DE19622470A1 - Verfahren zur Umwandlung der bei mobilen schwingungsbelasteten Konstruktionen auftretenden Vibrationen in elektrische Energie unter Nutzung des piezoelektrischen Effekts - Google Patents

Verfahren zur Umwandlung der bei mobilen schwingungsbelasteten Konstruktionen auftretenden Vibrationen in elektrische Energie unter Nutzung des piezoelektrischen Effekts

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Pentscho Prof Dr Ing Pentschew
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/186Vibration harvesters
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63JAUXILIARIES ON VESSELS
    • B63J3/00Driving of auxiliaries
    • B63J3/04Driving of auxiliaries from power plant other than propulsion power plant

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung der bei "mobilen" schwingungsbelasteten Konstruktionen auftretenden Vibrationen in elektrische Energie unter Nutzung des piezoelektrischen Effekts.
Die Nutzung des direkten piezoelektrischen Effekts zur Energie­ umwandlung ist bekannt.
In der WO 85/01324 ist eine Vorrichtung zur Umwandlung der Meereswellenenergie in elektrische Energie beschrieben, die piezoelektrische Folien dazu nutzt. Dabei handelt es sich um einen Folienteppich, der durch die Wellenbewegung direkt beaufschlagt wird und sich verformt. Diese Verformungen haben mechanische Spannungen zur Folge, die ihrerseits in den piezoelektrischen Elementen elektrische Ladungen freisetzen.
In DE 35 30 425 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gleichzeitigen mechanischen Impulserregung von Piezoelement-Generatoren zur mit hohem Wirkungsgrad durchführbarer Erzeugung verwertbarer elektrischer Signale von jeweils erwünschter Größe und Leistung vorgeschlagen. Als Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist eine mehrere Tauchkolben aufweisende Einrichtung für die gleichzeitige mechanische Impulserregung von Piezoelement-Generatoren zur Erzeugung elektrischer Signale vorgesehen, die eine Baueinheit mit einer für das Anlegen eines Anfangdruckes mittels eines hydraulischen oder eines pneumatischen Antriebes dienenden Kammer mit einer in dieser angeordneten, mit den Tauchkolben verbundenen Scheidewand bildet.
Nach DE 32 10 438 ist elektromechanischer Wandler auf Piezobasis beschrieben, der auf wenigstens einer seiner Flachseite zur Kraftübertragung mit einem Elastomer versehen ist. Seine Aufgabe besteht darin, die bekannten Signalgeber zu verbessern, insbesondere soll durch die Gestaltung der Vorrichtung zur Übertragung der Belastung auf den Piezokörper der Piezoeffekt durch die seitliche Dehnung in Richtung der Flachseiten des Piezokörpers verstärkt werden. In einer besonderen Ausführungs­ form ist an beiden Flachseiten der Piezokörper einander gegen­ über ein Elastomer angeordnet.
Weitere Verfahren zur Nutzung piezoelektrischer Elemente auf dem Gebiet der Meereswellenenergienutzung sind in DE 43 39 306 und DE 43 39 307 beschrieben worden. Hierbei werden in großräumigen Objekten, beispielsweise in Senkkästen oder in deformierbare Rohrbündel, piezoelektrische Kristallfolien angeordnet, die infolge von Meereswellenenergie durch Druckschwankungen Verformungen ausgesetzt sind und mittels des piezoelektrischen Effekts Strom erzeugen.
Der Nachteil dieser Lösungen besteht darin, daß die Anordnung der piezoelektrischen Kristallfolien an großflächige und aufwendige Konstruktionen gebunden sind. Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die ansonsten als negativ gesehenen mechanischen Schwingungen bei "mobilen" Konstruktionen, wie Schiffspropeller, Achsschenkel von Fahrzeugen, Tragflügelholme von Flugzeugen, Zylinderköpfe von Verbrennungsmotoren, stark frequentierte Eisenbahn- und Straßenbrücken u. a. auf unkomplizierte Weise mittels des piezoelektrischen Effekts in nutzbare elektrische Energie umzuwandeln.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß an geeigneten Stellen unter- und/oder oberhalb der Oberfläche bzw. innerhalb entsprechender Bauteile piezoelektrische Elemente in Form von Folien oder Keramiken angeordnet werden, die durch wechselnde Drücke bzw. Verformungen belastet werden und somit eine verwertbare elektrische Energie erzeugen.
Weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt. Danach werden piezoelektrische Folien in die Flügel von Schiffspropellern eingegossen, um die aus der Inhomogenität des Nachstromfeldes resultierenden Durchschwankungen in elektrische Energie umzuwandeln.
Weiter ist es möglich, piezoelektrische Folien auf dem Schiffsboden im Vorschiff oder im Schiffsbrunnen anzuordnen, um die Druckschwankungen, resultierend aus Slamming und Propeller­ drehung in elektrische Energie umzuwandeln.
Möglich ist auch, piezoelektrische Folien in Form von Dichtungsringen zwischen dem Zylinderkopf und dem Zylinder von Verbrennungsmotoren anzuordnen, um die aus der Verbrennung resultierenden Druckschwankungen in elektrische Energie umzuwandeln.
Es ist auch möglich, piezoelektrische Elemente unter den Maschinenfundamenten von Schiffshaupt- und -hilfsmaschinen anzuordnen, um die Schwingungen während des Betriebes des Motors in verwertbare elektrische Energie umzuwandeln.
Es ist weiter möglich, piezoelektrische Elemente in der Mantelfläche und/oder auf der Innenseite der Bereifung von Straßenfahrzeugen anzuordnen, um die aus der Rotation resultierende wechselnde Druckbelastung in verwertbare elektrische Energie umzuwandeln.
Die Anordnung von piezoelektrischen Folien auf die Tragflügel­ holme von Flugzeugen ermöglicht, die bei Start, Flug und Landung entstehenden Verformungsschwankungen in elektrische Energie umwandeln.
Die Anordnung von piezoelektrischen Folien an geeigneten Stellen auf stark frequentierten Eisenbahn- und Straßenbrücken ermöglicht, die aus dem Verkehr resultierenden Verformungs­ schwankungen in verwertbare elektrische Energie umzuwandeln.
Die Anordnung von piezoelektrischen Folien in den Achsschenkeln von Straßenfahrzeugen ermöglicht weiter, die Schwingungen während der Fahrt in verwertbare elektrische Energie umzu­ wandeln.
Der Vorteil der Erfindung liegt in der Senkung des Rohstoffver­ brauchs für die Energieerzeugung und von zusätzlichem Aufwand für den Bau bzw. die Herstellung von Trägerobjekten, da Elektro-Energie aus laufenden Prozessen zurückgewonnen wird.
Die Erfindung wird anhand von ausgewählten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schiffspropeller,
Fig. 2 das Heck eines Schiffes,
Fig. 3 den Bug eines Schiffes.
Nach Fig. 1 ist unter der Oberfläche des Schiffspropellers 1 eine piezoelektrische Folie 2 derart angeordnet, daß deren entstehenden elektrische Ladungen auf hier nicht näher beschriebene Weise über die Propellernabe 3 abgeführt werden.
Nach Fig. 2 sind am Heck eines Schiffes insbesondere im Bereich des Propellerbrunnens 4 piezoelektrische Elemente 2 angeordnet, um die aus der Propellerdrehung resultierenden Druckschwankungen in elektrische Energie umzuwandeln.
Nach Fig. 3 sind im Bugbereich eines Schiffes auf dem Innenboden 5 piezoelektrische Elemente 2 angeordnet, um die vorzeichenwech­ selnden Druckbeaufschlagungen in verwertbare elektrische Signale umzuwandeln.

Claims (7)

1. Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie durch Umwandlung der Schwingungsenergie "mobiler" Konstruktionen mittels des piezoelektrischen Effekts, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Oberfläche und/oder innerhalb belasteter Bauteile von Maschinen, Motoren, Fahrzeugen, Brücken u.ä. Einrichtungen piezoelektrische Elemente in Form dünner Folien und/oder Keramiken angeordnet sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß piezoelektrische Folien (2) in die Flügel von Schiffspropellern (1) eingegossen sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß piezoelektrische Folien (2) im Schiffsbrunnen (4) angeordnet sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß piezoelektrische Elemente (2) auf dem Schiffsboden (5) im Vorschiff angeordnet sind.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß piezoelektrische Elemente (2) in Form von Dichtungsringen zwischen dem Zylinderkopf und dem Zylinder von Verbrennungs­ motoren angeordnet sind.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß piezoelektrische Folien (2) unter den Maschinenfundamenten von Schiffshaupt- und -hilfsmaschinen angeordnet sind.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß piezoelektrische Elemente (2) in der Mantelfläche und/oder auf der Innenseite der Bereifung von Straßenfahrzeugen angeordnet sind.
DE1996122470 1996-06-05 1996-06-05 Verfahren zur Umwandlung der bei mobilen schwingungsbelasteten Konstruktionen auftretenden Vibrationen in elektrische Energie unter Nutzung des piezoelektrischen Effekts Withdrawn DE19622470A1 (de)

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