Komponenten als Energieversorgung verwendet. Bespiele sind ein Netzwerk zur Überwachung eines Areals, z.B. ein Waldbrandüberwachungssystem. Weitere für Energy Harvesting interessante Bereiche sind Datenmonitoring und -übertragung in der Heizungs- und Klimatechnik, ohne dass die entsprechende Sensorik verkabelt oder mit Batterien ausgestattet sein muss.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Array ein Array-Temperaturintervall auf, in dem die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen geeignet ist, Wärmeenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen wird in einer Umgebung eingesetzt, die Temperaturschwankungen aufweist, deren Minimal- und/oder Maximal-Temperatur außerhalb des Array-Temperaturintervalls liegen.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung sind die Zeitintervalle, in denen die Temperaturschwankungen in der Umgebung außerhalb des Array-Temperaturintervalls liegen, größer 24 Stunden, bevorzugt 7 Tage und besonders bevorzugt 28 Tage.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen sind in den Zeichnungen schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 a Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen mit zwei Energiekonversionsvorrichtungen, nicht aktuiert
1 b Frontansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen mit zwei Energiekonversionsvorrichtungen, nicht aktuiert
1 c Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen mit zwei Energiekonversionsvorrichtungen, aktuiert
1 d Frontansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen mit zwei Energiekonversionsvorrichtungen, aktuiert
2 a Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen mit einer Energiekonversionsvorrichtung, nicht aktuiert
2 b Frontansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen mit einer Energiekonversionsvorrichtung, nicht aktuiert
2 c Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen mit einer Energiekonversionsvorrichtung, aktuiert
2 d Frontansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen mit einer Energiekonversionsvorrichtung, aktuiert
3 a Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen mit zwei Energiekonversionsvorrichtungen, in erste Rastposition ausgelenkt
3 b Frontansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen mit zwei Energiekonversionsvorrichtungen, in erste Rastposition ausgelenkt
3 c Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen mit zwei Energiekonversionsvorrichtungen, in zweite Rastposition ausgelenkt
3 d Frontansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen mit zwei Energiekonversionsvorrichtungen, in zweite Rastposition ausgelenkt
4 a Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen, in erste Rastposition ausgelenkt
4 b Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen, in zweite Rastposition ausgelenkt
5 a Schnittansicht eines Arrays von vier erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen
5 b Darstellung der Temperaturintervalle des Arrays von vier erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen
6 Ausführungsbeispiel einer Anwendung eines Arrays von erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen. Die Vorrichtung 1 weist eine erste Bimetall-Lamelle A und eine zweite Bimetall-Lamelle B auf. Beide Bimetall-Lamellen A, B sind aus zwei Schichten M1, M2 aus unterschiedlichen Metallen oder Legierungen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten gebildet, wobei die beiden Schichten M1, M2 durch Walzen, Schweißen, Kleben oder direkt durch Auftragen, z. B. durch direktes Aufsprühen eines zweiten Materials auf ein erstes Material derart miteinander verbunden werden, dass eine monolithische Bimetall-Lamelle A, B entsteht.
Die Vorrichtung weist die Energiekonversionsvorrichtung 20 auf, die zwei Bimetall-Lamellen A, B sowie zwei Piezoelemente 11, 12 umfasst. Die Bimetall-Lamellen A, B sind in nicht ausgelenktem Zustand (1 a, 1 b) parallel zueinander angeordnet. Beide Bimetall-Lamellen A, B sind in einem Ende in der Lagerung 13 derart gelagert, dass das dem gelagerten Ende gegenüber liegende Ende in senkrechter Richtung zu den Grenzflächen zwischen den metallischen Schichten M1, M2 frei beweglich sind. Die beiden Piezoelemente 11, 12 sind derart in der Nähe der beweglichen Enden der Bimetall-Lamellen A, B angeordnet, dass bei einer Auslenkung der Bimetall-Lamellen A, B die Piezoelemente 11, 12 verformt werden. In einer weiteren Ausführung können anstatt der Piezoelemente 11, 12 kapazitive Konverter basierend auf einem Elektret eingesetzt werden. Diese Verformung wird von der Energiekonversionsvorrichtung 20, den Piezoelementen 11, 12, in elektrische Energie umgewandelt, die verformt oder erschüttert werden, wenn sich die Bimetall-Lamellen A, B krümmen.
Vorteilhafterweise sind die beiden Bimetall-Lamellen A, B zueinander unterschiedlich ausgeführt. Insbesondere unterscheiden sie sich hinsichtlich der Temperatur, bei der die Bimetall-Lamellen A, B eine maximale Kraft auf ein Piezoelement 11, 12 ausüben und eine maximale elektrische Spannung erzeugen. Die Materialien für die Herstellung der Bimetall-Lamellen A, B werden nach dem Temperaturbereich ausgewählt, in dem die Vorrichtung 1 arbeiten soll.
Zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen nimmt die erste Bimetall-Lamelle A und gleichzeitig die zweite Bimetall-Lamelle B Wärmeenergie auf. Die Wärmeenergie wird in eine Deformation der ersten A und der zweiten Bimetall-Lamelle B umgewandelt. In diesem Ausführungsbeispiel werden die freien Enden der Bimetall-Lamellen A, B in entgegengesetzter Richtung zueinander ausgelenkt. Die Deformation wird durch die Piezoelemente 11, 12 in elektrische Energie umgewandelt. Bei Berührung mit und Ausübung eines Drucks der ersten Bimetall-Lamelle A auf das erste Piezoelement 11 wird in dem ersten Piezoelement 11 elektrische Energie erzeugt, bei Berührung mit und Ausübung eines Drucks der zweiten Bimetall-Lamelle B auf das zweite Piezoelement 12 wird in dem zweiten Piezoelement 12 elektrische Energie generiert (1c, 1d). Die erzeugte elektrische Energie wird einem Verbraucher zugeführt oder in einem Speicher gespeichert. Die Energiekonversionsvorrichtung 20 ist dabei vorteilhafterweise mit einem Energiespeicher verbunden, z.B. einem Akku oder einem Speicherkondensator. Erfindungsgemäß sind beide Bimetall-Lamellen A, B derart ausgelegt, dass sie bei gegebener Temperatur eine unterschiedliche Deformation aufweisen und daher eine unterschiedliche Kraft auf die Piezoelemente 11, 12 ausüben.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zeigt 2. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 1 ebenfalls zwei Bimetall-Lamellen A, B auf, die ebenfalls in nicht ausgelenktem Zustand (2 a, 2 b) parallel zueinander angeordnet sind. Beide Bimetall-Lamellen A, B sind in einem Ende in der Lagerung 13 derart gelagert, dass das dem gelagerten Ende gegenüber liegende Ende in senkrechter Richtung zu den Grenzflächen zwischen den metallischen Schichten M1, M2 frei beweglich sind. Die Energiekonversionsvorrichtung 20 weist ein Piezoelement 11 auf, das derart in der Nähe der beweglichen Enden der Bimetall-Lamellen A, B angeordnet ist, dass bei einer Auslenkung der Bimetall-Lamellen A, B das Piezoelement 11 verformt wird.
Bei Zuführung von Wärmeenergie wird die Wärmeenergie wiederum in eine Deformation der ersten Bimetall-Lamelle A und der zweiten Bimetall-Lamelle B umgewandelt. In diesem Ausführungsbeispiel werden die freien Enden der Bimetall-Lamellen A, B in gleicher Richtung ausgelenkt. Die Deformation wird durch das Piezoelement 11 in elektrische Energie umgewandelt. Bei Berührung mit und Ausübung eines Drucks der ersten Bimetall-Lamelle A auf das Piezoelement 11 wird in dem ersten Piezoelement 11 elektrische Energie erzeugt, ebenso bei Berührung mit und Ausübung eines Drucks der zweiten Bimetall-Lamelle B auf das Piezoelement 11 (2 c, 2 d).
Eine weitere Variante der Anordnung der Energiekonversionsvorrichtung 20 zeigt 3. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 1 ebenfalls zwei Bimetall-Lamellen A, B auf, die in einem Ende in der Lagerung 13 derart gelagert sind, dass das dem gelagerten Ende gegenüber liegende Ende in senkrechter Richtung zu den Grenzflächen zwischen den metallischen Schichten M 1, M2 frei beweglich sind. Die beiden Piezoelemente 11, 12 sind in der Nähe der beweglichen Enden der Bimetall-Lamellen A, B angeordnet.
Die Auslegung und das Material der Bimetall-Lamellen A, B ist in diesem Ausführungsbeispiel derart gewählt, dass bei einer ersten Temperatur T1 (3 a, 3 b) die Bimetall-Lamellen A, B das erste Piezoelement 11 berühren, darauf einen Druck ausüben und so elektrische Energie erzeugen. Bei einer zu der ersten Temperatur T1 verschiedenen Temperatur T2 (3 c, 3 d) sind die Bimetall-Lamellen A, B derart deformiert, dass sie das zweite Piezoelement 12 berühren, darauf einen Druck ausüben und elektrische Energie erzeugen.
4 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels des Aufbaus einer Energiekonversionsvorrichtung 20. Die Bimetall-Lamelle A weist zwei metallische Schichten M1, M2 auf, die jeweils mit einem Piezoelement 11, 12 beschichtet sind. Es besteht also eine permanente Kopplung zwischen den metallischen Schichten M1, M2 und den Piezoelementen 11, 12. Die Bimetall-Lamelle A ist in diesem Ausführungsbeispiel an beiden Enden derart gelagert, dass die Bimetall-Lamelle A zwischen ihren Enden in senkrechter Richtung zu den Grenzflächen der metallischen Schichten M1, M2 beweglich ist. Die Bimetall-Lamelle A weist abhängig von der Temperatur, der sie ausgesetzt ist, zwei Rastzustände auf. Aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der beiden metallischen Schichten M1, M2 deformiert sich die Bimetall-Lamelle A sowohl bei Erwärmung als auch bei Abkühlung. Diese Deformation erfolgt im Gegensatz zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen (1 - 3) nicht kontinuierlich, sondern schlagartig bei einer Sprungtemperatur.
In beiden Rastzuständen weist die Bimetall-Lamelle A eine unterschiedliche Deformation auf. Die Deformation hängt von der Temperatur ab, der es ausgesetzt ist, sowie von den ursprünglichen Eigenschaften des Materials, z.B. u.a. Dicke oder Wärmeausdehnungskoeffizienten. Der erste Piezoeffekt der Piezoelemente 11, 12 wird also bei einer ersten Piezo-Temperatur und der zweite Piezoeffekt bei einer zweiten Piezo-Temperatur erzeugt, m.a.W. im ersten Rastzustand (4 a) erzeugt die Energiekonversionsvorrichtung 20 eine unterschiedliche Menge elektrischer Energie pro Zeiteinheit als im zweiten Rastzustand (4 b). Zusätzlich wird bei Übergang vom ersten Rastzustand in den zweiten Rastzustand eine große Menge elektrischer Leistung erzeugt.
In einer weiteren Ausführung weist die Bimetall-Lamelle A zwei Sprungtemperaturen, eine erste untere Sprungtemperatur und eine erste obere Sprungtemperatur auf. Dabei markiert jede Sprungtemperatur einen Rastzustand der Bimetall-Lamelle A. In jedem Rastzustand weist die Bimetall-Lamelle A eine Krümmung oder Verformung auf, wobei die Krümmungen oder Verformungen der Rastzustände bevorzugt entgegengesetzt zueinander sind. Das Temperaturintervall zwischen unterer und oberer Sprungtemperatur definiert den Temperatur-Einsatzbereich der Bimetall-Lamelle A.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zeigt 5. Die Vorrichtung 1 weist ein Array 100 von vier Bimetall-Lamellen A, B, C, D auf, die jeweils eine Energiekonversionsvorrichtung 20 bilden (5 a). Eine Bimetall-Lamelle A, B, C, D weist jeweils zwei metallische Schichten M1, M2 auf, die jeweils mit einem Piezoelement 11, 12 beschichtet sind. Die Bimetall-Lamellen A, B, C, D sind an beiden Enden derart gelagert, dass die Bimetall-Lamellen A, B, C, D zwischen ihren Enden in senkrechter Richtung zu den Grenzflächen der metallischen Schichten M1, M2 beweglich sind.
Jede der vier Bimetall-Lamellen A, B, C, D weist jeweils zwei Sprungtemperaturen auf, eine untere Sprungtemperatur und eine obere Sprungtemperatur (5 b): So weist die Bimetall-Lamelle A die untere Sprungtemperatur TAu und die obere Sprungtemperatur TAo auf, die Bimetall-Lamelle B die untere Sprungtemperatur TBu und die obere Sprungtemperatur TBo, die Bimetall-Lamelle C die untere Sprungtemperatur TCu und die obere Sprungtemperatur TCo und die Bimetall-Lamelle D die untere Sprungtemperatur TDu und die obere Sprungtemperatur TDo auf. Jede Bimetall-Lamelle A, B, C, D weist einen Temperatur-Einsatzbereich definiert durch das Temperaturintervall zwischen ihren jeweiligen unteren und oberen Sprungtemperaturen auf. Die jeweiligen Temperatur-Einsatzbereiche der Bimetall-Lamellen A, B, C, D überlappen sich in diesem Ausführungsbeispiel vorteilhafterweise derart, dass sie ein lückenloses Gesamt-Temperaturintervall bilden. Das Gesamt-Temperaturintervall ist dabei definiert durch die niedrigste Sprungtemperatur (hier: TAu) aller in dem Array 100 angeordneten Bimetall-Lamellen A, B, C, D, und die höchste Sprungtemperatur (hier: TDo) aller in dem Array 100 angeordneten Bimetall-Lamellen A, B, C, D. Die Vorrichtung 1 zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen weist daher ein Gesamt-Temperaturintervall zwischen den Umgebungstemperaturen TUmin und TUmax auf.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen. Die Vorrichtung 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel ein Array von fünf Energiekonversionsvorrichtungen 20, 21, 22, 23, 24 auf, die jede über eine unterschiedliche Anzahl von Bimetall-Lamellen A, A1, A2, A3, A4, B, B1, B2, B3, C, C1, C2, C3, C4, C5, D, D1, D2, D3, D4, D5, D6, E1, E2, E3, E4, E5, E6, E7 verfügt. Innerhalb einer Energiekonversionsvorrichtung 20, 21, 22, 23, 24 weisen alle Bimetall-Lamellen A, A1, A2, A3, A4, B, B1, B2, B3, C, C1, C2, C3, C4, C5, D, D1, D2, D3, D4, D5, D6, E1, E2, E3, E4, E5, E6, E7 die gleichen Temperatur-Einsatzbereiche auf. Die Energiekonversionsvorrichtung 20 weist die Bimetall-Lamellen A, A1, A2, A3, A4 auf, wobei die Bimetall-Lamellen A, A1, A2, A3, A4 untereinander die gleichen unteren sowie oberen Sprungtemperaturen aufweisen. In gleicher weisen die Bimetall-Lamellen B, B1, B2, B3 der Energiekonversionsvorrichtung 21 untereinander die gleichen unteren sowie oberen Sprungtemperaturen auf, die Bimetall-Lamellen C, C1, C2, C3, C4, C5 der Energiekonversionsvorrichtung 22 weisen untereinander die gleichen unteren sowie oberen Sprungtemperaturen auf, die Bimetall-Lamellen D, D1, D2, D3, D4, D5, D6 der Energiekonversionsvorrichtung 23 weisen untereinander die gleichen unteren sowie oberen Sprungtemperaturen auf, und schließlich weisen die die Bimetall-Lamellen E1, E2, E3, E4, E5, E6, E7 der Energiekonversionsvorrichtung 24 untereinander die gleichen unteren sowie oberen Sprungtemperaturen auf.
Vorteilhafterweise weisen die Energiekonversionsvorrichtungen 20, 21, 22, 23, 24 zueinander jedoch unterschiedliche Temperatur-Einsatzbereiche auf. indem sich die unteren und oberen Sprungtemperaturen der Bimetall-Lamellen A, B, C, D, E1 voneinander unterscheiden.
Selbst in unterschiedlichen Temperaturenbereichen erzeugt die Vorrichtung 1 daher bei Temperaturschwankungen elektrische Energie. Die elektrische Leistung der Vorrichtung 1 kann somit derart angepasst werden, dass die abgegebene elektrische Leistung optimal in dem für die Anwendung projektierten Temperaturintervall ist, selbst wenn diese Temperaturintervall einen großen Temperaturbereich umfasst.
Die Vorrichtung 1 zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen eignet sich bevorzugt zur Energieversorgung von Geräten zum Datenmonitoring in schwer zugänglichen und/oder für den Menschen gefährlichen Umgebungen. Insbesondere können auch Off-grid-Komponenten von Geräten, die in einem Netzwerk angeordnet sind mit Energie versorgt werden. Beispiele sind drahtlose Zigbee-Netze oder LoRaWAN, die Geräte zur Erfassung von Messdaten und deren Übertragung aufweisen. Die Vorrichtung 1 zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen wird in einer Umgebung eingesetzt, die Temperaturschwankungen aufweist, deren Minimal- und/oder Maximal-Temperatur außerhalb des Array-Temperaturintervalls liegen. Zur Gewährleistung des ordnungsgemäßen Betriebs der Vorrichtung 1 sind die die Zeitintervalle, in denen die Temperaturschwankungen in der Umgebung außerhalb des Array-Temperaturintervalls liegen, größer 24 Stunden, bevorzugt 7 Tage und besonders bevorzugt 28 Tage.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen
11: Erstes Piezoelement
12: Zweites Piezoelement
13: Lagerung
20, 21, 22, 23, 24: Energiekonversionsvorrichtung
100: Array
A, A1, A2, A3, A4: Erste Bimetall-Lamelle
B, B1, B2, B3: Zweite Bimetall-Lamelle
C, C1, C2, C3, C4, C5: Dritte Bimetall-Lamelle
D, D1, D2, D3, D4, D5, D6: Vierte Bimetall-Lamelle
E1, E2, E3, E4, E5, E6, E7: Fünfte Bimetall-Lamelle
M1: Erste Schicht der Bimetall-Lamelle
M2: Zweite Schicht der Bimetall-Lamelle

Claims

Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen mit • einer ersten Bimetall-Lamelle (A) gekoppelt mit einer Energiekonversionsvorrichtung (20, 21, 22, 23, 24), • einer zweiten Bimetall-Lamelle (B) gekoppelt mit einer Energiekonversionsvorrichtung (20, 21, 22, 23, 24), wobei die Energiekonversionsvorrichtung (20, 21, 22, 23, 24) mit einem Energiespeicher verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bimetall-Lamelle (A) verschieden ist von der zweiten Bimetall-Lamelle (B).
Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Bimetall-Lamellen (A, B) frei beweglich sind und eine anderer Teil der Bimetall-Lamellen (A, B) gelagert sind.
Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende der Bimetall-Lamellen (A, B) gelagert ist.
Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Bimetall-Lamellen (A, B) an zwei Positionen gelagert ist und zwischen diesen Positionen beweglich ist.
Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Bimetall-Lamellen (A, B) zwischen ihren Enden in senkrechter Richtung zur Grenzfläche zwischen den metallischen Schichten der Bimetall-Lamellen (A, B) beweglich ist.
Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Energiekonversionsvorrichtung (20, 21, 22, 23, 24) ein Piezoelement (11) und/oder ein elektret-basierter kapazitiver Konverter ist.
Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bimetall-Lamelle (A) eine untere Sprungtemperatur und eine obere Sprungtemperatur aufweist, wobei die untere und/oder die obere Sprungtemperatur der ersten Bimetall-Lamelle (A) verschieden ist von der unteren und/oder der oberen Sprungtemperatur der zweiten Bimetall-Lamelle (B).
Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bimetall-Lamelle (A) eine erste untere Sprungtemperatur und eine erste obere Sprungtemperatur aufweist, die zweite Bimetall-Lamelle (B) eine zweite untere Sprungtemperatur und eine zweite obere Sprungtemperatur aufweist, wobei die zweite obere Sprungtemperatur zweiten Bimetall-Lamelle (B) zwischen der ersten unteren Sprungtemperatur und der ersten oberen Sprungtemperatur der ersten Bimetall-Lamelle (A) liegt und/oder wobei die zweite untere Sprungtemperatur zweiten Bimetall-Lamelle (B) zwischen der ersten unteren Sprungtemperatur und der ersten oberen Sprungtemperatur der ersten Bimetall-Lamelle (A) liegt.
Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen ein Array (100) von Bimetall-Lamellen (A, B, C, D, E1) aufweist.
Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass das Array (100) eine Vielzahl von Bimetall-Lamellen (A, B, C, D, E1) aufweist.
Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen nach Anspruch 9 oder 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Bimetall-Lamellen (A, B, C, D, E1) des Arrays (100) jeweils ein Temperaturintervall zwischen unterer und oberer Sprungtemperatur der jeweiligen Bimetall-Lamelle (A, B, C, D, E1) aufweisen, wobei die Temperaturintervalle der Bimetall-Lamellen (A, B, C, D, E1) sich gegenseitig derart überlappen, dass sie ein lückenloses Gesamt-Temperaturintervall bilden.
Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen einen maximalen Temperatur-Einsatzbereich aufweist.
Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturintervall zwischen der niedrigsten unteren Sprungtemperatur und der höchsten oberen Sprungtemperatur der Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen den maximalen Temperatur-Einsatzbereich bilden.
Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die erste (A) und/oder die zweite Bimetall-Lamelle (B) mit der gleichen Energiekonversionsvorrichtung (20, 21, 22, 23, 24) gekoppelt sind.
Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die erste (A) und/oder die zweite Bimetall-Lamelle (B) mit einer zweiten Energiekonversionsvorrichtung (20, 21, 22, 23, 24) gekoppelt sind.
Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die erste (A) und/oder die zweite Bimetall-Lamelle (B) permanent mit der Energiekonversionsvorrichtung (20, 21, 22, 23, 24) gekoppelt sind.
Energiekonversionsvorrichtung (20, 21, 22, 23, 24) umfassend • eine Bimetall-Lamelle (A), • ein erstes Piezoelement (11) wobei die Bimetall-Lamelle (A) mit dem ersten Piezoelement (11) gekoppelt ist dadurch gekennzeichnet, dass die Energiekonversionsvorrichtung (20, 21, 22, 23, 24) ein zweites Piezoelement (12) aufweist, wobei das zweite Piezoelement (12) mit der Bimetall-Lamelle (A) gekoppelt ist.
Energiekonversionsvorrichtung (20, 21, 22, 23, 24) nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, dass die Bimetall-Lamelle (A) permanent mit dem ersten Piezoelement (11) gekoppelt ist.
Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen mit den Verfahrensschritten • Aufnahme oder Abgabe von Wärmeenergie in eine erste Bimetall-Lamelle (A) einer Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen • Deformation der ersten Bimetall-Lamelle (A) infolge der Temperaturschwankung • Erzeugen eines ersten Piezoeffekts durch die Deformation der ersten Bimetall-Lamelle (A) • Aufnahme oder Abgabe von Wärmeenergie in eine zweite Bimetall-Lamelle (B) einer Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen • Deformation der zweiten Bimetall-Lamelle (B) infolge der Temperaturschwankung • Erzeugen eines zweiten Piezoeffekts durch die Deformation der ersten Bimetall-Lamelle (B) dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bimetall-Lamelle (A) verschieden ist von der zweiten Bimetall-Lamelle (B).
Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bimetall-Lamelle (A) eine erste untere und eine erste obere Sprungtemperatur und die zweite Bimetall-Lamelle (A) eine zweite untere und eine zweite obere Sprungtemperatur aufweisen, wobei die erste untere Sprungtemperatur der ersten Bimetall-Lamelle (A) verschieden ist von der zweiten unteren Sprungtemperatur der zweiten Bimetall-Lamelle (B) und/oder die erste obere Sprungtemperatur der ersten Bimetall-Lamelle (A) verschieden ist von der zweiten oberen Sprungtemperatur der zweiten Bimetall-Lamelle (B).
Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen nach Anspruch 19 oder 20 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Piezoeffekt bei einer ersten Piezo-Temperatur und der zweite Piezoeffekt bei einer zweiten Piezo-Temperatur erzeugt werden, wobei die erste von der zweiten Piezo-Temperatur verschieden ist.
Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 19 bis 21 dadurch gekennzeichnet, dass bei Temperaturschwankungen über ein Temperaturintervall eine Vielzahl Bimetall-Lamellen (A, B, C, D, E1) zu jeweils unterschiedlichen Temperaturen infolge der Aufnahme oder Abgabe der Wärmeenergie deformiert werden.
Anwendung einer Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen, wobei die Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen eine erste (A) und eine zweite Bimetall-Lamelle (B) aufweisen, wobei die beiden Bimetall-Lamellen (A, B) jeweils eine obere und eine untere Sprungtemperatur aufweisen, wobei die oberen Sprungtemperaturen der beiden Bimetall-Lamellen (A, B) und/oder die oberen Sprungtemperaturen der beiden Bimetall-Lamellen (A, B) unterschiedlich sind.
Anwendung einer Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen ein Array (100) von Bimetall-Lamellen (A, B, C, D, E1) aufweist, wobei die durch die Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen erzeugte elektrische Energie in einem Netzwerk mit Off-grid-Komponenten als Energieversorgung verwendet wird.
Anwendung einer Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Array (100) ein Array-Temperaturintervall aufweist, in dem die Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen geeignet ist, Wärmeenergie in elektrische Energie umzuwandeln, wobei die Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen in einer Umgebung eingesetzt wird, die Temperaturschwankungen aufweist, deren Minimal- und/oder Maximal-Temperatur außerhalb des Array-Temperaturintervalls liegen.
Anwendung einer Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitintervalle, in denen die Temperaturschwankungen in der Umgebung außerhalb des Array-Temperaturintervalls liegen, größer 24 Stunden, bevorzugt 7 Tage und besonders bevorzugt 28 Tage sind.