DE4429029A1 - Generator für die Erzeugung elektrischer Energie - Google Patents

Description

Es ist in vielen Fällen erwünscht, elektrische Energie verfügbar zu haben, die von einem Stromnetz, von Batterien oder von Lichteinstrah­ lung (Solarzellen) unabhängig ist.

Diesem Wunsch entspricht ein erfindungsgemäßer Generator für die Erzeugung elektrischer Energie, der gekennzeichnet ist durch einen flächigen elektrischen Leiter und einen flächigen Isolator, wobei der elektrische Leiter und der Isolator unter gegenseitiger Berührung und unter Entstehung elektrostatischer Reibungselektrizität relativ zueinander bewegbar sind und zwischen dem elektrischen Leiter und einem auf einem Referenzpotential, vorzugsweise Masse, liegenden Referenzpoten­ tialleiter durch Reibungselektrizität entstandene elektrische Energie abnehmbar ist.

Ein derartiger Generator nutzt elektrostatische Energie aus, die durch Reibung entsteht, an der ein Isolator beteiligt ist. Bisher ist die Entste­ hung solcher elektrostatischer Energie infolge von Reibungselektrizität im allgemeinen als eine negative Erscheinung betrachtet und behandelt worden. Die vorliegende Erfindung macht sich diese physikalische Er­ scheinung zunutze, um von einem Stromnetz, von Batterien oder von Solarenergie unabhängig elektrische Energie zu erzeugen.

Bei dem erfindungsgemäßen Generator wird elektrostatische Energie in Form von Reibungselektrizität gezielt zwischen einem flächigen elek­ trischen Leiter und einem flächigen Isolator erzeugt, die unter Aus­ nutzung von ohnehin vorhandenen Bewegungen in Relativbewegung zueinander gebracht werden und damit in einen Zustand, in welchem sie elektrostatische Energie abgeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Generator sind keine "makroskopischen" Bewegungen erforderlich, sondern es werden "mikroskopische" Relativ­ bewegungen zwischen dem elektrischen Leiter und dem Isolator ausge­ nutzt. Es ist somit keine starke Bewegung nötig. Deshalb lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Generator auch Bewegungen mit sehr geringem Bewegungsausschlag zur Erzeugung elektrischer Energie ausnutzen. Makroskopisch gesehen ist dieser Generator quasi-statisch oder ruhend.

Nicht nur Körperbewegungen wie Laufen sondern auch geringere Bewe­ gungen, z. B. durch Atmen oder Herzschlag ausgelöst, können den Gene­ rator zur Abgabe elektrostatischer Energie anregen.

Mit der von einem erfindungsgemäßen Generator erzeugten elektrischen Energie kann man beispielsweise auch Leuchtelemente wie Leuchtdio­ den, elektrische Armband- oder Taschenuhren, Flüssigkristallanzeigeein­ richtungen, mit geringer elektrischer Energie betreibbare Schaltungsein­ richtungen, insbesondere in MOS-Technologie, usw. betreiben. Bei­ spielsweise kann man an Fahrrädern, Kraftfahrzeugen, Schulranzen und Bekleidungsstücken Leuchteinrichtungen anordnen, die von einem erfin­ dungsgemäßen Generator mit elektrischer Energie gespeist werden und im Dunkeln dann, wenn das Fahrrad, das Kraftfahrzeug oder die den Schulranzen oder das Bekleidungsstück tragende Person sich bewegt, mindestens als Notbeleuchtung dienen können. Wenn beispielsweise bei einem Fahrrad oder bei einem Kraftfahrzeug eine Leuchte, beispiels­ weise Rückleuchte, infolge Ausfalls einer Glühlampe dunkel bleibt, könnte mit einem erfindungsgemäßen Generator und mit einer mit wenig elektrischer Energie auskommenden Leuchteinrichtung, die beispiels­ weise eine oder mehrere Leuchtdioden aufweist, eine Notbeleuchtung aufrechterhalten werden.

Eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Generators liegt im Bereich der Mode, des Sportes und des Sicherheitsbereichs. Klei­ dungsstücke können mit flächigen Generatoren vorbestimmten Musters, z. B. Warnsymbole, Schriftzüge, Logos usw., versehen werden, denen flächige Leuchtelemente, vorzugsweise mit dem gleichen Muster, zu­ geordnet, beispielsweise überlagert werden.

Eine andere Anwendung des erfindungsgemäßen Generators in Zusam­ menhang mit einer Leuchteinrichtung könnte eine Signalgabevorrichtung sein, die dann, wenn eine mit einem erfindungsgemäßen Generator versehene Einrichtung in Bewegung gerät, ein beispielsweise optisches Warnsignal abgibt.

Spezielle Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Generators sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 angegeben. Gemäß Anspruch 11 kann der Generator mit einem Puffer zum Zwischenspeichern der vom Generator gelieferten elektrischen Energie versehen werden. Dies insbesondere für den Fall, daß elektrische Energie nicht nur während des Vorhandenseins von Bewegungen sondern auch dazwischen verfügbar sein soll.

Die Ansprüche 12 und 13 sind auf eine Beleuchtungseinrichtung bzw. eine elektrische Armband- oder Taschenuhr mit einem erfindungsge­ mäßen Generator gerichtet.

Materialien, die sich für den erfindungsgemäßen Generator besonders eignen, sind ebenfalls in den Unteransprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäße Generator aus elektrischem Leiter und Isolator kann von einem leitenden Schirm umschlossen sein, um Störfelder, die durch die elektrostatische Energie des Generators bei dessen Bewegun­ gen erzeugt werden, nicht nach außen dringen zu lassen, wo sie andere Geräte stören könnten. Ein solcher Schirm kann auch gleich als Refe­ renzpotentialelektrode, insbesondere Masseelektrode, eingesetzt werden, wobei die von dem Generator erzeugte elektrische Energie zwischen dem elektrischen Leiter und dem Schirm abgenommen werden kann.

Den elektrischen Leiter und den Isolator, gegebenenfalls auch den elek­ trischen Schirm, kann man zum mechanischen und/oder chemischen Schutz insgesamt in einer Kunststoffhülle unterbringen.

In allen Fällen ist lediglich dafür Sorge zu tragen, daß eine Relativbewe­ gung zwischen dem elektrischen Leiter und dem Isolator des Generators möglich bleibt, damit elektrostatische Energie in Form von Reibungs­ elektrizität erzeugt werden kann.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsformen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen je in Querschnittdarstellung:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Generators gemäß der Erfindung zusammen mit einer Masseplatte;

Fig. 2 den in Fig. 1 gezeigten Generator mit einem Verbraucher in Form einer Leuchtdiode;

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines Generators gemäß der Erfindung;

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform eines Generators gemäß der Erfindung.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Darstellungen von Generatoren in den Fig. 1 bis 4 schematisch und nicht unbedingt maßstabsgetreu sind.

Fig. 1 zeigt in schematischer Querschnittdarstellung eine erste Ausfüh­ rungsform eines band- oder mattenförmigen Generators 43 mit einem flächigen elektrischen Leiter 45 und einem flächigen Isolator 47, die unter gegenseitiger Berührung und relativ zueinander bewegbar parallel aneinander liegen. Auf der vom elektrischen Leiter 45 abliegenden Seite des Isolators 47 befindet sich eine Masseplatte 49.

Der elektrische Leiter 45 und der Isolator 47 in Fig. 1 sind relativ zu­ einander beweglich, um die Erzeugung von Reibungselektrizität bei von außen auf den Generator 43 einwirkenden Bewegungen zu ermöglichen.

Fig. 2 zeigt den in Fig. 1 dargestellten Generator in einer Anwendung als Stromquelle für eine Leuchteinrichtung in Form einer Leuchtdiode 51. Diese ist zwischen den relativ zum Isolator 47 beweglichen elek­ trischen Leiter 45 und die Masseplatte 49 geschaltet. Für den Fall, daß elektrische Energie auch zu Zeiten der Nicht-Bewegung des Generators vorhanden sein soll, kann ein Puffer-Speicher für elektrische Energie vorgesehen werden. Dieser ist in Fig. 2 symbolisch als Kondensator 53 dargestellt, und zwar gestrichelt.

Fig. 3 zeigt in schematischer Querschnittsansicht eine zweite Ausfüh­ rungsform eines band- oder mattenförmigen Generators 23 gemäß der Erfindung, der einen band- oder mattenförmigen, innenliegenden elek­ trischen Leiter 25, einen diesen vollständig umgebenden Isolator 27 und einen den Isolator 27 vollständig umgebenden elektrischen Schirm 29 aufweist.

Fig. 4 zeigt in schematischer Querschnittsdarstellung eine dritte Ausfüh­ rungsform eines band- oder mattenförmigen Generators 31, der den Aufbau des in Fig. 3 gezeigten Generators 23 hat, jedoch zusätzlich einen den elektrischen Schirm 29 vollständig umschließenden Außen­ isolator 23 aufweist.

Bei den Generatoren 23 und 31 gemäß Fig. 3 bzw. 4 sind der Innenlei­ ter 25 und der Isolator 27 relativ zueinander bewegbar, um bei auf den Generator einwirkenden Bewegungen eine Reibung zwischen beiden und daraus resultierend elektrostatische Energie in Form von Reibungselek­ trizität entstehen zu lassen, mit welcher ein elektrischer Verbraucher gespeist werden kann. Dabei kann der elektrische Schirm 29 als Referenzelektrode, die beispielsweise auf Massepotential gelegt ist, dienen.

Die elektrischen Leiter 25 und 45 können aus einer Folie aus einem faden- oder folienartigen elektrisch leitenden Material wie zum Beispiel Kupfer oder aus einem elektrisch leitenden Kunststoff bestehen. Im letzteren Fall können sie aus mit Graphit gefülltem, expandierten PTFE, leitfähigem Polyimid, einem leitfähigen Fluorthermoplast wie zum Beispiel PFA bestehen oder aus allen anderen leitfähigen Materialien und leitfähig beschichteten Materialien.

Der elektrische Schirm 29 kann aus den gleichen Materialien bestehen.

Die Isolatoren 27 und 47 können aus expandiertem PTFE (Polytetra­ fluorethylen), nicht leitendem Polyimid, einem nicht leitenden Fluor­ thermoplast, wie zum Beispiel PFA (Perfluoralkoxy) oder FEP (Fluor­ ethylenpropylen), oder aus allen anderen hochohmigen isolierenden Materialien bestehen.

Der Außenisolator 33 kann aus PTFE, expandiertem PTFE, PVC (Poly­ vinylchlorid), PU (Polyurethan) und ähnlichen isolierenden Kunststoffen bestehen.

Bei einer Ausführungsform, die wegen ihres besonders hohen Wirkungs­ grades bevorzugt wird, bestehen der elektrische Leiter 25 bzw. 45 und der elektrische Schirm 29 bzw. die Masseplatte 49 aus einer Folie aus mit Graphit gefülltem expandierten PTFE und besteht der Isolator 27 bzw. 47 aus Kapton (Poly-(diphenyloxid-pyromellith-imid)).

Zur elektrischen Kontaktierung eines flächigen, folienförmigen elektrischen Leiters 25 bzw. 45 und eines flächigen, folienförmigen elektrischen Schirms 29 eignet sich besonders gut ein Faltflächenkontakt, wie er in der eigenen, gleichzeitig eingereichten deutschen Patentanmel­ dung P . . . (Anwaltsaktenzeichen: K 39 988/6) mit dem Titel "Faltflä­ chenkontakt" beschrieben ist, deren Inhalt hiermit in die Offenbarung der vorliegenden Anmeldung mit einbezogen wird.

Claims (14)

1. Generator für die Erzeugung elektrischer Energie, gekennzeichnet durch

• a) einen flächigen elektrischen Leiter (25; 45) und
• b) einen flächigen Isolator (27; 47), wobei
• c) der elektrische Leiter (25; 45) und der Isolator (27; 47) unter gegenseitiger Berührung und unter Entstehung von elektrostatischer Reibungselektrizität relativ zueinander bewegbar sind und
• d) zwischen dem elektrischen Leiter (25; 45) und einem auf einem Referenzpotential, vorzugsweise Masse, liegenden Referenzpotentialleiter (29; 49) durch Reibungselektrizität entstandene elektrische Energie abnehmbar ist.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator Band- oder Mattenform aufweist und daß der elek­ trische Leiter (25) und der Isolator (27) koaxial zueinander angeordnet sind.

3. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator Band- oder Mattenform aufweist und daß der elek­ trische Leiter (45) und der Isolator (47) in zueinander parallelen Ebenen angeordnet sind.

4. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der elektrische Leiter (25) und der Isolator (27) von einem beide umgebenden elektrisch leitenden Schirm (29) umschlossen sind.

5. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Generator eine Masseelektrode (29; 49) als Träger des Referenzpotentials zugeordnet ist.

6. Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende Schirm (29) als Masseelektrode fungiert.

7. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Material des elektrischen Leiters (25; 45) ausgewählt ist aus der Materialgruppe elektrisch leitende Metalle, elektrisch leitfähige Kunststoffe, wie insbesondere leitfähiges expandiertes Polytetrafluorethylen (PTFE), leitfä­ higes Polyimid und leitfähige Fluorthermoplaste wie z. B. PFA und FEP.

8. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Material des Isolators (27; 47) ausgewählt ist aus den Materialgruppen Kapton, expandiertes PTFE, Polyimid und Fluorthermoplaste, wie z. B. PFA und FEP.

9. Generator nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Material des elektrischen Schirms (29) aus­ gewählt ist aus der Materialgruppe Kupferfolie und leitfähiges expandiertes PTFE.

10. Generator nach den Ansprüchen 7 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß der elektrische Leiter (25; 45) und, falls vorhanden, der elektrische Schirm (29) aus mit Graphit gefülltem expandierten PTFE und der Isolator (27; 47) aus Kapton® be­ stehen.

11. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Generator einen Puffer (53) zum Zwischen­ speichern der vom Generator gelieferten elektrischen Energie aufweist.

12. Beleuchtungseinrichtung, gekennzeichnet durch einen Generator nach einem der An­ sprüche 1 bis 11 und ein von dem Generator gespeistes Leucht­ element (51).

13. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator ein vorbestimmtes flächiges Muster, z. B. in Form eines Warnsymbols, Schrift­ zuges, Logos oder dergleichen aufweist und daß dem Generator eine flächige Leuchteinrichtung mit dem gleichen Muster zu­ geordnet, beispielsweise überlagert ist.

14. Bekleidungsstück, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einer Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 13 versehen ist.