DE102010019740A1

DE102010019740A1 - Miniaturisiertes Energieerzeugungssystem

Info

Publication number: DE102010019740A1
Application number: DE102010019740A
Authority: DE
Inventors: Alexander Frey; Ingo Dr. Kühne
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-12-07
Filing date: 2010-05-07
Publication date: 2011-06-09
Also published as: EP2510559A1; WO2011069851A1; US20120240672A1; JP2013513355A

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

Die Erfindung betrifft ein Energieerzeugungssystem, insbesondere ausgebildet als integriertes miniaturisiertes Energieerzeugungssystem. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen von Energie für energieautarke Systeme.
Aktoren und Sensoren, die auf der MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)-Technologie basieren, werden zunehmend eingesetzt. Besonders interessant sind hierbei Aktor- bzw. Sensorknoten und Netzwerke, die energieautark funktionieren. Solche Systeme beziehen die zum Betrieb einzelner Komponenten notwendige 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 Reifendruckkontrollsystemen (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 notwendige elektrische Bauteile sind über ein Ventil an einer Felge des Autoreifens befestigt. Die für den Betrieb des Reifendruckkontrollsystems notwendige Energie wird von einer Batterie geliefert. Die Batterie begrenzt die Lebensdauer des Reifendruckkontrollsystems.
Weiterhin sind Systeme bekannt, die über eine Solarzelle gespeist 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 autarke 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 mindestens einem piezoelektrischen Element, in das eine durch einen Fluidstrom hervorgerufene mechanische Kraft derart eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird;
b) ein Gehäuse mit einer Gehäusekammer, in der das piezoelektrische Element angeordnet ist und durch die der Fluidstrom 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 mechanischer 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 ausgestalteten piezoelektrischen Element vorbeigeleitet, dass dieses zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Diese mechanischen Schwingungen werden dazu benutzt, elektrische Energie zu gewinnen. Die gewonnene Energie wird vom Energiemanagementsystem (Powermanagement ASIC) aufbereitet und einem Verbraucher (z. B. dezentrale Aktoren oder Sensoren) zur Verfügung gestellt. Dies ermöglicht den autarken Betrieb dieser dezentralen Systeme, d. h. ohne Verkabelung oder Batteriebetrieb. Diese Systeme können somit prinzipiell 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 piezoelektrische Element angeordnet ist und durch die der Fluidstrom geleitet werden kann über einen Fluidstrom-Einlass und einen Fluidstrom-Auslass. Durch den Fluidstrom-Einlass beziehungsweise 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 erzeugbar ist. Das ermöglicht es, das erfindungsgemäße Energieerzeugungssystem in beliebig dynamisch verformbaren Umgebungen einzusetzen. Z. B. bei Förderbändern, an deren Umkehrpunkten das elastische Förderband verformt wird oder in der Industrieautomatisierung (z. B. Roboter), wo es sehr viele bewegliche Teile gibt, die z. B. durch verformbare Gummimanschetten geschützt sind.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die Mittel zum Verändern des Volumens des Gehäuses durch eine elastisch verformbare Wandung des Gehäuses oder eines Teiles des Gehäuses gebildet sind. Durch die Mittel zum Verändern des Volumens des Gehäuses wird ein Druckstoß oder ein Drucksog des Fluidstroms erzeugt. Aufgrund des Druckstoßes bzw. des Drucksogs wird das Piezoelement zu mechanischen Schwingungen angeregt. Bei einer fluidischen Stoßanregung erfährt das Piezoelement, beispielsweise die Piezo-Fahne, eine abklingende Schwingung. Über den piezoelektrischen 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 Anströmungsgeometrien oder die Anströmung erfolgt direkt senkrecht.
Die elastisch verformbare Wandung ist beispielsweise eine Wandung einer Kavität im Mantel eines Autoreifens. Die elastisch 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 beschriebenen 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 eine Gummi-Membran.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die Mittel zum Verändern des Volumens des Gehäuses durch verformbare mechanische Teile des Gehäuses oder eines Teiles des Gehäuses gebildet sind. Dies können z. B. mechanische Gelenke oder Scharniere sein, die im Gehäuse angebracht sind und bei deren Betätigen das Volumen im Gehäuse verkleinert oder vergrößert wird. Der durch die Volumenänderung erzeugte Druck oder Sog wird in das Piezoelement eingekoppelt und in Schwingungen versetzt. Dadurch wird mechanische Deformationsenergie in fluidische Druckenergie umgewandelt. Das Gehäuse oder Teile des Gehäuses können auch gemäß einem Blasebalg ausgebildet sein, um Druck oder Sog durch Volumenänderungen zu erzeugen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das piezoelektrische Element einen Mehrschichtaufbau mit MEMS-Schichten (d. h. in Micro Electro Mechanical Systems – Technologie) aufweist. Das piezoelektrische Element weist eine Schichtfolge aus Elektrodenschicht, piezoelektrischer Schicht und weiterer Elektrodenschicht auf. Mehrere derartige Schichtfolgen können dabei übereinander gestapelt sein, so dass ein Mehrschichtaufbau mit übereinander gestapelten, alternierend angeordneten Elektrodenschichten und piezoelektrischen Schichten resultiert. Bei der Erzeugung des Piezoelements mit Hilfe der MEMS-Technologie ist es über entsprechenden 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 unterschiedlichsten Materialen bestehen. Beispiele hierfür sind piezoelektrische keramische Materialen wie Bleizirkonattitanat (PZT), Zinkoxid (ZnO) und Aluminiumnitrid (AlN). Piezoelektrische 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 Biegelement, vorzugsweise als Piezo-Fahne ausgebildet. Dazu ist das Biegelement beispielsweise ein piezoelektrischer Biegewandler. Zum Herstellen des Biegewandlers werden beispielsweise mit einer Metallisierung für die Elektrodenschichten bedruckte keramische Grünfolien übereinander gestapelt und gesintert. 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 μm bis 0,5 μm. Die piezoelektrische Schicht ist wenige μm dick, beispielsweise 1 μm bis 10 μm. Das piezoelektrische Element ist als dünne piezoelektrische Membran bzw. Balken ausgestaltet. Das piezoelektrische Element verfügt über eine sehr geringe Masse. Außerdem kann ein solches piezoelektrische Element leicht zu mechanischen Schwingungen angeregt werden. Zur Vervollständigung des Piezoelements in Form einer piezoelektrischen Membran bzw. Balken kann eine Trägerschicht vorgesehen sein, beispielsweise eine Trägerschicht aus Silizium, Polysilizium, Siliziumdioxid (SiO₂) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄). Eine Schichtdicke der Trägerschicht ist aus dem Bereich von 1 μm bis 100 μm ausgewählt. 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 ausgebildet 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 Mehrschichtaufbau mit übereinander gestapelten, alternierend angeordneten Elektrodenschichten und piezoelektrischen Schichten resultiert. Die Membran kann eine im Wesentlichen kreisrunde Grundfläche aufweisen, es sind aber auch rechteckige Membranen denkbar.
Eine Auslenkung (Verformung) der piezoelektrischen Schicht, die durch Einwirken einer mechanischen Kraft auf die piezoelektrische Schicht hervorgerufen wird, führt zur Ladungsverschiebung 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, Titan und eine Platin/Titan-Legierung. Denkbar sind auch nichtmetallische, elektrisch leitende Materialien.
Die piezoelektrische Schicht kann ebenfalls aus unterschiedlichsten Materialen bestehen. Beispiele hierfür sind piezoelektrische keramische Materialen wie Bleizirkonattitanat (PZT), Zinkoxid (ZnO) und Aluminiumnitrid (AlN). Piezoelektrische 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 Abmessungen der Membran. Die Schichtdicken der Schichten der Membran reichen von wenigen μm bis einigen mm.
Die piezoelektrische Membran ist im Energiewandler so angebracht, 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 Dreiecksanordnung auf diese Weise für eine effiziente Energiewandlung verwendet.
Die Membranschlitze verringern die Steifigkeit der Membran. Ein lateraler Membrandurchmesser (Durchmesser einer Membranöffnung des Membranschlitzes) beträgt wenige μm. Der Membrandurchmesser ist beispielsweise aus dem Bereich von bis zu einigen 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 Gesamtgrundfläche auftrifft. Die piezoelektrischen Elemente sind dabei über ihre jeweiligen Seitenränder mit der Innenseite des Energiewandlers 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 hintereinander geschaltet sind. Dadurch wird die erzeugte Energiemenge vergrößert. Es können somit auch Systeme versorgt werden, 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 Energiemanagement einer energieautarken Sensorik und/oder Aktorik verwendet wird. Die integrierte Schaltung (ASIC) zum Energiemanagement der vom piezoelektrischen Energiewandler bereitgestellten Energie ermöglicht eine den jeweiligen Energie-Erfordernissen, des zu versorgenden dezentralen Systems angepasste Energieversorgung. Dadurch kann die für den Verbraucher zur Verfügung stehende Energie angepasst und maximiert werden.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Bereitstellen von Energie für energieautarke Systeme durch Umwandeln 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 Schwingungen angeregt wird und wobei durch die integrierte Schaltung (ASIC) die Energiemenge für ein System bedarfsgerecht zugeführt wird. Die bedarfsgerecht zur Verfügung gestellte Energie ermöglicht einen, den jeweiligen Erfordernissen jeweils angepassten optimalen Energieverbrauch. Dies erhöht die Performance und die Zuverlässigkeit der zu versorgenden dezentralen 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 üblicherweise 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 Energieversorgung (z. B. im Standby-Modus: wenig Energie; im Last-Modus: viel Energie). Es ist auch möglich den ASIC mit einem Energiespeicher (z. B. Kondensator) zu versehen. Dadurch kann das Energiemanagement weiter optimiert werden.
– Es ist keine seismische Masse erforderlich, wie sie bei einem 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 Fluidstroms entsteht, ist eine einfache, in einem Reifen integrierte Erzeugung eines Druckstoßes und damit eine einfache 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 Rotationsgeschwindigkeit 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:
1 ein erstes Beispiel für einen piezoelektrischen Energiewandler für die Verwendung im erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystem in einem seitlichen Querschnitt,
2 ein zweites Beispiel für einen piezoelektrischen Energiewandler für die Verwendung im erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystem, ebenfalls in einem seitlichen Querschnitt,
3 eine piezoelektrische Membran in Aufsicht, zur Verwendung in einem piezoelektrischen Energiewandler,
4a ein erstes beispielhaftes Schemabild des erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystems im Ruhezustand,
4b ein zweites beispielhaftes Schemabild des erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystems mit reduziertem Kammervolumen,
4c ein drittes beispielhaftes Schemabild des erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystems mit expandiertem Kammervolumen,
5 zeigt einen Reifen von der Seite mit Reifenlatsch, als Beispiel für den Einsatz des erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystems,
6 eine beispielhafte piezoelektrische Fahne (bzw. einen piezoelektrischen Biegebalken) mit einer im Wesentlichen dreieckigen Grundfläche, und
7 eine beispielhafte Anordnung piezoelektrischer Elemente.
1 zeigt ein erstes Beispiel für einen piezoelektrischen Energiewandler EW für die Verwendung im erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystem EES (4a–4c) in einem seitlichen Querschnitt. Der piezoelektrische Energiewandler EW wird verwendet 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 piezoelektrische Element PE basiert auf der MEMS-Technologie. Die piezoelektrische Schicht ist eine Piezokeramikschicht PKS mit Bleizirkonattitanat. Alternativ dazu weist die piezokeramische Schicht Aluminiumnitrid oder Zinkoxid auf. Die Elektrodenschichten ES sind aus Platin. Den Abschluss bildet eine optionale Trägerschicht TS aus Siliziumnitrid. Alternativ dazu 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 hervorgerufene mechanische Kraft in das Piezoelement PE eingekoppelt. 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 1 sind im Gehäuse G ein Fluidstrom-Einlass FSE und ein Fluidstrom-Auslass FSA integriert und gegenüber 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 können auch an derselben Seite des Gehäuse G angeordnet bzw. angebracht 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 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.
2 zeigt ein zweites Beispiel für einen piezoelektrischen Energiewandler EW für die Verwendung im erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystem EES (4a–4c), ebenfalls in einem seitlichen Querschnitt. Im Beispiel nach 2 weist das Gehäuse G Mittel W1 zum Verändern des Volumens des Gehäuses auf. Bei dieser Ausgestaltung erfolgt durch die Mittel W1 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 W1 aufweist. Durch Ausüben eines mechanischen Drucks auf diese elastisch verformbare Wandung W1 entsteht ein Druckstoß oder ein Drucksog, je nachdem aus welcher Richtung zum Mittel W1 der mechanische Druck ausgeübt wird. Der erzeugte Druckstoß bzw. Drucksog wird auf die Piezo-Fahne PE übertragen. Es kommt zu den oben beschriebenen mechanischen Schwingungen.
Die elastisch verformbare Wandung W1 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 2 zeigt nur eine Gehäuseöffnung, die für den Fluidstrom-Einlass FSE und den Fluidstrom-Auslass FSA verwendet werden kann.
3 zeigt eine piezoelektrische Membran M in Aufsicht, zur Verwendung in einem piezoelektrischen Energiewandler EW, geeignet für den Einsatz im erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystem EES (4a–4c). Im Gehäuse G kann als piezoelektrisches 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 Auslenkung AL beziehungsweise Verformung der piezoelektrischen Schicht der piezoelektrischen Membran M durch den Druckstoß bzw. Drucksog des Fluidstroms FS wird eine elektrische Energie und elektrische Spannung generiert. Vorteilhafterweise ist die Grundfläche GF der Membran M kreisrund oder rechteckig. 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 Membranschlitze 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 angebracht, 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 Energiewandlung verwendet.
4a bis 4c zeigen eine beispielhafte Ausprägung für das erfindungsgemäße Energieerzeugungssystems EES in unterschiedlichen 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 elektrische 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 Gummimanschetten 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 Gummimanschette). Solche Systeme ermöglichen eine autarke Energieversorgung für dezentral angebrachte Aktoren und/oder Sensoren. Diese Systeme sind wartungsfrei und benötigen keinen Batteriewechsel, was sich auch aus Umweltsicht positiv auswirkt.
4a bis 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 Energiemanagementsystem, 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 Wandung, 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 elektrische Energie umgewandelt wird. Diese primäre elektrische Energie wird über die elektrische Verbindung EV der integrierten 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 angepasste, bzw. erforderliche Energiemengen zur Verfügung zu stellen.
4a zeigt ein erstes beispielhaftes Schemabild des erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystems EES im Ruhezustand. Das Energieerzeugungssystem EES umfasst ein Gehäuse G mit einer Gehäusekammer GK in das piezoelektrische Element PE angeordnet ist und durch die der Fluidstrom FS geleitet werden kann. Einen MEMS Generator als piezoelektrischen Energiewandler zum Umwandeln mechanischer Energie in elektrischer Energie, wobei das piezoelektrische Element PE des Energiewandlers EW durch einen Fluidstrom FS hervorgerufene mechanische Kraft zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, die wiederum in elektrische Energie umgewandelt werden. Die vom Energiewandler 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 Gehäusewandung integriert ist.
4b zeigt ein zweites beispielhaftes Schemabild des erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystems EES im Arbeitszustand mit einem reduzierten Kammervolumen. Im Beispiel nach 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.
4c zeigt ein drittes beispielhaftes Schemabild des erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystems EES in einem Arbeitszustand mit expandiertem Kammervolumen. Dem Beispiel nach 4c wird die elastische Unterlage im Bereich der flexiblen Wandung W3 so bewegt, dass ein expandiertes Kammervolumen 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 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 Schwingungen versetzt. Durch die Expansion des Kammervolumens entsteht eine Sogwirkung (Drucksog), die den Fluidstrom FS erzeugt. Im Beispiel nach 4c dringt dabei der Fluidstrom FS im Wesentlichen durch eine Öffnung im Gehäuse ein und versetzt das Piezoelement PE in Schwingungen.
Beim reduzierten Kammervolumen gemäß 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 Gehäuse 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) Technologie realisieren und ermöglicht somit eine Miniaturisierung, 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.
5 zeigt einen Reifen R von der Seite mit Reifenlatsch RL, als Beispiel für den Einsatz des erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystems. In der Abbildung nach 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 elastisch 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 Lösung besonders vorteilhaft, da durch den Reifen selbst die für den Betrieb der Reifensensorik notwendige Energie bereitgestellt 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 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.
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 Energiewandlung. Die piezoelektrische Fahne nach 6 kann z. B. im erfindungsgemäßen Energiewandler nach 4 eingesetzt werden.
7 zeigt eine beispielhafte Anordnung piezoelektrischer Elemente PE mit jeweils im Wesentlichen dreieckiger Grundfläche zur Verwendung in einem piezoelektrischen Energiewandler. Die piezoelektrischen Elemente (PE) sind so angeordnet, dass eine im Wesentlichen quadratische Gesamtgrundfläche resultiert und wobei der Fluidstrom im Wesentlichen senkrecht auf die Gesamtgrundfläche auftrifft. Die piezoelektrischen Elemente PE sind dabei über ihre jeweiligen Seitenränder mit der Innenseite des Energiewandles bzw. mit einer Fluidstromführung des Energiewandlers verbunden. Die Anordnung stellt eine effiziente Energieumwandlung sicher.
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.
Bezugszeichenliste

EES

Energieerzeugungssystem

EW

Energiewandler

PE

Piezoelektrisches Element

ES

Elektrodenschicht

PKS

Piezokeramikschicht

TS

Trägerschicht

AL

Auslenkung

G

Gehäuse

GK

Gehäusekammer

FS

Fluidstrom

FSE

Fluidstrom-Einlass

FSA

Fluidstrom-Auslass

W1–W3

Mittel zum Verändern des Volumens

EV

Elektrische Verbindung

M

Piezoelektrische Membran

GF

Grundfläche

MS

Membranschlitz

R

Autoreifen

RL

Reifenlatsch

F

Fahrbahn

Claims

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 (W1–W3) zum Verändern des Volumens des Gehäuses (G), 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 (EW) bereitgestellten Energie.
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.
Energieerzeugungssystem (EES) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mittel (W1–W3) zum Verändern des Volumens des Gehäuses durch eine elastisch verformbare Wandung des Gehäuses (G) oder eines Teiles des Gehäuses gebildet sind.
Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mittel (W1–W3) zum Verändern des Volumens des Gehäuses (G) durch verformbare mechanische Teile des Gehäuses (G) oder eines Teiles des Gehäuses gebildet sind.
Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das piezoelektrische Element einen Mehrschichtaufbau mit MEMS-Schichten aufweist.
Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das piezoelektrische Element (PE) eine Piezo-Fahne aufweist.
Energieerzeugungssystem (EES) nach Anspruch 6, wobei die Piezo-Fahne eine im Wesentlichen dreieckige Grundfläche aufweist.
Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das piezoelektrische Element (PE) als Membran (M) ausgebildet ist und der Fluidstrom (FS) im Wesentlichen senkrecht auf die Membran auftrifft und wobei die Membran (M) mindestens zwei sich kreuzende Membranschlitze (MS) aufweist.
Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der piezoelektrischen Energiewandler (EW) piezoelektrische Elemente (PE) mit im Wesentlichen dreieckiger 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.
Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mehrere piezoelektrische Energiewandler (EW) hintereinander geschaltet sind.
Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die integrierte Schaltung (ASIC) zum Energiemanagement einer energieautarken Sensorik und/oder Aktorik verwendet wird.
Verfahren zum Bereitstellen von Energie für energieautarke Systeme durch Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische 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.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei ein stationärer Fluidstrom (FS) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei ein zeitlich sich ändernder Fluidstrom (FS) verwendet wird.