WO2011069851A1 - Miniaturisiertes energieerzeugungssystem - Google Patents

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WO2011069851A1
WO2011069851A1 PCT/EP2010/068379 EP2010068379W WO2011069851A1 WO 2011069851 A1 WO2011069851 A1 WO 2011069851A1 EP 2010068379 W EP2010068379 W EP 2010068379W WO 2011069851 A1 WO2011069851 A1 WO 2011069851A1
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WO
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energy
generation system
piezoelectric
housing
ees
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PCT/EP2010/068379
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English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Frey
Ingo KÜHNE
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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Priority to EP10788285A priority patent/EP2510559A1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/185—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators using fluid streams
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/304—Beam type
    • H10N30/306—Cantilevers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings

Definitions

  • Miniaturized power generation system relates to a power generation system, in particular formed as an integrated miniaturized Energyer ⁇ generating system. Furthermore, the invention relates to a method for providing energy for energy self-sufficient systems. Actuators and sensors based on MEMS (Micro Electro mechanization cal Systems) technology, are increasingly being incorporated is ⁇ . Actuator are particularly interesting here or sensor ⁇ nodes and networks that work energy self-sufficient. Such systems do not obtain the electrical energy necessary for the operation of individual components from a mains supply or a battery but via a suitable energy converter from the environment.
  • MEMS Micro Electro mechanization cal Systems
  • the time required for the operation of the Rei ⁇ Pressure Monitoring power is supplied from a battery.
  • the battery limits the life of the tire pressure monitoring system.
  • the object of the present invention is to provide a miniaturized power generation system which has an external tarke power supply and control for decentralized systems, especially in industrial environments.
  • a power generation system in particular designed as an integrated miniaturized power generation system, comprising:
  • a piezoelectric energy converter for converting mechanical energy into electrical energy, with Minim ⁇ least a piezoelectric element in which a caused by a flow of fluid mechanical force may be coupled such that the piezoelectric Ele ⁇ element is excited to mechanical vibrations;
  • a housing having a housing chamber in which the piezoelectric element is arranged and through which the flow of fluid can be passed;
  • the change in volume causes a conversion of mechanical deformation energy into fluidic pressure energy
  • an integrated circuit for energy management of the energy provided by the piezoelectric energy converter.
  • ASIC integrated circuit
  • Fluid flow is thereby conducted past a suitably handled ⁇ ended piezoelectric element that the ⁇ ses is excited to mechanical vibrations.
  • This me ⁇ chanical vibrations are used to generate electrical energy.
  • the energy obtained is processed by Ener ⁇ giemanagementsystem (power management ASIC) and made (decentralized actuators or sensors for example) available to a consumer.
  • the fluid is preferably a gas or gas mixture.
  • a fluid in the form of a liquid is preferably electrically insulating.
  • the housing in which the piezoelectric element ⁇ is arranged and through which the fluid flow can be passed through a fluid flow inlet and a fluid flow outlet.
  • the fluid flow inlet ⁇ relationship through the fluid flow outlet the fluid flows into the housing chamber or out of the housing chamber. The fluid is thereby conducted past the piezoelectric element and makes it vibrate.
  • a first advantageous embodiment of the invention is that by the means for varying the volume of the housing, a pressure surge or a pressure suction of the fluid flow is er ⁇ he witnessed.
  • This makes it possible to use the inventive energy ⁇ generating system in any dynamically deformable environments.
  • the means for changing the volume of the hous ⁇ ses are formed by an elastically deformable wall of the housing or a part of the housing.
  • ⁇ tel for varying the volume of the housing is a pressure shock or generates a Drucksog of the fluid stream. Due to the pressure surge or the pressure suction, the piezoelectric element is excited to me ⁇ chanical vibrations. In a fluidic shock excitation undergoes the piezoelectric element, such as the piezo-flag, a decaying vibration. The piezoelectric effect produces a periodic charge separation between the electrodes. The resulting charge flow is then available externally as electrical energy. To ensure that the force of the pressure surge or the Drucksogs can be coupled into the piezoelectric element efficiently, for example, the piezoelectric element is curved or there are on its surface suitable Anströmungsgeo- metrics or the flow is directly perpendicular.
  • the elastically deformable wall is, for example, a wall of a cavity in the casing of a car tire.
  • the elas ⁇ table deformable wall is connected to the car tire in such a way that a defined deformation of the tire contact area (footprint) to a defined deformation of the
  • Wall of the cavity leads to a defined deformation of the cavity. Due to the defined deformation of the cavity, a defined pressure surge is formed. Thereby, the tire itself can provide the energy necessary for the operation of the tire sensor.
  • the be ⁇ signed deformations are independent of the driving speed. It is only a frequency of the formation of pressure surges dependent on the driving speed.
  • a membrane is also conceivable, which is part of the housing wall.
  • the elastically deformable wall is, for example egg ⁇ ne rubber membrane.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that the means for changing the volume of the hous ⁇ ses are formed by deformable mechanical parts of the housing or ei ⁇ nes part of the housing.
  • the piezoelectric element has a multilayer ⁇ construction with MEMS layers (ie in Micro Electro Mechanical Systems - technology).
  • the piezoelectric element has a layer sequence of electrode layer, piezoelectric ⁇ shear layer and further electrode layer.
  • the electrode material of the electrode layers can consist of various metals or metal alloys.
  • Examples of the electrode material are platinum, titanium and a platinum / titanium alloy. Also conceivable are non-metallic, electrically conductive materials.
  • the piezoelectric layer may also consist of different materials ⁇ lichsten. Examples include piezoelectric ceramic materials such as lead zirconate titanate
  • PVDF polyvinylidene difluoride
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the piezoelectric element has a piezo-flag.
  • the piezoelectric element is designed as a Biegele ⁇ ment, preferably as a piezo-flag.
  • the bending element is for example a piezoelectric bending belt ⁇ ler.
  • ceramic green sheets printed with a metallization for the electrode layers are stacked on top of one another and are sintered. tert.
  • the result is a monolithic bending transducer.
  • the bending transducer can be configured arbitrarily, for example bimorph.
  • MEMS technology is particularly suitable for realizing the bending transducer.
  • the layer thicknesses of the electrode layers are 0.1 .mu.m to 0.5 .mu.m.
  • the piezoelectric element is designed as a thin piezoelectric diaphragm or beam.
  • the piezoelectric element has a very low mass. In addition, such a piezoelectric element can easily become mechanical
  • a carrier layer may be provided, for example a carrier layer of silicon, polysilicon, silicon dioxide (SiO 2) or silicon nitride (S 13 N 4 ).
  • a layer thickness of the Trä is ⁇ carrier layer from the range of 1 ym to 100 ym ⁇ be selected.
  • the carrier layer is optional.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that the piezo-flag has a substantially triangular base. This causes a high efficiency in energy conversion.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that the piezoelectric element is formed as a membrane ⁇ forms and the fluid flow impinges substantially perpendicular to the membrane and wherein the membrane has at least two intersecting membrane slots.
  • the piezoelectric membrane has a layer sequence of electrode layer, piezoelectric layer and others Electrode layer on. Several such layer sequences can thereby be stacked so that a multi-layer construction with ⁇ stacked, alternately arrange ⁇ th electrode layers and piezoelectric layers re- consulted.
  • the membrane may have a substantially circular base surface, but it is also rectangular Membra ⁇ nen conceivable.
  • a deflection (deformation) of the piezoelectric layer which is caused by applying a mechanical force to the piezoelectric layer, leads to Ladungsver ⁇ shift or charge separation in the piezoelectric
  • the electrode material of the electrode layers can consist of a wide variety of metals or metal alloys. Examples of the electrode material are platinum, Ti ⁇ tan and a platinum / titanium alloy. Also conceivable are non-metallic, electrically conductive materials.
  • the piezoelectric layer may also consist of different materials ⁇ lichsten. Examples include piezoelectric ceramic materials such as lead zirconate titanate (PZT), zinc oxide (ZnO) and aluminum nitride (A1N). Piezoelectrical organic materials such as polyvinylidene difluoride
  • PVDF polytetrafluoroethylene
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the energy converter can have lateral dimensions of a few mm to a few cm. The same applies to lateral dimen ⁇ measurements of the membrane.
  • the layer thicknesses of the layers of the membrane range from a few ym to a few mm.
  • the piezoelectric membrane is in the energy converter so ⁇ introduced that the fluid flow substantially perpendicular to them and makes them vibrate.
  • the membrane slots substantially intersect at the center of the membrane and form triangles in the membrane structure.
  • a lateral membrane diameter (diameter of a membrane opening of the membrane slit) is a few ym.
  • the membrane ⁇ diameter is selected for example from the range of up to ei ⁇ Nigen mm.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that the piezoelectric energy converter has piezoelectric elements with a substantially triangular base, which are arranged so that a substantially square base area results, and wherein the
  • the piezoelectric elements are connected via their respective side edges with the inside of the energy ⁇ converter or with a fluid flow guide of the energy converter. The arrangement ensures efficient energy conversion.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that a plurality of piezoelectric energy converters are connected in series.
  • the energy produced ⁇ amount is increased. It is thus also supplied systems ⁇ to that require larger amounts of energy. Furthermore, this allows the power generation system to be scaled with respect to the required energy.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that the integrated circuit (ASIC) for Energymana ⁇ ABERGEMENT an energy-independent sensors and / or actuators comparable is used.
  • the integrated circuit (ASIC) for Energyma ⁇ management of the energy provided by the piezoelectric energy converter allows the respective energy requirements of the system to be supplied decentralized reasonable fit energy supply. This allows the energy available to the consumer to be adjusted and maximized.
  • the object is further achieved by a method for loading riding provide energy for self-powered systems by order ⁇ convert mechanical energy into electrical energy using an energy generation system according to one of claims 1 to 8 by coupling of an evoked by the fluid flow force in the piezoelectric element so that the piezoelectric element is excited to mechanical Schwingun ⁇ gene and wherein by the integrated circuit (ASIC), the amount of energy for a system demand supplied ⁇ leads is.
  • ASIC integrated circuit
  • the demand made available Ener gy ⁇ allows, the particular requirements in each case adjusted optimal energy consumption. This increases the performance and reliability of the supplied decen ⁇ spectral systems (such as actuators, sensors).
  • a further advantageous embodiment of the invention is that a stationary fluid flow is used. It is possible that a stationary (time invariant) fluid flow is used to generate the mechanical vibrations of the piezoelectric element. For this purpose, for example, a fluid flow obstacle is placed in the housing chamber. By passing the fluid flow past the fluid flow obstruction, turbulences occur that cause a freely movable piezo element to vibrate.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that a temporally changing fluid flow is used.
  • the time-varying fluid flow is not only by a pressure surge or Drucksog, but also by permanent pressure fluctuations are triggered, as they übli ⁇ chholder occur in car tires during unwinding.
  • the power generation system can be used in places that are already present (e.g., conveyors, rubber boots, tires) without requiring rebuilding measures without affecting the existing environment (this is made possible, in particular, by the miniaturized design used in MEMS technology).
  • the energy generation system enables a self-sufficient and targeted (scaled) energy supply for decentralized
  • the integrated circuit (ASIC) for energy management of the energy provided by the piezoelectric energy converter enables an adjusted the respective energy requirements of the to be supplied decentralized system energy ⁇ supply (for example, in standby mode: little energy, in the load mode: a lot of energy). It is also possible to provide (for example, capacitor) with the ASIC ei ⁇ nem energy storage. As a result, the energy management can be further optimized.
  • the piezoelectric energy converter can be operated resonantly, ie with the resonant frequency of the / the piezoelectric beam / membrane. He does not have to. It can thus be operated broadband (frequency range from a few Hz to a few hundred kHz) with consistently high efficiency (provided sufficient mechanical energy is available available) regarding the conversion of mechanical energy into electrical energy.
  • Energy converter for use in the power generation system according to the invention in a lateral cross section, 2 shows a second example of a piezoelectric
  • FIG. 3 shows a piezoelectric diaphragm in plan view, to Ver ⁇ application in a piezoelectric energy converter
  • FIG 4a a first example schematic image of the inventive power generation system in Oxford ⁇ stood
  • FIG 4b is a second exemplary schematic diagram of the OF INVENTION ⁇ to the invention the power generation system area with a reduced chamber volume
  • 4C is a third exemplary schematic diagram of the OF INVENTION ⁇ to the invention the power generation system with expan ⁇ diertem chamber volume
  • FIG 5 shows a tire from the side with the tire contact area, as an example of the use of the power generation system
  • FIG 6 according to the invention, an exemplary piezoelectric flag (or egg ⁇ NEN piezoelectric bending beam) having a substantially triangular base, and
  • FIG. 7 shows an exemplary arrangement of piezoelectric elements.
  • FIG. 1 shows a first example of a piezoelectric energy converter EW for use in the energy generation system EES according to the invention (FIGS. 4a-4c) in a lateral cross section.
  • the piezoelectric energy converter EW is ver ⁇ applies for converting mechanical energy into electrical energy.
  • the energy converter EW has a piezoelectric element PE.
  • the piezoelectric element PE has a Layer sequence of electrode layer ES, piezoelectric layer and further electrode layer on.
  • the piezoelectric element PE ⁇ cal is based on MEMS technology.
  • the piezo ⁇ electric layer is a piezoceramic layer PKS with lead zirconate titanate. Alternatively, the piezoceramic layer comprises aluminum nitride or zinc oxide.
  • the electro ⁇ den slaughteren ES are made of platinum.
  • the conclusion is an optional support layer TS of silicon nitride. Alternatively, as ⁇ to the carrier layer of silicon dioxide.
  • the piezoelectric element PE is arranged in a housing chamber GK of a housing G. It is ensured that the fluid flow FS is passed to the piezoelectric element PE over. In this case, a pre called by the fluid stream FS manufacturing mechanical force is ⁇ coupled into the piezoelectric element PE. It comes to the deflection AL of the piezoelectric element PE and, as a result, to the charge separation, based on which electrical energy can be obtained via the electrodes.
  • Fluidstrom- FSE inlet and a fluid stream outlet FSA are integrated in the housing G and ge ⁇ genüber apart. It will be obvious to one of ordinary skill in the art that other arrangements or forms are possible for fluid flow inlet FSE and fluid flow outlet FSA. Fluid flow inlet FSE and fluid flow outlet FSA Kings ⁇ NEN also be arranged on the same side of the housing or to ⁇ brought. Furthermore, it is also possible to use a single (common) opening of the housing G for fluid flow inlet FSE and fluid flow outlet FSA.
  • the piezoelectric element PE is a bent piezo-flag.
  • the piezo-flag is designed such that the piezo-flag is excited to vibrate by the passing of the fluid flow FS and thus by the coupling of the mechanical force.
  • FIG. 2 shows a second example of a piezoelectric energy converter EW for use in the energy generation system EES according to the invention (FIGS. 4a-4c), likewise in a lateral cross section.
  • the housing includes means G Wl for varying the volume of the Gezza ⁇ ses.
  • the means Wl for changing the volume of the housing, the generation of a pressure surge or a pressure suction of the fluid flow FS.
  • These means are for example a cavity having an elastically deformable wall Wl.
  • the elastically deformable wall Wl for generating the pressure surge or the pressure suction can be integrated into the housing G.
  • the wall is a rubber membrane.
  • FIG 2 shows only one housing opening which can be used for the fluid flow inlet FSE and the fluid flow outlet FSA.
  • Figure 3 shows a piezoelectric membrane M in plan view, for use in a piezoelectric energy converter EW, suitable for use in the power generation system according to the invention EES (FIG 4a - 4c).
  • EES piezoelectric energy converter
  • the housing G can be used as piezo ⁇ electric element and a membrane M, which is arranged so that the fluid flow FS meets the membrane M and this excites to vibrations.
  • the base GF of the membrane M is circular or rectangular .
  • a symmetrical shape facilitates the attachment of the membrane in the energy converter.
  • Such an abutment are, for example, a stop surface integrated in the housing lower part or a corresponding stop structure in a housing cover. The stop surface or the stop structure ensures that the membrane M can not deflect further. They limit the degree of deflection AL and thus act as overload protection for the membrane M.
  • the membrane M has membrane slots MS, which pass through the membrane M.
  • the membrane slots MS are aligned and arranged radially towards the center of the membrane.
  • the membrane slots MS serve to reduce the rigidity of the membrane M.
  • the piezoelectric membrane M is mounted in the energy converter in such a way that the fluid flow FS hits it substantially perpendicularly and causes it to oscillate.
  • the membrane slots MS advantageously cross substantially in the center of the membrane M and form triangles in the membrane structure.
  • the force of the fluid stream FS is used by the triangular arrangement in this way for efficient Ener ⁇ giewandlung.
  • FIGS. 4a to 4c show an exemplary embodiment of the energy generation system EES according to the invention in different operating states.
  • FIG. 4a to Figure 4c show an exemplary expression for the power generation system according to the invention EES in different operating conditions.
  • the energy generation system EES according to the invention comprises a piezoelectric MEMS generator, an integrated circuit ASIC as an energy management system. an electrical connection EV between the energy converter EW and the integrated circuit ASIC, as well as a housing-integrated chamber GK with variable volume for the conversion of mechanical deformation energy into fluidic pressure energy.
  • the mechanical deformation takes place via means for changing the volume of the housing.
  • Such means for changing the volume are z.
  • B an elastic pad as a deformation source to which the housing is applied or mounted in a housing membrane as integrated Wan ⁇ tion, wherein the membrane is advantageously formed as a rubber membrane.
  • mechanical deformation leads to a reduced or expanding chamber volume. This volume change generates a fluidic flow FS with pressure energy which is converted into electrical energy by the MEMS piezoelectric generator.
  • the ASIC operates as an energy management system that prepares this primary energy and makes it available to a consumer (eg sensor or actuator).
  • the ASIC is equipped with an intelligence that enables a targeted application-oriented and scalable energy supply of the respective consumer. By sequentially switched MEMS generators, the amount of energy generated can be increased. Thus, an energy scaling is possible which makes it possible to provide respectively adapted or required amounts of energy.
  • FIG. 4 a shows a first exemplary schematic diagram of the energy generation system EES according to the invention in the idle state.
  • the power generation system EES comprises a housing G with egg ⁇ ner housing chamber GK is arranged in the piezoelectric element PE ⁇ and through which the fluid flow FS can be passed.
  • a MEMS generator as a piezoelectric energy converter 1 for converting mechanical energy into electrical energy, wherein the piezoelectric element PE of the energy converter ⁇ EW is excited by a fluid flow FS mechanical force to mechanical vibrations that again to be converted into electrical energy.
  • the power generation system EES comprises means W2, W3 for changing the volume of the housing.
  • a means for changing the volume of the housing can, for. B. an elastic pad (eg conveyor belt, or hoop coat) serve as a deformation source and / or a membrane which is integrated in the housing G or in the housing ⁇ wall.
  • an elastic pad eg conveyor belt, or hoop coat
  • FIG. 4b shows a second example schematic diagram of the inventive he ⁇ power generation system EES in Häzu ⁇ stand with a reduced chamber volume.
  • the energy generation system EES is mounted on an elastic support as a source of deformation energy.
  • a part of this elastic pad is a housing wall W3.
  • a flexible wall W2 of the housing G (eg a rubber membrane) is attached to the elastic support opposite, which can be mechanically pulled together or pulled apart, depending on whether there is a reduced or an expanding chamber volume.
  • Figure 4c shows a third exemplary scheme of the image he ⁇ inventive power generation system EES in an Ar ⁇ beitsschreib with expanded chamber volume.
  • the resilient pad 4c is the example of figure moved in the area of the flexible wall W3 that an expanded chamber volume ⁇ formed within the housing G.
  • the wall W2 substantially opposite the wall W3 is expanded by the deformation of W3 in this example.
  • a fluid flow FS is generated in the direction of the inside of the housing by the expanded chamber volume.
  • the piezoelectric element PE is vibrated by the fluid flow FS offset. Due to the expansion of the chamber volume ent ⁇ is a suction effect (Drucksog), which generates the fluid flow FS.
  • the fluid flow FS penetrates essentially through an opening in the housing and sets the piezoelement PE into vibrations.
  • a flow of the fluid flow FS is generated which points to the outside of the housing.
  • the air (or other gas) in the housing chamber is compressed and creates a pressure surge (which can escape through an opening in the Ge ⁇ housing), which generates the fluid flow FS.
  • the piezo element PE is in turn caused to oscillate by the fluid flow FS.
  • the power generation system according to the invention can be implemented EES tech ⁇ technology based on MEMS (Micro Electro Mechanicial system), thus enabling miniaturization ⁇ tion, which allows very easy to integrate the system at remote locations for power generation.
  • Advantages of the invention are in particular the utilization of any existing mechanical deformation energy, the decoupling of the primary forces of the sensitive piezoceramic (implicit overload protection) in a compact design and low mass.
  • Figure 5 shows a tire R from the side with tire rattle RL, as an example of the use of the power generation system according to the invention.
  • Figure 5 is used as means for changing the volume of an elastically deformable wall, as it is present for example as the wall of a cavity in the shell of a car tire.
  • the elas ⁇ table deformable wall is connected to the car tire in such a way that a defined deformation of the tire contact area (footprint) to a defined deformation of the
  • the cavity is arranged in a tire R so that the formation of the tire rollover RL leads to the formation of the pressure surge.
  • the tire rollover RL forms when rolling the tire on a road F.
  • FIG. 6 shows an exemplary piezoelectric lobe (or a piezoelectric bending beam) with a substantially triangular base area.
  • the fluid flow FS is substantially perpendicular to an end face of the piezo triangle PE and causes the piezo flag to vibrate.
  • the triangular base area brings about a high efficiency in the energy conversion .
  • the piezoelectric lobe according to FIG. 6 can be used, for example, in the energy converter according to FIG. 4 according to the invention.
  • Figure 7 shows an exemplary arrangement of piezoelectric elements PE, each having a substantially triangular Grundflä ⁇ che for use in a piezoelectric energy converter.
  • the piezoelectric elements (PE) are arranged so that a substantially square overall base area results and wherein the fluid flow impinges substantially perpendicularly on the total base area.
  • the piezoelectric elements PE Ele ⁇ are connected via their respective side edges to the inside of Energywandles or with a Fluidstromley- tion of the energy converter. The arrangement ensures efficient energy conversion.
  • Self-sufficient power generation system in particular formed as an integrated miniaturized power generation system ba ⁇ sierend on MEMS technology, comprising a piezoelectric ⁇ rule energy converter for converting mechanical energy into electrical energy, with at least one piezoelectric ⁇ rule element in which (a caused by a flow of fluid mechanical force in particular deformation force) of the ⁇ art can be coupled, that the piezoelectric element is excited to Ele ⁇ mechanical vibrations, and wherein an integrated circuit (ASIC) for energy management of the energy provided by the piezoelectric energy converter is used.
  • ASIC integrated circuit

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Autarkes Energieerzeugungssystem, insbesondere ausgebildet als integriertes miniaturisiertes Energieerzeugungssystem basierend auf MEMS-Technologie, umfassend einen piezoelektrischen Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie, mit mindestens einem piezoelektrischen Element, in das eine durch einen Fluidstrom hervorgerufene mechanische Kraft (insbesondere Deformationskraft) derart eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, und wobei eine integrierte Schaltung (ASIC) zum Energiemanagement der vom piezoelektrischen Energiewandler bereitgestellten Energie verwendet wird.

Description

Beschreibung
Miniaturisiertes EnergieerzeugungsSystem Die Erfindung betrifft ein Energieerzeugungssystem, insbesondere ausgebildet als integriertes miniaturisiertes Energieer¬ zeugungssystem. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen von Energie für energieautarke Systeme. Aktoren und Sensoren, die auf der MEMS (Micro Electro Mechani- cal Systems ) -Technologie basieren, werden zunehmend einge¬ setzt. Besonders interessant sind hierbei Aktor- bzw. Sensor¬ knoten und Netzwerke, die energieautark funktionieren. Solche Systeme beziehen die zum Betrieb einzelner Komponenten not- wendige elektrische Energie nicht aus einer Netzversorgung oder einer Batterie, sondern über einen geeigneten Energiewandler aus der Umgebung.
Ein bedeutendes Feld liegt dabei in der Automobilindustrie, beispielsweise im Zusammenhang mit Reifendruckkontrollsyste¬ men (Reifensensorik) . Heutige Reifendruckkontrollsysteme überwachen Druckschwankungen im Autoreifen, indem sie Druck und Temperatur in bestimmten Intervallen messen und die Ergebnisse drahtlos an eine Kontrolleinheit senden. Dafür not- wendige elektrische Bauteile sind über ein Ventil an einer
Felge des Autoreifens befestigt. Die für den Betrieb des Rei¬ fendruckkontrollsystems notwendige Energie wird von einer Batterie geliefert. Die Batterie begrenzt die Lebensdauer des Reifendruckkontrollsystems .
Weiterhin sind Systeme bekannt, die über eine Solarzelle ge¬ speist werden. Im Bereich der Industrieautomatisierung und den damit oft einhergehenden deutlich reduzierten Lichtbudgets ist der Einsatz dieser Systeme aber begrenzt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein miniaturisiertes Energieerzeugungssystem bereitzustellen, das eine au- tarke Energieversorgung und -Steuerung für dezentrale Systeme, insbesondere im industriellen Umfeld, ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Energieerzeugungssystem, insbesondere ausgebildet als integriertes miniaturisiertes EnergieerzeugungsSystem, umfassend :
a) einen piezoelektrischen Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie, mit mindes¬ tens einem piezoelektrischen Element, in das eine durch einen Fluidstrom hervorgerufene mechanische Kraft derart eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektrische Ele¬ ment zu mechanischen Schwingungen angeregt wird;
b) ein Gehäuse mit einer Gehäusekammer, in der das piezoelektrische Element angeordnet ist und durch die der Flu- idstrom geleitet werden kann;
c) Mittel zum Verändern des Volumens des Gehäuses, wobei
durch die Volumenänderung eine Umwandlung von mechanischer Deformationsenergie in fluidische Druckenergie erfolgt; und
d) eine integrierte Schaltung (ASIC) zum Energiemanagement der vom piezoelektrischen Energiewandler bereitgestellten Energie. Die beschriebene Art der Umwandlung von mechani¬ scher Energie in elektrische Energie kann überall dort eingesetzt werden, wo ein Fluidstrom erzeugt werden kann, beispielsweise in einem Reifen eines Kraftfahrzeugs. Der
Fluidstrom wird dabei derart an einem geeignet ausgestal¬ teten piezoelektrischen Element vorbeigeleitet, dass die¬ ses zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Diese me¬ chanischen Schwingungen werden dazu benutzt, elektrische Energie zu gewinnen. Die gewonnene Energie wird vom Ener¬ giemanagementsystem (Powermanagement ASIC) aufbereitet und einem Verbraucher (z.B. dezentrale Aktoren oder Sensoren) zur Verfügung gestellt. Dies ermöglicht den autarken Be¬ trieb dieser dezentralen Systeme, d.h. ohne Verkabelung oder Batteriebetrieb. Diese Systeme können somit prinzi¬ piell wartungsfrei betrieben werden. Das Fluid ist vorzugsweise ein Gas oder Gasgemisch. Denkbar ist auch ein Fluid in Form einer Flüssigkeit. Die Flüssigkeit ist dabei vorzugsweise elektrisch isolierend. Vorteilhafterweise verfügt das Gehäuse in der das piezoelekt¬ rische Element angeordnet ist und durch die der Fluidstrom geleitet werden kann über einen Fluidstrom-Einlass und einen Fluidstrom-Auslass . Durch den Fluidstrom-Einlass beziehungs¬ weise durch den Fluidstrom-Auslass strömt das Fluid in die Gehäusekammer hinein beziehungsweise aus der Gehäusekammer heraus. Das Fluid wird dabei an dem piezoelektrischen Element vorbeigeleitet und bringt es zum Schwingen.
Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass durch die Mittel zum Verändern des Volumens des Gehäuses ein Druckstoß oder ein Drucksog des Fluidstroms er¬ zeugbar ist. Das ermöglicht es, das erfindungsgemäße Energie¬ erzeugungssystem in beliebig dynamisch verformbaren Umgebungen einzusetzen. Z.B. bei Förderbändern, an deren Umkehrpunk- ten das elastische Förderband verformt wird oder in der In¬ dustrieautomatisierung (z.B. Roboter), wo es sehr viele bewegliche Teile gibt, die z.B. durch verformbare Gummiman¬ schetten geschützt sind. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die Mittel zum Verändern des Volumens des Gehäu¬ ses durch eine elastisch verformbare Wandung des Gehäuses oder eines Teiles des Gehäuses gebildet sind. Durch die Mit¬ tel zum Verändern des Volumens des Gehäuses wird ein Druck- stoß oder ein Drucksog des Fluidstroms erzeugt. Aufgrund des Druckstoßes bzw. des Drucksogs wird das Piezoelement zu me¬ chanischen Schwingungen angeregt. Bei einer fluidischen Stoßanregung erfährt das Piezoelement, beispielsweise die Piezo- Fahne, eine abklingende Schwingung. Über den piezoelektri- sehen Effekt wird eine periodische Ladungstrennung zwischen den Elektroden erzeugt. Der daraus gewinnbare Ladungsfluss steht dann extern als elektrische Energie zur Verfügung. Um zu gewährleisten, dass die Kraft des Druckstoßes bzw. des Drucksogs effizient in das Piezoelement eingekoppelt werden kann, ist das Piezoelement beispielsweise gekrümmt oder es befinden sich an seiner Oberfläche geeignete Anströmungsgeo- metrien oder die Anströmung erfolgt direkt senkrecht.
Die elastisch verformbare Wandung ist beispielsweise eine Wandung einer Kavität im Mantel eines Autoreifens. Die elas¬ tisch verformbare Wandung ist mit dem Autoreifen derart verbunden, dass eine definierte Verformung des Reifenlatsches (ReifenaufStandsfläche) zu einer definierten Verformung der
Wandung der Kavität und damit zu einer definierten Verformung der Kavität führt. Aufgrund der definierten Verformung der Kavität bildet sich ein definierter Druckstoß aus. Dadurch kann der Reifen selbst die für den Betrieb der Reifensensorik notwendige Energie bereitstellen. Darüber hinaus sind die be¬ schriebenen Verformungen unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit. Es ist lediglich eine Frequenz der Bildung der Druckstöße von der Fahrgeschwindigkeit abhängig. Als elastisch verformbare Wandung des Gehäuses ist weiterhin eine Membran denkbar, die Bestandteil der Gehäuse-Wandung ist. Die elastisch verformbare Wandung ist beispielsweise ei¬ ne Gummi-Membran . Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die Mittel zum Verändern des Volumens des Gehäu¬ ses durch verformbare mechanische Teile des Gehäuses oder ei¬ nes Teiles des Gehäuses gebildet sind. Dies können z.B. me¬ chanische Gelenke oder Scharniere sein, die im Gehäuse ange- bracht sind und bei deren Betätigen das Volumen im Gehäuse verkleinert oder vergrößert wird. Der durch die Volumenände¬ rung erzeugte Druck oder Sog wird in das Piezoelement einge¬ koppelt und in Schwingungen versetzt. Dadurch wird mechanische Deformationsenergie in fluidische Druckenergie umgewan- delt. Das Gehäuse oder Teile des Gehäuses können auch gemäß einem Blasebalg ausgebildet sein, um Druck oder Sog durch Vo¬ lumenänderungen zu erzeugen. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das piezoelektrische Element einen Mehrschicht¬ aufbau mit MEMS-Schichten (d.h. in Micro Electro Mechanical Systems - Technologie) aufweist. Das piezoelektrische Element weist eine Schichtfolge aus Elektrodenschicht, piezoelektri¬ scher Schicht und weiterer Elektrodenschicht auf. Mehrere derartige Schichtfolgen können dabei übereinander gestapelt sein, so dass ein Mehrschichtaufbau mit übereinander gesta¬ pelten, alternierend angeordneten Elektrodenschichten und piezoelektrischen Schichten resultiert. Bei der Erzeugung des Piezoelements mit Hilfe der MEMS-Technologie ist es über ent¬ sprechenden lateralen Zug- bzw. Druckstress in und zwischen den einzelnen Schichten möglich, den Schichtstapel so herzustellen, dass er sich nach Freilegen von Schichten krümmt bzw. leicht aufrollt.
Das Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten kann dabei aus verschiedensten Metallen beziehungsweise Metall-Legierungen bestehen. Beispiele für das Elektrodenmaterial sind Platin, Titan und eine Platin/Titan-Legierung. Denkbar sind auch nicht-metallische, elektrisch leitende Materialien.
Die piezoelektrische Schicht kann ebenfalls aus unterschied¬ lichsten Materialen bestehen. Beispiele hierfür sind piezo- elektrische keramische Materialen wie Bleizirkonattitanat
(PZT) , Zinkoxid (ZnO) und Aluminiumnitrid (A1N) . Piezoelekt¬ rische organische Materialien wie Polyvinylidendifluorid (PVDF) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) sind ebenfalls denkbar .
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das piezoelektrische Element eine Piezo-Fahne aufweist. Das piezoelektrische Element ist dabei als Biegele¬ ment, vorzugsweise als Piezo-Fahne ausgebildet. Dazu ist das Biegelement beispielsweise ein piezoelektrischer Biegewand¬ ler. Zum Herstellen des Biegewandlers werden beispielsweise mit einer Metallisierung für die Elektrodenschichten bedruckte keramische Grünfolien übereinander gestapelt und gesin- tert. Es entsteht ein monolithischer Biegewandler. Dabei kann der Biegewandler beliebig ausgestaltet sein, beispielsweise Bimorph . Im Hinblick auf die angestrebte Miniaturisierung eignet sich zur Realisierung des Biegewandlers besonders die MEMS- Technologie. Mit dieser Technologie ist ein piezoelektrischer Energiewandler mit sehr kleinen lateralen Abmessungen zugänglich. Darüber hinaus können sehr dünne Schichten ausgebildet werden. So betragen die Schichtdicken der Elektrodenschichten beispielsweise 0,1 ym bis 0,5 ym. Die piezoelektrische
Schicht ist wenige ym dick, beispielsweise 1 ym bis 10 ym. Das piezoelektrische Element ist als dünne piezoelektrische Membran bzw. Balken ausgestaltet. Das piezoelektrische Ele- ment verfügt über eine sehr geringe Masse. Außerdem kann ein solches piezoelektrische Element leicht zu mechanischen
Schwingungen angeregt werden. Zur Vervollständigung des Pie- zoelements in Form einer piezoelektrischen Membran bzw. Balken kann eine Trägerschicht vorgesehen sein, beispielsweise eine Trägerschicht aus Silizium, Polysilizium, Siliziumdioxid (Si02) oder Siliziumnitrid (S13N4) . Eine Schichtdicke der Trä¬ gerschicht ist aus dem Bereich von 1 ym bis 100 ym ausge¬ wählt. Die Trägerschicht ist optional. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die Piezo-Fahne eine im Wesentlichen dreieckige Grundfläche aufweist. Dies bewirkt eine hohe Effizienz bei der Energiewandlung.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das piezoelektrische Element als Membran ausge¬ bildet ist und der Fluidstrom im Wesentlichen senkrecht auf die Membran auftrifft und wobei die Membran mindestens zwei sich kreuzende Membranschlitze aufweist.
Die piezoelektrische Membran weist eine Schichtfolge aus Elektrodenschicht, piezoelektrischer Schicht und weiterer Elektrodenschicht auf. Mehrere derartige Schichtfolgen können dabei übereinander gestapelt sein, so dass ein Mehrschicht¬ aufbau mit übereinander gestapelten, alternierend angeordne¬ ten Elektrodenschichten und piezoelektrischen Schichten re- sultiert. Die Membran kann eine im Wesentlichen kreisrunde Grundfläche aufweisen, es sind aber auch rechteckige Membra¬ nen denkbar.
Eine Auslenkung (Verformung) der piezoelektrischen Schicht, die durch Einwirken einer mechanischen Kraft auf die piezoelektrische Schicht hervorgerufen wird, führt zur Ladungsver¬ schiebung bzw. Ladungstrennung in der piezoelektrischen
Schicht (piezoelektrischer Effekt) . Die beiden Elektrodenschichten und die piezoelektrische Schicht sind dabei derart aneinander angeordnet, dass ein auf der Ladungstrennung hervorgerufener Ladungsfluss zur Gewinnung von elektrischer Energie genutzt werden kann. Im Ergebnis wird mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Das Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten kann aus verschiedensten Metallen beziehungsweise Metall-Legierungen bestehen. Beispiele für das Elektrodenmaterial sind Platin, Ti¬ tan und eine Platin/Titan-Legierung. Denkbar sind auch nichtmetallische, elektrisch leitende Materialien.
Die piezoelektrische Schicht kann ebenfalls aus unterschied¬ lichsten Materialen bestehen. Beispiele hierfür sind piezoelektrische keramische Materialen wie Bleizirkonattitanat (PZT) , Zinkoxid (ZnO) und Aluminiumnitrid (A1N) . Piezoelekt- rische organische Materialien wie Polyvinylidendifluorid
(PVDF) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) sind ebenfalls denkbar .
Der Energiewandler kann laterale Abmessungen von wenigen mm bis einigen cm aufweisen. Gleiches gilt für laterale Abmes¬ sungen der Membran. Die Schichtdicken der Schichten der Membran reichen von wenigen ym bis einigen mm. Die piezoelektrische Membran ist im Energiewandler so ange¬ bracht, dass der Fluidstrom im Wesentlichen senkrecht auf sie trifft und zum Schwingen bringt. Die Membranschlitze kreuzen sich vorteilhafter Weise im Wesentlichen im Mittelpunkt der Membran und bilden Dreiecke in der Membranstruktur. Die
Krafteinwirkung des Fluidstroms wird durch die Dreiecksanord¬ nung auf diese Weise für eine effiziente Energiewandlung ver¬ wendet .
Die Membranschlitze verringern die Steifigkeit der Membran. Ein lateraler Membrandurchmesser (Durchmesser einer Membranöffnung des Membranschlitzes) beträgt wenige ym. Der Membran¬ durchmesser ist beispielsweise aus dem Bereich von bis zu ei¬ nigen mm ausgewählt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass der piezoelektrischen Energiewandler piezoelektrische Elemente mit im Wesentlichen dreieckiger Grundfläche aufweist, die so angeordnet sind, dass eine im Wesentlichen quadratische Gesamtgrundfläche resultiert und wobei der
Fluidstrom im Wesentlichen senkrecht auf die Gesamtgrundflä¬ che auftrifft. Die piezoelektrischen Elemente sind dabei über ihre jeweiligen Seitenränder mit der Innenseite des Energie¬ wandlers bzw. mit einer Fluidstromführung des Energiewandlers verbunden. Die Anordnung stellt eine effiziente Energieumwandlung sicher.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass mehrere piezoelektrische Energiewandler hinter- einander geschaltet sind. Dadurch wird die erzeugte Energie¬ menge vergrößert. Es können somit auch Systeme versorgt wer¬ den, die größere Energiemengen benötigen. Weiterhin kann dadurch das Energieerzeugungssystem bezüglich der benötigten Energie skaliert werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die integrierte Schaltung (ASIC) zum Energiemana¬ gement einer energieautarken Sensorik und/oder Aktorik ver- wendet wird. Die integrierte Schaltung (ASIC) zum Energiema¬ nagement der vom piezoelektrischen Energiewandler bereitgestellten Energie ermöglicht eine den jeweiligen Energie- Erfordernissen, des zu versorgenden dezentralen Systems ange- passte Energieversorgung. Dadurch kann die für den Verbraucher zur Verfügung stehende Energie angepasst und maximiert werden .
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Be- reitstellen von Energie für energieautarke Systeme durch Um¬ wandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung eines Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durch Einkoppeln einer durch den Fluidstrom hervorgerufenen Kraft in das piezoelektrische Element, so dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingun¬ gen angeregt wird und wobei durch die integrierte Schaltung (ASIC) die Energiemenge für ein System bedarfsgerecht zuge¬ führt wird. Die bedarfsgerecht zur Verfügung gestellte Ener¬ gie ermöglicht einen, den jeweiligen Erfordernissen jeweils angepassten optimalen Energieverbrauch. Dies erhöht die Performance und die Zuverlässigkeit der zu versorgenden dezen¬ tralen Systeme (z.B. Aktoren, Sensoren).
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass ein stationärer Fluidstrom verwendet wird. Es ist möglich, dass ein stationärer (zeitinvarianter) Fluidstrom zur Erzeugung der mechanischen Schwingungen des piezoelektrischen Elements verwendet wird. Dazu ist beispielsweise in der Gehäusekammer ein Fluidstrom-Hindernis platziert. Durch das Vorbeileiten des Fluidstroms am Fluidstrom-Hindernis kommt es zu Verwirbelungen, die dazu führen, dass ein frei bewegliches Piezoelement zu Schwingungen angeregt wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass ein zeitlich sich ändernder Fluidstrom verwendet wird. Dabei wird der sich zeitlich ändernde Fluidstrom nicht nur durch einen Druckstoß oder Drucksog, sondern auch durch permanente Druckschwankungen ausgelöst werden, wie sie übli¬ cherweise in Autoreifen während des Abrollens auftreten.
Zusammenfassend ergeben sich mit der vorliegenden Erfindung folgende besonderen Vorteile:
- Das Energieerzeugungssystem ist an Orten, die sowieso schon vorhanden sind (z.B. Förderbänder, Gummimanschetten, Reifen) ohne erforderliche Umbaumaßnahmen eingesetzt werden, ohne die vorhandene Umgebung zu beeinflussen (dies wird insbesondere durch die verwendete miniaturisierte Bauweise in MEMS-Technologie ermöglicht) .
- Das Energieerzeugungssystem ermöglicht eine autarke und zielgerichtete (skalierte) Energieversorgung für dezentrale
Systeme (z.B. Aktoren/Sensoren).
Die integrierte Schaltung (ASIC) zum Energiemanagement der vom piezoelektrischen Energiewandler bereitgestellten Energie ermöglicht eine den jeweiligen Energie-Erfordernissen des zu versorgenden dezentralen Systems angepasste Energie¬ versorgung (z.B. im Standby-Modus : wenig Energie; im Last- Modus: viel Energie) . Es ist auch möglich den ASIC mit ei¬ nem Energiespeicher (z.B. Kondensator) zu versehen. Dadurch kann das Energiemanagement weiter optimiert werden.
- Es ist keine seismische Masse erforderlich, wie sie bei ei¬ nem vibrationsbasierten Feder-Masse-System zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie eingesetzt wird.
- Der piezoelektrische Energiewandler kann resonant betrieben werden, also mit der Resonanzfrequenz des/der piezoelektrischen Balkens/Membran. Er muss es aber nicht. Er kann damit breitbandig (Frequenzbereich von wenigen Hz bis einigen hundert kHz) betrieben werden bei gleichbleibend hoher Effizienz (vorausgesetzt genügend mechanische Energie steht zur Verfügung) bezüglich der Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie.
- Unerwünschte geschwindigkeitsabhängige Fliehkräfte spielen bei der Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische
Energie keine Rolle, da eine Masse des Energiewandlers zu vernachlässigen ist.
- Durch die Ausnutzung der Latschverformung (insbesondere beim Einsatz im Reifen) , bei der ein Druckstoß des Flu- idstroms entsteht, ist eine einfache, in einem Reifen in¬ tegrierte Erzeugung eines Druckstoßes und damit eine einfa¬ che Lösung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie möglich.
- Es ist möglich, statische (sich zeitlich nicht ändernde) Fluidströme im (Auto- ) Reifen zur Gewinnung elektrischer Energie auszunutzen. - Die Effizienz, mit der mechanische Energie in elektrische
Energie umgewandelt werden kann, ist von einer Rotationsge¬ schwindigkeit des Reifens unabhängig.
- Mit Hilfe des Gehäuses ist ein gekapselter Aufbau möglich, der für einen mechanischen Überlastschutz sorgt.
Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
Dabei zeigen:
FIG 1 ein erstes Beispiel für einen piezoelektrischen
Energiewandler für die Verwendung im erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystem in einem seitlichen Querschnitt, FIG 2 ein zweites Beispiel für einen piezoelektrischen
Energiewandler für die Verwendung im erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystem, ebenfalls in einem seitlichen Querschnitt,
FIG 3 eine piezoelektrische Membran in Aufsicht, zur Ver¬ wendung in einem piezoelektrischen Energiewandler,
FIG 4a ein erstes beispielhaftes Schemabild des erfin- dungsgemäßen Energieerzeugungssystems im Ruhezu¬ stand,
FIG 4b ein zweites beispielhaftes Schemabild des erfin¬ dungsgemäßen Energieerzeugungssystems mit reduzier- tem Kammervolumen,
FIG 4c ein drittes beispielhaftes Schemabild des erfin¬ dungsgemäßen Energieerzeugungssystems mit expan¬ diertem Kammervolumen,
FIG 5 zeigt einen Reifen von der Seite mit Reifenlatsch, als Beispiel für den Einsatz des erfindungsgemäßen EnergieerzeugungsSystems , FIG 6 eine beispielhafte piezoelektrische Fahne (bzw. ei¬ nen piezoelektrischen Biegebalken) mit einer im Wesentlichen dreieckigen Grundfläche, und
FIG 7 eine beispielhafte Anordnung piezoelektrischer Ele- mente .
Figur 1 zeigt ein erstes Beispiel für einen piezoelektrischen Energiewandler EW für die Verwendung im erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystem EES (FIG 4a - 4c) in einem seitlichen Querschnitt. Der piezoelektrische Energiewandler EW wird ver¬ wendet zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie. Der Energiewandler EW weist ein piezoelektrisches Element PE auf. Das piezoelektrische Element PE weist eine Schichtfolge von Elektrodenschicht ES, piezoelektrischer Schicht und weiterer Elektrodenschicht auf. Das piezoelektri¬ sche Element PE basiert auf der MEMS-Technologie. Die piezo¬ elektrische Schicht ist eine Piezokeramikschicht PKS mit Bleizirkonattitanat . Alternativ dazu weist die piezokerami- sche Schicht Aluminiumnitrid oder Zinkoxid auf. Die Elektro¬ denschichten ES sind aus Platin. Den Abschluss bildet eine optionale Trägerschicht TS aus Siliziumnitrid. Alternativ da¬ zu ist die Trägerschicht aus Siliziumdioxid.
Das piezoelektrische Element PE ist in einer Gehäusekammer GK eines Gehäuses G angeordnet. Dabei ist dafür gesorgt, dass der Fluidstrom FS an dem piezoelektrischen Element PE vorbei geleitet wird. Dabei wird eine durch den Fluidstrom FS her- vorgerufene mechanische Kraft in das Piezoelement PE einge¬ koppelt. Es kommt zur Auslenkung AL des piezoelektrischen Elements PE und in Folge davon zur Ladungstrennung, auf deren Basis über die Elektroden elektrische Energie gewonnen werden kann .
Im Beispiel gemäß Figur 1 sind im Gehäuse G ein Fluidstrom- Einlass FSE und ein Fluidstrom-Auslass FSA integriert und ge¬ genüber voneinander angeordnet. Für einen Fachmann ist es offensichtlich, dass für Fluidstrom-Einlass FSE und Fluidstrom- Auslass FSA auch andere Anordnungen oder Ausprägungen möglich sind. Fluidstrom-Einlass FSE und Fluidstrom-Auslass FSA kön¬ nen auch an derselben Seite des Gehäuse G angeordnet bzw. an¬ gebracht sein. Weiterhin ist es auch möglich eine einzige (gemeinsame) Öffnung des Gehäuses G für Fluidstrom-Einlass FSE und Fluidstrom-Auslass FSA zu verwenden.
Im Beispiel gemäß Figur 1 ist das piezoelektrische Element PE eine gebogene Piezo-Fahne. Die Piezo-Fahne ist dabei derart ausgestaltet, dass durch das Vorbeileiten des Fluidstroms FS und damit durch das Einkoppeln der mechanischen Kraft die Piezo-Fahne zu Schwingungen angeregt wird. Figur 2 zeigt ein zweites Beispiel für einen piezoelektrischen Energiewandler EW für die Verwendung im erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystem EES (FIG 4a - 4c) , ebenfalls in einem seitlichen Querschnitt. Im Beispiel nach Figur 2 weist das Gehäuse G Mittel Wl zum Verändern des Volumens des Gehäu¬ ses auf. Bei dieser Ausgestaltung erfolgt durch die Mittel Wl zum Verändern des Volumens des Gehäuses die Erzeugung eines Druckstoßes oder eines Drucksoges des Fluidstroms FS. Diese Mittel sind z.B. eine Kavität, die eine elastisch verformbare Wandung Wl aufweist. Durch Ausüben eines mechanischen Drucks auf diese elastisch verformbare Wandung Wl entsteht ein
Druckstoß oder ein Drucksog, je nachdem aus welcher Richtung zum Mittel Wl der mechanische Druck ausgeübt wird. Der er¬ zeugte Druckstoß bzw. Drucksog wird auf die Piezo-Fahne PE übertragen. Es kommt zu den oben beschriebenen mechanischen Schwingungen .
Die elastisch verformbare Wandung Wl zum Erzeugen des Druckstoßes bzw. des Drucksoges kann in das Gehäuse G integriert. In einer Ausführungsform ist die Wandung eine Gummi-Membran . Das Beispiel nach Figur 2 zeigt nur eine Gehäuseöffnung, die für den Fluidstrom-Einlass FSE und den Fluidstrom-Auslass FSA verwendet werden kann. Figur 3 zeigt eine piezoelektrische Membran M in Aufsicht, zur Verwendung in einem piezoelektrischen Energiewandler EW, geeignet für den Einsatz im erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystem EES (FIG 4a - 4c) . Im Gehäuse G kann als piezo¬ elektrisches Element auch eine Membran M verwendet werden, die so angeordnet ist, dass der Fluidstrom FS auf die Membran M trifft und diese zu Schwingungen anregt. Aufgrund der Aus¬ lenkung AL beziehungsweise Verformung der piezoelektrischen Schicht der piezoelektrischen Membran M durch den Druckstoß bzw. Drucksog des Fluidstroms FS wird eine elektrische Ener- gie und elektrische Spannung generiert. Vorteilhafterweise ist die Grundfläche GF der Membran M kreisrund oder recht¬ eckig. Eine symmetrische Form erleichtert das Anbringen der Membran im Energiewandler. Um eine mechanische Belastung der Membran zu reduzieren, ist es vorteilhaft, das Gehäuse G mit entsprechenden Widerlagern auszustatten, so dass es zu keiner mechanischen Überlastung der Membran M kommt. Derartige Gegenlager sind beispielsweise eine im Gehäuseunterteil integriert Anschlagfläche oder eine entsprechende Anschlagstruktur in einem Gehäusedeckel. Die Anschlagfläche bzw. die Anschlagstruktur sorgt dafür, dass sich die Membran M nicht weiter auslenken kann. Sie begrenzen den Grad der Auslenkung AL und fungieren somit als Überlastschutz für die Membran M.
Es ist vorteilhaft, wenn die Membran M Membranschlitze MS aufweist, die durch die Membran M hindurch gehen. Die Memb- ranschlitze MS sind radial zum Mittelpunkt der Membran hin ausgerichtet und angeordnet. Die Membranschlitze MS dienen zur Verringerung der Steifigkeit der Membran M.
Die piezoelektrische Membran M ist im Energiewandler so ange- bracht, dass der Fluidstrom FS im Wesentlichen senkrecht auf sie trifft und zum Schwingen bringt. Die Membranschlitze MS kreuzen sich vorteilhafter Weise im Wesentlichen im Mittelpunkt der Membran M und bilden Dreiecke in der Membranstruktur. Die Krafteinwirkung des Fluidstroms FS wird durch die Dreiecksanordnung auf diese Weise für eine effiziente Ener¬ giewandlung verwendet.
FIG 4a bis FIG 4c zeigen eine beispielhafte Ausprägung für das erfindungsgemäße Energieerzeugungssystems EES in unter- schiedlichen Betriebszuständen .
Viele neue Anwendungen erfordern eine ausgefeilte Sensorik und/oder Aktorik. Oftmals ist diese lokal verteilt, was dazu führt, dass eine elektrische Energieversorgung aufwändig und damit auch teuer ist (z. B. Verlegen von elektrischen Zuführungen) . Bei einigen Anwendungen ist eine physische Anbindung solcher dezentralen Systeme gänzlich unmöglich, sodass diese völlig autark betrieben werden müssen. Dies bedeutet, dass sich diese Sensoren selbst mit Energie versorgen müssen, und die gewonnenen Messdaten kabellos übertragen werden.
In unserer industrialisierten Welt gibt es viele dynamisch verformbare Umgebungen, die zum Ernten von Energie geeignet sind insbesondere in dezentralen Umgebungen. Ein Beispiel sind Förderbänder an deren Umkehrpunkten das elastische Band deutlich verformt wird. Diese mechanischen Verformungen stellen eine Quelle für Deformationsenergie dar, die in elektri- sehe Energie umgewandelt werden kann und so die dezentrale
Sensorik und/oder Aktorik mit Strom versorgt. In der Industrieautomatisierung werden weiterhin Roboter eingesetzt, die sehr viele bewegliche Teile besitzen und die meistens durch verformbare Gummimanschetten geschützt sind. Auch diese Gum- mimanschetten stellen eine Quelle für Deformationsenergie dar. Ein weiteres Beispiel ist in der Automobiltechnik zu finden. Der Mantel vom Autoreifen ist im Einsatz laufend mechanischen Verformungen unterworfen. Diese Verformungen können verwendet werden um elektrische Energie zu gewinnen. Die gewonnene Energie aus der Verformung von Autoreifen kann für Sensoren verwendet werden, die z. B. den Reifendruck oder die Reifentemperatur überwachen. Ein solches System benötigt keine Batterien zur Energieversorgung und ist somit prinzipiell wartungsfrei. Ein einfacher Ansatz zur Gewinnung von Energie aus mechanischer Verformung mit Hilfe des piezoelektrischen Effektes ist z. B. die direkte Aufbringung der Piezostruktur auf das sich verformende mechanische Teil (z. B. Förderband oder die Innenseite eines Reifens oder einer Gummimanschet¬ te) . Solche Systeme ermöglichen eine autarke Energieversor- gung für dezentral angebrachte Aktoren und/oder Sensoren.
Diese Systeme sind wartungsfrei und benötigen keinen Batte¬ riewechsel, was sich auch aus Umweltsicht positiv auswirkt.
Figur 4a bis Figur 4c zeigen eine beispielhafte Ausprägung für das erfindungsgemäße Energieerzeugungssystem EES in unterschiedlichen Betriebszuständen . Das erfindungsgemäße Energieerzeugungssystem EES umfasst einen piezoelektrischen MEMS Generator, eine integrierte Schaltung ASIC als Energiemanage- mentsystem, eine elektrische Verbindung EV zwischen dem Energiewandler EW und der integrierten Schaltung ASIC, sowie eine gehäuseintegrierte Kammer GK mit veränderlichem Volumen zur Umwandlung von mechanischer Deformationsenergie in fluidische Druckenergie. Die mechanische Deformation erfolgt über Mittel zum Verändern des Volumens des Gehäuses. Solche Mittel zum Verändern des Volumens sind z. B. eine elastische Unterlage als Deformationsquelle auf die das Gehäuse aufgebracht ist oder eine im Gehäuse angebrachte Membran als integrierte Wan¬ dung, wobei die Membran vorteilhafter Weise als Gummimembran ausgebildet ist. Eine mechanische Deformation führt je nach Ausprägung zu einem reduzierten oder expandierenden Kammervolumen. Diese Volumenänderung erzeugt eine fluidische Strömung FS mit Druckenergie die vom MEMS Piezogenerator in elektri- sehe Energie umgewandelt wird. Diese primäre elektrische
Energie wird über die elektrische Verbindung EV der integ¬ rierten Schaltung (ASIC) zur Verfügung gestellt. Der ASIC arbeitet als Energiemanagementsystem bereitet diese primäre Energie auf und stellt sie einem Verbraucher (z. B. Sensor oder Aktor) zur Verfügung. Der ASIC ist mit einer Intelligenz ausgestattet, die eine Zielgerichtete anwendungsorientierte und skalierbare Energieversorgung des jeweiligen Verbrauchers ermöglicht. Durch hintereinander geschaltete MEMS Generatoren lässt sich die erzeugte Energiemenge vergrößern. Es ist somit eine Energieskalierung möglich die es erlaubt jeweils ange- passte, bzw. erforderliche Energiemengen zur Verfügung zu stellen .
Figur 4a zeigt ein erstes beispielhaftes Schemabild des er- findungsgemäßen Energieerzeugungssystems EES im Ruhezustand. Das Energieerzeugungssystem EES umfasst ein Gehäuse G mit ei¬ ner Gehäusekammer GK in das piezoelektrische Element PE ange¬ ordnet ist und durch die der Fluidstrom FS geleitet werden kann. Einen MEMS Generator als piezoelektrischen Energiewand- 1er zum Umwandeln mechanischer Energie in elektrischer Energie, wobei das piezoelektrische Element PE des Energiewand¬ lers EW durch einen Fluidstrom FS hervorgerufene mechanische Kraft zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, die wieder- um in elektrische Energie umgewandelt werden. Die vom Ener¬ giewandler EW bereitgestellte elektrische Energie wird über eine elektrische Verbindung EV (z. B. Drahtverbindung) z. B. eine Kabelverbindung dem ASIC als Energiemanagementsystem zur Verfügung gestellt, der diese Energie an die jeweiligen
Verbraucher weiterverbreiten kann. Weiterhin umfasst das Energieerzeugungssystem EES Mittel W2, W3 zum Verändern des Volumens des Gehäuses. Als Mittel zum Verändern des Volumens des Gehäuses können z. B. eine elastische Unterlage (z. B. Förderband, oder Reifmantel) als Deformationsquelle dienen und/oder eine Membran die im Gehäuse G bzw. in die Gehäuse¬ wandung integriert ist.
Figur 4b zeigt ein zweites beispielhaftes Schemabild des er¬ findungsgemäßen Energieerzeugungssystems EES im Arbeitszu¬ stand mit einem reduzierten Kammervolumen. Im Beispiel nach Figur 4b ist das Energieerzeugungssystem EES auf einer elastischen Unterlage als Deformationsenergiequelle angebracht. Ein Teil dieser elastischen Unterlage stellt eine Gehäusewandung W3 dar. Durch eine Verformung der elastischen Unterlage im Bereich der Wandung W3 wird das Volumen innerhalb des Gehäuses G reduziert. Der elastischen Unterlage gegenüber ist eine weitere flexible Wandung W2 des Gehäuses G (z. B. eine Gummimembran) angebracht, die mechanisch flexibel zusammen oder auseinander gezogen werden kann, je nachdem ob ein reduziertes oder ein expandierendes Kammervolumen vorliegt.
Figur 4c zeigt ein drittes beispielhaftes Schemabild des er¬ findungsgemäßen Energieerzeugungssystems EES in einem Ar¬ beitszustand mit expandiertem Kammervolumen. Dem Beispiel nach Figur 4c wird die elastische Unterlage im Bereich der flexiblen Wandung W3 so bewegt, dass ein expandiertes Kammer¬ volumen innerhalb des Gehäuses G entsteht. Die der Wandung W3 im Wesentlichen gegenüberliegende Wandung W2 wird durch die Deformation von W3 in diesem Beispiel expandiert. Im Beispiel nach Figur 4c wird durch das expandierte Kammervolumen eine Fluidströmung FS in Richtung nach Innen des Gehäuses erzeugt. Das Piezoelement PE wird durch den Fluidstrom FS in Schwin- gungen versetzt. Durch die Expansion des Kammervolumens ent¬ steht eine Sogwirkung (Drucksog) , die den Fluidstrom FS erzeugt. Im Beispiel nach Figur 4c dringt dabei der Fluidstrom FS im Wesentlichen durch eine Öffnung im Gehäuse ein und ver- setzt das Piezoelement PE in Schwingungen.
Beim reduzierten Kammervolumen gemäß Figur 4b wird eine Strömung des Fluidstromes FS erzeugt, der nach Außen des Gehäuses weist. Durch die Reduzierung des Kammervolumens wird die Luft (oder ein anderes Gas) in der Gehäusekammer zusammengedrückt und es entsteht ein Druckstoß (der durch eine Öffnung im Ge¬ häuse entweichen kann), der den Fluidstrom FS erzeugt. Das Piezoelement PE wird wiederum durch den Fluidstrom FS in Schwingungen versetzt.
Das erfindungsgemäße Energieerzeugungssystem EES lässt sich auf Basis von MEMS (Micro Electro Mechanicial Systems) Tech¬ nologie realisieren und ermöglicht somit eine Miniaturisie¬ rung, die es erlaubt das System sehr leicht an dezentralen Orten zur Energieversorgung zu integrieren. Vorteile der Erfindung liegen insbesondere in der Ausnutzung sowieso vorhandener mechanischer Deformationsenergie, der Entkopplung der primären Kräfte von der empfindlichen Piezokeramik (implizierter Überlastschutz) im kompakten Aufbau und in der geringen Masse.
Figur 5 zeigt einen Reifen R von der Seite mit Reifenlatsch RL, als Beispiel für den Einsatz des erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystems. In der Abbildung nach Figur 5 wird als Mittel zum Verändern des Volumens eine elastisch verformbare Wandung verwendet, wie sie beispielsweise als Wandung einer Kavität im Mantel eines Autoreifens vorhanden ist. Die elas¬ tisch verformbare Wandung ist mit dem Autoreifen derart verbunden, dass eine definierte Verformung des Reifenlatsches (ReifenaufStandsfläche) zu einer definierten Verformung der
Wandung der Kavität und damit zu einer definierten Verformung der Kavität führt. Aufgrund der definierten Verformung der Kavität bildet sich ein definierter Druckstoß. Im Hinblick auf die oben beschriebene Reifensensorik ist eine solche Lö¬ sung besonders vorteilhaft, da durch den Reifen selbst die für den Betrieb der Reifensensorik notwendige Energie bereit¬ gestellt werden kann. Darüber hinaus sind die beschriebenen Verformungen unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit. Es ist lediglich eine Frequenz der Bildung der Druckstöße von der Fahrgeschwindigkeit abhängig.
In der Abbildung nach Figur 5 ist die Kavität derart in einem Autoreifen R angeordnet, dass die Bildung des Reifenlatsches RL zur Bildung des Druckstoßes führt. Der Reifenlatsch RL bildet sich beim Abrollen des Reifens auf einer Fahrbahn F.
Figur 6 zeigt eine beispielhafte piezoelektrische Fahne (bzw. einen piezoelektrischen Biegebalken) mit einer im Wesentlichen dreieckigen Grundfläche. Der Fluidstrom FS trifft im Wesentlichen senkrecht auf eine Stirnseite des Piezo-Dreiecks PE und bringt die Piezofahne zum Schwingen. Die dreieckige Grundfläche bewirkt eine hohe Effizienz bei der Energiewand¬ lung. Die piezoelektrische Fahne nach Figur 6 kann z.B. im erfindungsgemäßen Energiewandler nach Figur 4 eingesetzt werden . Figur 7 zeigt eine beispielhafte Anordnung piezoelektrischer Elemente PE mit jeweils im Wesentlichen dreieckiger Grundflä¬ che zur Verwendung in einem piezoelektrischen Energiewandler. Die piezoelektrischen Elemente (PE) sind so angeordnet, dass eine im Wesentlichen quadratische Gesamtgrundfläche resul- tiert und wobei der Fluidstrom im Wesentlichen senkrecht auf die Gesamtgrundfläche auftrifft. Die piezoelektrischen Ele¬ mente PE sind dabei über ihre jeweiligen Seitenränder mit der Innenseite des Energiewandles bzw. mit einer Fluidstromfüh- rung des Energiewandlers verbunden. Die Anordnung stellt eine effiziente Energieumwandlung sicher. Autarkes Energieerzeugungssystem, insbesondere ausgebildet als integriertes miniaturisiertes Energieerzeugungssystem ba¬ sierend auf MEMS-Technologie, umfassend einen piezoelektri¬ schen Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie, mit mindestens einem piezoelektri¬ schen Element, in das eine durch einen Fluidstrom hervorgerufene mechanische Kraft (insbesondere Deformationskraft) der¬ art eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektrische Ele¬ ment zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, und wobei eine integrierte Schaltung (ASIC) zum Energiemanagement der vom piezoelektrischen Energiewandler bereitgestellten Energie verwendet wird.
Bezugs zeichenliste
EES EnergieerzeugungsSystem
EW Energiewandler
PE Piezoelektrisches Element
ES Elektrodenschicht
PKS Piezokeramikschicht
TS Trägerschicht
AL Auslenkung
G Gehäuse
GK Gehäusekämmer
FS Fluidstrom
FSE Fluidstrom-Einlass
FSA Fluidstrom-Auslass
Wl - W3 Mittel zum Verändern des Volumens
EV Elektrische Verbindung
M Piezoelektrische Membran
GF Grundfläche
MS Membranschlitz
R Autoreifen
RL Reifenlatsch
F Fahrbahn

Claims

Patentansprüche
1. Energieerzeugungssystem (EES) , insbesondere ausgebildet als integriertes miniaturisiertes Energieerzeugungssystem (EES) , umfassend:
a) einen piezoelektrischen Energiewandler (EW) zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie, mit mindestens einem piezoelektrischen Element (PE) , in das eine durch einen Fluidstrom (FS) hervorgerufene mechanische Kraft derart eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektrische Element (PE) zu mechanischen Schwingungen angeregt wird;
b) ein Gehäuse (G) mit einer Gehäusekammer (GK) , in der das piezoelektrische Element (PE) angeordnet ist und durch die der Fluidstrom (FS) geleitet werden kann;
c) Mittel (Wl - W3) zum Verändern des Volumens des Ge¬ häuses (G) , wobei durch die Volumenänderung eine Umwandlung von mechanischer Deformationsenergie in fluidische Druckener¬ gie erfolgt; und
d) eine integrierte Schaltung (ASIC) zum Energiemanage- ment der vom piezoelektrischen Energiewandler (EW) bereitgestellten Energie.
2. Energieerzeugungssystem (EES) nach Anspruch 1, wobei durch die Mittel zum Verändern des Volumens des Gehäuses (G) ein Druckstoß oder ein Drucksog des Fluidstroms (FS) erzeugbar ist .
3. Energieerzeugungssystem (EES) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mittel (Wl - W3) zum Verändern des Volumens des Ge- häuses durch eine elastisch verformbare Wandung des Gehäuses (G) oder eines Teiles des Gehäuses gebildet sind.
4. Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mittel (Wl - W3) zum Verändern des Volu- mens des Gehäuses (G) durch verformbare mechanische Teile des Gehäuses (G) oder eines Teiles des Gehäuses gebildet sind.
5. Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das piezoelektrische Element einen Mehr¬ schichtaufbau mit MEMS-Schichten aufweist.
6. Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das piezoelektrische Element (PE) eine Pie- zo-Fahne aufweist.
7. Energieerzeugungssystem (EES) nach Anspruch 6, wobei die Piezo-Fahne eine im Wesentlichen dreieckige Grundfläche auf¬ weist.
8. Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das piezoelektrische Element (PE) als Memb- ran (M) ausgebildet ist und der Fluidstrom (FS) im Wesentli¬ chen senkrecht auf die Membran auftrifft und wobei die Memb¬ ran (M) mindestens zwei sich kreuzende Membranschlitze (MS) aufweist .
9. Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der piezoelektrischen Energiewandler (EW) piezoelektrische Elemente (PE) mit im Wesentlichen dreiecki¬ ger Grundfläche aufweist, die so angeordnet sind, dass eine im Wesentlichen quadratische Gesamtgrundfläche resultiert und wobei der Fluidstrom (FS) im Wesentlichen senkrecht auf die Gesamtgrundfläche auftrifft.
10. Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mehrere piezoelektrische Energiewandler (EW) hintereinander geschaltet sind.
11. Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die integrierte Schaltung (ASIC) zum Ener¬ giemanagement einer energieautarken Sensorik und/oder Aktorik verwendet wird.
12. Verfahren zum Bereitstellen von Energie für energieautarke Systeme durch Umwandeln von mechanischer Energie in elekt- rische Energie unter Verwendung eines Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durch Einkoppeln einer durch den Fluidstrom hervorgerufenen Kraft in das piezoelektrische Element, so dass das piezoelektrische Element (PE) zu mechanischen Schwingungen angeregt wird und wobei durch die integrierte Schaltung (ASIC) die Energiemenge für ein System bedarfsgerecht zugeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei ein stationärer Fluid- ström (FS) verwendet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei ein zeitlich sich ändernder Fluidstrom (FS) verwendet wird.
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