DE3390497C2 - Piezoelektrischer Generator zur Entnahme von Energie aus einem Fluidstrom - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Generator mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 als bekannt voraus­ gesetzten Merkmalen.

Windmühlen werden seit Jahrhunderten zur Erzeugung von mechanischer Energie und in jüngerer Zeit auch zur Erzeu­ gung von elektrischer Energie aus Windenergie verwendet. Diese Windkraftmaschinen haben jedoch gewisse Nachteile:

Aus Rentabilitätsgründen dürfen die rotierenden Flügel eine gewisse Mindestgröße nicht unterschreiten, so daß entsprechend aufwendige Trägerstrukturen erforderlich sind; der Antrieb des elektrischen Generators erfordert Zwischengetriebe, die in der Anschaffung und im Unterhalt teuer sind und schließlich können sie nur innerhalb eines relativ kleinen Windgeschwindigkeitsbereichs effektiv und gefahrlos betrieben werden.

Es sind auch bereits Generatoren zur Entnahme von Energie aus einem Fluidstrom bekannt, die ein piezoelektrisches Element zur Erzeugung der elektrischen Energie enthalten. So ist aus der US-PS 40 05 319 ein piezoelektrischer Genera­ tor für Geschosse oder dergleichen bekannt, der eine am einen Ende befestigte elastische Zunge enthält, die durch einen mit ihr fluchtenden engen Strömungskanal tangential angeströmt und dadurch in Schwingungen um ihre Ruhelage versetzt wird. An der elastischen Zunge ist seitlich ein piezoelektrisches Biegeelement befestigt, das mit Elektro­ den zur Entnahme der elektrischen Energie versehen ist.

Diese Art der Anbringung hat insbesondere wegen der dabei entstehenden Stoßstelle eine unerwünschte Verringerung des Wirkungsgrades zur Folge.

Aus der US-PS 34 57 463 ist eine Einrichtung zum Umsetzen von Schwingungen in elektrische Energie zur Relaisbetäti­ gung bekannt, welche ein am einen Ende eingespanntes plat­ tenförmiges piezoelektrisches Element enthält, an dessen freiem Ende seitlich eine auf eine bestimmte Schwingungsfre­ quenz abgestimmte längliche Zunge angebracht ist. Auch hier ergibt sich eine unerwünschte Stoßstelle.

Die vorliegende Erfindung löst bei einem piezoelektrischen Generator mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patent­ anspruchs 1 die Aufgabe, den Wirkungsgrad und die Funktions­ tüchtigkeit zu verbessern, durch die kennzeichnenden Merkma­ le des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 2.

Der piezoelektrische Generator gemäß der Erfindung zeichnet sich durch seinen hohen Wirkungsgrad und durch eine effek­ tive Arbeitsweise aus.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfin­ dungsgemäßen piezoelektrischen Generators sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine axonometrische Ansicht eines piezoelek­ trischen fluidelektrischen Flatterflügelgenera­ tors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Stromlinien der Fluidströmung um den fluidelek­ trischen Flatterflügelgenerator der Fig. 1;

Fig. 3 und 4 eine Seiten- bzw. eine Draufsicht, die verschiedene Dimensionen einer speziellen Flatterflügelgeneratorkonfiguration gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigen;

Fig. 5 eine axonometrische Ansicht eines Teiles eines Schneezaunes mit an diesem montierten Flatterflü­ gelgeneratoren;

Fig. 6 eine axonometrische Ansicht einer alternativen Type eines piezoelektrischen fluidelektrischen Lamellen-Generators gemäß der Erfindung, der über einem Fluidleitkanal angeordnet ist, der das Fluid direkt auf das piezoelektrische Biegeelement richtet;

Fig. 7 eine schematische Darstellung der Stromlinien, welche der Fluidströmung um den Lamellengenerator der Fig. 6 zugeordnet sind;

Fig. 8 eine axonometrische Ansicht einer Generatoranordnung, die Trichterflächen aufweist, um die Windströmung zu einer Gruppe von Lamellengenerato­ ren ähnlich denen, die in Fig. 6 dargestellt sind, zu erhöhen;

Fig. 9 einen Teil eines Plankenzaunes mit mehreren Lamellengeneratoren und

Fig. 10 eine Schaltungsanordnung, welche mehrere piezoelektrische fluidelektrische Generatoren gemäß dieser Erfindung enthält, die mit ihren Elektroden über Dioden mit einer Leitungs­ schiene verbunden sind.

Bei dem vorliegenden piezoelektrischen Generator werden Schwingungen in einem piezoelektrischen Biegeelement erzeugt, um elektrische Leistung aus Fluidleistung zu erzeugen. Beispielsweise kann eine aerodynamische Schwingung aus Windleistung erzeugt werden und eine Gruppe von piezoelektrischen, fluidelektrischen Genera­ toren kann für ein Arbeiten als Windkraftwerk verwendet werden. Andere Fluide, z. B. Wasser, können ebenfalls verwendet werden.

Als erstes wird ein Flatterflügeltyp eines piezoelektrischen fluidelektrischen Generators beschrieben, bei dem ein vergrößerter Flügel am freien Ende eines piezoelektrischen Biegeelements angeordnet ist, um die aerodynamische Schwingung im Windstrom beim Vorbeiströmen des Luftstroms am Flügel zu verbes­ sern.

Dann wird ein Lamellentyp von piezoelektrischem fluidelektrischem Generator beschrieben, der einem Kanal zugeordnet ist, welcher den Luftstrom direkt auf das Biegeelement richtet und welcher die Strömung des Luftstromes einschränkt und örtlich die Geschwindig­ keit erhöht, um gemäß dem Bernoullischen Prinzip eine Saugwirkung auf der einen Seite des piezoelek­ trischen Biegeelements zu erzeugen, bis die elastische Rückstellkraft des Biegeelements die Saugkraft überwin­ det und bewirkt, daß sich die Lamelle in der entgegen­ gesetzten Richtung biegt. Bei dem Flatterflügeltyp von Generator kann ein an das freie Ende des piezoelek­ trischen Biegeelements angesetzter vergrößerter Flügel aus einem getrennten Material bestehen, das am piezoelek­ trischen Biegeelement befestigt oder verbunden bzw. verklebt ist oder, er kann eine integrale Fortsetzung des piezoelektrischen Biegeelements sein, die vergrößert ist, um den zusätzlichen Oberflächenbereich für die Verbesserung der Flatterwirkung zu liefern.

In Fig. 1 ist ein piezoelektrischer fluidelektrischer Generator 10 des Flatterflügeltyps 12 einschließlich eines piezoelektrischen Biegeelements 14 und eines Flügels 16 dargestellt, der durch ein U-förmiges Bauteil 18 gehaltert ist, welches am freien Ende 20 des Elements 14 befestigt ist. Das andere Ende des Elements 14 ist in einer Halterung in einer Montage­ vorrichtung, einem Kanal 22 gehaltert. Das Element 14 enthält zwei piezoelektrische Teile 24 mit einem elastischen Metallblechteil 28 zwischen diesen. An den piezoelektrischen Teilen 24, 26 sind Elektroden 30 bzw. 32 angebracht. Längs des Flügels 16 strömt Luft in Richtung der Pfeile 34, wie in Fig. 2 deutlicher dargestellt ist, in der die Stromlinien 36 über das flatternde Element 14 fließen, das hier ohne Flügel 16 dargestellt ist, und Wirbel 38 sich vom hinteren Rand des Elements 14 ablösen. Die sich ablösenden Wirbel erzeugen in diesem Bereich einen niedrigen Druck, der den Flügel zu dieser einen Seite hinzieht, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Wenn die elastische Rückstellkraft des Elements 14 die Wirbelsaugwirkung übersteigt und die Wirbel abklin­ gen, beginnt das Element 14 sich in der entgegengesetzten Richtung zu bewegen, wo sich wegen der Krümmung dann ein Wirbelvakuum aufzubauen beginnt. Diese Vorgänge dauern an, so daß das Element 14 hin- und herflattert und einen alternierenden elektrischen Strom erzeugt, der durch die Elektroden 30, 32 zu einer Last geleitet wird. Der Flügel 16 verbessert die aerodynamische Schwingung oder das Flattern. Obwohl in der vorliegenden Beschreibung durch­ gehend auf aerodynamische Phänomene und die Verwendung von Luft und Wind zum Antrieb des piezoelektrischen fluidelektrischen Generators Bezug genommen wird, ist dies keine Einschränkung der Erfindung, da irgendein sich in Bewegung befindliches Fluid verwendet werden kann, z. B. andere Gase und Flüssigkeiten, wie Wasser.

Ein typischer Flatterflügel, Fig. 3, kann einen 0,254 cm dicken Polyesterflügel 16 a, Fig. 3, enthalten, der 2,54 cm · 2,22 cm groß ist und mit einer Überlappung von 0,635 cm mit dem Ende eines 0,05 cm dicken piezo­ elektrischen Biegeelements 14 a verbunden ist, das 0,80 cm breit sowie 3,81 cm lang ist und aus Keramik besteht und mit einem Einfallswinkel von + oder -30° arbeitet, wie in Fig. 4 dargestellt ist. Eine Windgeschwindigkeit von 40 km/Stunde erzeugt eine von Spitze zu Spitze gerechnete Ablenkung von 0,318 cm an der Spitze und das Biege­ element erzeugt eine elektrische Ausgangsleistung von 0,833 Milliwatt. Eine Mehrzahl von piezoelektrischen fluidelektrischen Flatterflügelgeneratoren 12 kann bei­ spielsweise an einen gemeinsamen Schneezaun 50, Fig. 5, montiert sein und als Windmühle zur Erzeugung von elektrischer Leistung aus Windkraftwerk arbeiten. Verschiedene Flatterflügel in dieser Anordnung können so abgestimmt sein, daß sie optimal bei verschiedenen Winkelgeschwindigkeiten ansprechen, da die geringen Kosten der Einheiten einen beträchtlichen Betrag einer solchen Überlappung möglich machen. Die gesamte Anordnung wird also bei fast jeder Windgeschwindigkeit Elektrizität erzeugen und nicht nur innerhalb eines engen Geschwindig­ keitsbereiches, in dem rotierende Windmühlen arbeiten können. Beispielsweise kann eine Gruppe 12 aa, die dem Boden am nächsten benachbart ist, auf 14,4 km/Stunde abgestimmt sein, die nächsthöhere Gruppe 12 bb auf 19,2 km/Stunde und die Gruppen 12 cc, 12 dd und 12 ee auf 24,1 km/Stunde, 28,8 km/Stunde bzw. 33,6 km/Stunde.

Beispielsweise kann der Flatterflügel 12 der Fig. 3 und 4 bei Vergrößerung der Fläche des Flügels 16 a und Verrin­ gerung der Steifheit des Elements 14 a bei niedrigeren Schwingungsfrequenzen und damit niedrigerer Windgeschwin­ digkeit arbeiten, dann muß jedoch bei hohen Windgeschwin­ digkeiten die Ablenkamplitude beispielsweise durch An­ schläge begrenzt werden, um eine Übersteuerung und mögliche Beschädigung bei den höheren Windgeschwindig­ keiten zu verhindern. Umgekehrt ergibt eine Verringerung der Fläche des Flügels 16 a und eine Erhöhung der Steifheit des Elements 14 a einen größeren Wirkungsgrad und eine höhere Ausgangsleistung bei höheren Windge­ schwindigkeiten, während das Verhalten bei niedrigeren Windgeschwindigkeiten schlecht ist.

Alternativ kann der piezoelektrische fluidelektrische Generator 10 b, Fig. 6, einen Lamellengenerator 12 b mit einem piezoelektrischen Biegeelement 14 b enthalten, das mit einem Ende durch eine Schraube 60 an einem Halte­ rungsblock 62 auf einer Platte 64 befestigt ist, derart, daß das freie Ende 20 b über einen Kanal oder einem Loch 66 in der Platte 64 positioniert ist. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit 24 b, 26 b, 28 b, 30 b, 32 b bezeichnet.

Eine Luftströmung 34 b oder eine andere Fluidströmung, die gegen die Oberfläche des piezoelektrischen Biegeelements 14 gerichtet ist, ist in Fig. 7 im Detail dargestellt, wo Stromlinien 36 b um das Biegeelement 14 b vom Lamellentyp gehen. Die höhere Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms bei seiner Bewegung durch das Loch oder den Kanal 66 und um das Biegeelement 14 b erzeugt einen lokalisierten Bereich niedrigen Druckes, der gemäß dem Bernoullischen Prinzip das Element 14 b zur Platte 64 hin saugt und dadurch die Strömung verringert. Die Saugkraft nimmt ab, bis die elastische Kraft des Biegeelements 14 b die nach unten gerichtete Bewegung umkehrt und es der Strömungsge­ schwindigkeit des Luftstromes wieder gestattet, zuzuneh­ men, während das Biegeelement 14 sich nach oben bewegt, bis die Saugkraft erneut die elastische Kraft überwindet und das Element 14 b dann sich nach unten bewegt und der Schwingungszyklus sich wiederholt. Eine Gruppe von piezoelektrischen fluidelektrischen Generatorlamellen 12 b kann an einem Kanalmast 70, Fig. 8, montiert werden, der durch ein nicht dargestelltes Lager drehbar an einem Halterungspfosten 72 angebracht ist, so daß die trichter­ artig wirkenden Flächen 74, 76 durch die Wirkung einer Wetterfahne 78 immer in den Wind gedreht werden können. Die Generatorlamellen 12 b sind jeweils, wie in Fig. 6 dargestellt ist, mit ihrem freien Ende 20 b über einem Kanal oder Loch 66 montiert, das in Fig. 8 nicht sichtbar ist.

Alternativ kann eine Gruppe solcher Generatorlamellen 12 b über ähnlichen Löchern oder Kanälen auf den Planken 90, 92 eines gewöhnlichen Landstraßen-Leitplankenzaunes 94 montiert sein, wie es in Fig. 9 dargestellt ist, und zwar mit ihren freien Enden jeweils über Kanälen oder Löchern, die in Fig. 9 nicht sichtbar sind. Die piezoelektrischen fluidelektrischen Generatoren 12 b können mit Vollweg­ gleichrichter-Diodenbrücken 100, 100 a . . . d verbunden sein, deren Ausgangsgleichstrom dann auf einer Sammelschiene 102 einer Last zugeführt wird (Fig. 10).

Claims (6)

1. Piezoelektrischer Generator zur Entnahme von Energie aus einem Fluidstrom, mit

• - wenigstens einem einseitig fest eingespannten piezo­ elektrischen Biegeelement,
• - einer Flügelanordnung, die in der Fluidströmung ange­ ordnet, durch diese in seitliche Schwingungen versetzbar und mit dem Biegeelement gekoppelt ist, und
• - einer mit dem Biegeelement verbundenen Elektrodenanordnung zur Ableitung des bei der Schwingungsbewegung erzeugten elektrischen Stroms,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Flügelanordnung (16) eine axiale Verlängerung des freien Endes des Biegeelements (14) bildet, eine größere Breite hat als das Biegeelement und zusammen mit letzterem dem Fluidstrom ausgesetzt ist.

2. Piezoelektrischer Generator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügelan­ ordnung durch eine integrale Verlängerung des Biegeelements (14) selbst gebildet ist.

3. Piezoelektrischer Generator nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Kanalanordnung (66), durch die das Biegeelement (14 b) an seinem freien Ende (20 b) quer zu seiner Oberfläche angeströmt wird.

4. Piezoelektrischer Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine die Fluidströmung auf das jeweilige piezoelektrische Biegeelement (12 b) fokussierende Trichteranordnung (74, 76).

5. Piezoelektrischer Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von piezo­ elektrischen Biegeelementen mit mindestens zwei hinsicht­ lich der elastischen Eigenschaften verschiedenen Gruppen (12 aa, 12 bb, . . . 12 ee).