WO2013131704A1 - Piezoelektrischer energiewandler - Google Patents
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- WO2013131704A1 WO2013131704A1 PCT/EP2013/052397 EP2013052397W WO2013131704A1 WO 2013131704 A1 WO2013131704 A1 WO 2013131704A1 EP 2013052397 W EP2013052397 W EP 2013052397W WO 2013131704 A1 WO2013131704 A1 WO 2013131704A1
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Classifications
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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
-
- 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
Definitions
- the piezoelectric effect short piezo effect, has long been known. This describes the change in the electrical polarization and thus the occurrence of an electrical voltage on solids when they are elastically deformed (direct piezo effect). Conversely, materials deform when the investor an electrical voltage (inverse piezo effect). Therefore, it has long been known to use the direct piezoelectric effect for generating electric power.
- WO 2011/069850 Al describes the use of deformation energy in electrical energy by means of the direct piezoelectric effect.
- the variable mechanical pressure is used in a defined spatial direction, which is exerted by the deformation energy on piezoelectric elements.
- Described conveyor belts at the reversal points of the elastic conveyor belt is pressed. That the application of WO 2011/069850 AI sees u.a. a conveyor belt in which piezoelectric elements are provided. These piezoelectric elements would then be elastically deformed at the reversal point of the conveyor belt in the radial direction of the reversing drum and thereby generate an electric voltage.
- the object of the present invention is to provide a piezoelectric energy converter of the type described above, in which a larger generation of electrical energy can be achieved by means of the direct piezoelectric effect as previously known. Also, the cost of the piezoelectric elements used should be reduced.
- the present invention relates to a piezoelectric energy converter according to the preamble of claim 1.
- This piezoelectric energy converter is characterized in that the variable mechanical load is substantially a shearing load.
- the present invention is based on the finding that the direct piezoelectric effect at a shear load is many times higher than at a pressure load, because the deflection of the material at a shear is much greater than at a pressure load. Accordingly, a correspondingly greater electrical voltage can be generated. Therefore, this finding can be applied to load cases in which a shearing load occurs.
- the piezoelectric is piezoelectric
- the piezoelectric element may be directly formed as the surface of the outer side of the rotating body or protected by one or more layers of materials or the like to the outside.
- the arrangement of the at least one piezoelectric element is to be provided such that the desired shear stress can act on the at least one piezoelectric element.
- the rotary body is preferably a drive drum or a deflection drum of a conveyor belt system, in the drum lining of which the at least one piezoelectric element together with the elastic transducer element is provided.
- the translationally moving body is then a conveyor belt.
- Drum pad must be equipped with the at least one piezoelectric element together with elastic transducer element and not the conveyor belt itself. In this way, the number of piezoelectric elements used can be significantly reduced and this much better utilized than in a piezoelectric energy conversion, in which the conveyor belt with piezoelectric elements equipped and the drums are not.
- This segmented arrangement of the piezoelectric elements has the advantage that in this way a continuous sequential voltage generation over the entire circumference of the rotating body can take place.
- a quasi-triggered voltage can be generated and easily expressed in e.g. to be stored in a capacitor.
- This stored voltage can be used, for example, to any
- Fig. 1 is a perspective schematic representation of a piezoelectric
- Fig. 1 shows a perspective schematic representation of a piezoelectric energy converter 1.
- the piezoelectric Energy converter 1 a rotary body 2 in the form of a drum 2 a
- Conveyor belt system and a translationally moving body 3 in the form of a conveyor belt can be both a drive drum 2, the one
- the drum 2 has on the surface 20 of its outer side a plurality n of piezoelectric elements PE, which are each mounted elastically on an elastic transducer element.
- the energy generated in this way by shearing the piezoelectric elements PE can be picked up by the piezoelectric elements PE and supplied to electrical consumers or storage of electrical energy.
- PE1 first piezoelectric element of a plurality n of piezoelectric
- PE2 second piezoelectric element of a plurality n of piezoelectric elements
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Energiewandler (1) zum Umwandeln von mechanischer Umgebungsenergie in elektrische Energie durch Einwirkung einer durch die mechanische Umgebungsenergie bewirkten, veränderbaren mechanischen Belastung auf wenigstens ein piezoelektrisches Element (PE), so dass es zu einer Verformung des piezoelektrischen Elementes (PE) kommt und wobei durch die Verformung des piezoelektrischen Elementes (PE) elektrische Energie gewonnen wird. Das piezoelektrische Element (PE) ist auf wenigstens einem elastischen Wandlerelement vorgesehen. Das elastische Wandlerelement bewirkt eine Wandlung der durch die mechanische Umgebungsenergie bewirkten, veränderbaren mechanischen Belastung in eine definierte Verformung des piezoelektrischen Elementes (PE). Die veränderbare mechanische Belastung ist im Wesentlichen eine Scherbelastung.
Description
Beschreibung
Piezoelektrischer Energiewandler
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Energiewandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Der piezoelektrische Effekt, kurz Piezo-Effekt, ist seit langem bekannt. Dieser beschreibt die Änderung der elektrischen Polarisation und damit das Auftreten einer elektrischen Spannung an Festkörpern, wenn sie elastisch verformt werden (direkter Piezo-Effekt). Umgekehrt verformen sich Materialien beim Anleger einer elektrischen Spannung (inverser Piezo-Effekt). Daher ist es seit langem bekannt, den direkten Piezo-Effekt zur Erzeugung von elektrischer Energie zu verwenden.
Die WO 2011/069850 AI beschreibt die Nutzung von Deformationsenergie in elektrische Energie mittels des direkten Piezo-Effekts. Hierbei wird der veränderbare mechanische Druck in einer definierten Raumrichtung genutzt, der durch die Deformationsenergie auf piezoelektrische Elemente ausgeübt wird. Als Anwendungsfall werden z.B. Förderbänder beschrieben, an deren Umkehrpunkten das elastische Förderband eingedrückt wird. D.h. die Anwendung der WO 2011/069850 AI sieht u.a. ein Förderband vor, in dem piezoelektrische Elemente vorgesehen sind. Diese piezoelektrischen Elemente würden dann im Umkehrpunkt des Förderbandes in der radialen Richtung der Umkehrtrommel elastisch deformiert werden und hierdurch eine elektrische Spannung erzeugen.
Nachteilig ist hierbei, dass ein solches Förderband über seine gesamte Länge mit den piezoelektrischen Elementen versehen werden müsste, diese jedoch nur über die im Vergleich zur Länge des Förderbandes sehr kurze Strecke des Umlaufs um die
Umlenktrommel mittels des direkten Piezo-Effekts eine elektrische Spannung erzeugen
können. Damit ist ein sehr hoher Aufwand zu treiben für einen vergleichsweise geringen Nutzen an hierdurch erzeugter elektrischer Energie, insbesondere unter Beachtung der Kosten der zu verwendenden piezoelektrischen Elemente. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Energie wandler der eingangs beschriebenen Art bereit zu stellen, bei der eine größere Erzeugung von elektrischer Energie mittels des direkten Piezo-Effekts erreicht werden kann als bisher bekannt. Auch sollen die Kosten für die verwendeten piezoelektrischen Elemente reduziert werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Somit betrifft die vorliegende Erfindung einen piezoelektrischen Energiewandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Dieser piezoelektrische Energiewandler ist zeichnet sich dadurch aus, dass die veränderbare mechanische Belastung im Wesentlichen eine Scherbelastung ist. Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der direkte Piezo-Effekt bei einer Scherbelastung um ein Vielfaches höher ausfällt als bei einer Druckbelastung, weil die Auslenkung des Materials bei einer Scherung weitaus größer ist als bei einer Druckbelastung. Entsprechend kann eine entsprechend größere elektrische Spannung erzeugt werden. Daher kann diese Erkenntnis auf Belastungsfälle angewendet werden, in denen eine Scherbelastung auftritt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der piezoelektrische
Energiewandler einen Rotationskörper auf, der geeignet ist, eine Rotationsbewegung U zu erzeugen und diese als translatorische Bewegung X auf einen Körper zu übertragen oder eine translatorische Bewegung X von einem Körper aufzunehmen und in eine
Rotationsbewegung U zu übertragen. Das wenigstens eine piezoelektrische Element ist auf
dem wenigstens einen elastischen Wandlerelement auf dem Rotationskörper derart vorgesehen, dass der Körper durch seine translatorische Bewegung X eine Scherbelastung auf das piezoelektrische Element ausüben kann. Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, dass eine derartige Scherbelastung zwischen einem rotierenden Körper (Rotationskörper) und einem sich zu diesem translatorisch bewegendem Körper auftreten kann. So kann zum einen der Rotationskörper zu einer Rotationsbewegung U angetrieben werden und diese in eine translatorische Bewegung X des translatorisch bewegenden Körpers übertragen. Ein solcher Fall ist z.B. bei einer Antriebstrommel eines Förderbandes gegeben. Zum anderen kann auch die translatorische Bewegung X des translatorisch bewegenden Körpers in eine Rotationsbewegung U des Rotationskörpers gewandelt werden. Dies wäre z.B. bei einer Umlenkrolle eines Förderbandes der Fall. In beiden Fällen wird durch die Wandlung zwischen Rotationsbewegung U und translatorischer Bewegung X eine Scherung des Kontaktmaterials sowohl auf der
Oberfläche der Außenseite des Rotationskörpers als auch auf der Oberfläche der Unterseite des translatorisch bewegenden Körpers bewirkt. Diese fällt weitaus größer aus als die durch Druck verursachte Belastung dieser beiden Oberflächen. Daher lässt sich durch die Ausnutzung der Scherbelastung mittels des direkten Piezo-Effekts eine weitaus größere elektrische Energie erzeugen als durch die Ausnutzung der Druckbelastung.
Vorteilhaft ist es dabei, dass wenigstens ein piezoelektrisches Element samt elastischem Wandlerelement auf dem Rotationskörper vorzusehen. Das piezoelektrische Element kann dabei direkt als die Oberfläche der Außenseite des Rotationskörpers ausgebildet oder durch eine oder mehrere Schichten von Materialien oder dergleichen nach außen hin geschützt sein. Dabei ist die Anordnung des wenigstens einen piezoelektrischen Elements derart vorzusehen, dass die gewünschte Scherbelastung auf das wenigstens eine piezoelektrische Element wirken kann.
Vorzugsweise ist der Rotationskörper eine Antriebstrommel oder eine Umlenktrommel eines Fördergurtanlage, in dessen Trommelbelag das wenigstens eine piezoelektrische Element samt elastischem Wandlerelement vorgesehen ist. Der sich translatorisch bewegende Körper ist dann ein Förderband. Insbesondere bei einer derartigen
piezoelektrischen Energiewandlung ergibt sich der Vorteil, dass lediglich der
Trommelbelag mit dem wenigstens einem piezoelektrischen Element samt elastischem Wandlerelement ausgestattet sein muss und nicht der Fördergurt selbst. Hierdurch kann die Anzahl der verwendeten piezoelektrischen Elemente deutlich verringert und diese um ein Vielfaches besser ausgenutzt werden als bei einer piezoelektrischen Energiewandlung, bei der der Fördergurt mit piezoelektrischen Elementen ausgestattet ist und die Trommeln nicht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Rotationskörper eine Mehrzahl n von piezoelektrischen Elementen auf jeweils wenigstens einen elastischen Wandlerelement auf.
Diese segmentierte Anordnung der piezoelektrischen Elemente hat den Vorteil, dass auf diese Weise eine kontinuierliche sequenzielle Spannungserzeugung über den gesamten Umfang des Rotationskörpers erfolgen kann. Hierdurch kann eine quasi getriggerte Spannung erzeugt und auf einfache Weise in z.B. einem Kondensator gespeichert werden. Diese gespeicherte Spannung kann zum Beispiel verwendet werden, um etwaige
Lastspitzen einer elektrischen Antriebseinheit des Rotationskörpers oder anderer elektrischer Verbraucher zu versorgen bzw. zu kompensieren. Ein Ausführungsbeispiel und weitere Vorteile der Erfindung werden nachstehend im Zusammenhang mit der folgenden Figur erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische schematische Darstellung eines piezoelektrischen
Energiewandlers . Fig. 1 zeigt eine perspektivische schematische Darstellung eines piezoelektrischen Energiewandlers 1. In diesem Ausführungsbeispiel weist der piezoelektrische
Energiewandler 1 einen Rotationskörper 2 in Form einer Trommel 2 einer
Fördergurtanlage und einen translatorisch bewegten Körper 3 in Form eines Fördergurtes auf. Die Trommel 2 kann dabei sowohl eine Antriebstrommel 2 sein, die eine
Rotationsbewegung U erzeugt und als translatorische Bewegung X auf den Fördergurt überträgt, als auch eine Umlenktrommel 2, die eine translatorische Bewegung X von dem Fördergurt 3 als Rotationsbewegung U aufnimmt.
Die Trommel 2 weist an der Oberfläche 20 ihrer Außenseite eine Mehrzahl n von piezoelektrischen Elementen PE auf, die jeweils auf einem elastischen Wandlerelement elastisch gelagert sind.
Wird nun der Fördergurt 3 durch die Trommel 2 angetrieben bzw. treibt der Fördergurt 3 die Trommel 2 an, so berühren sich die Oberfläche 20 der Außenseite der Trommel 2 und die Oberfläche 30 der Unterseite des Fördergurtes 3 ab einem Kontaktaufnahmepunkt 4a bis zu einem Kontaktaufgabepunkt 4b. In diesem Kontaktbereich tritt durch die Wandler zwischen rotatorischer und translatorischer Bewegung U, X eine Scherung der piezoelektrischen Elemente PE auf, die zu einer Erzeugung von elektrischer Energie durch den direkten Piezo-Effekt führt. Dabei ist die Scherung bei der Kontaktaufnahme der Oberflächen 20, 30 am Punkt 4a am größten und nimmt über den Kontaktbereich bis zum Kontaktaufgabepunkt 4b hin kontinuierlich ab. In dem Bereich des Umfangs der Trommel 2, in dem kein Kontakt mit dem Fördergurt besteht, tritt keine Scherung der
piezoelektrischen Elemente PE auf.
Die hierdurch mittels Scherung der piezoelektrischen Elemente PE erzeugte Energie kann von den piezoelektrischen Elemente PE abgegriffen und elektrischen Verbrauchern oder Speichern elektrischer Energie zugeführt werden. Hier können gegebenenfalls
Spannungswandler und bzw. oder Umrichter und dergleichen eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste
(Teil der Beschreibung)
U Rotationsbewegung
X translatorische Bewegung
1 Piezoelektrischer Energiewandler
2 Rotationskörper, vorzugsweise Antriebs- oder Umlenktrommel
20 Oberfläche der Außenseite des Rotationskörpers 2
3 (translatorisch bewegter) Körper, vorzugsweise Fördergurt
30 Oberfläche der Unterseite des Körpers 3
4a Kontaktaufnahmepunkt zwischen Rotationskörper 2 und translatorisch bewegtem Körper 3
4b Kontaktaufgabepunkt zwischen Rotationskörper 2 und translatorisch bewegtem Körper 3
PE piezoelektrisches Element
PE1 erstes piezoelektrisches Element einer Mehrzahl n von piezoelektrischen
Elementen PE
PE2 zweites piezoelektrisches Element einer Mehrzahl n von piezoelektrischen Elementen PE
PEm m-tes piezoelektrisches Element einer Mehrzahl n von piezoelektrischen
Elementen PE
PEn n-tes piezoelektrisches Element einer Mehrzahl n von piezoelektrischen
Elementen PE
Claims
1. Piezoelektrischer Energiewandler (1) zum Umwandeln von mechanischer
Umgebungsenergie in elektrische Energie durch Einwirkung einer durch die mechanische Umgebungsenergie bewirkten, veränderbaren mechanischen
Belastung auf wenigstens ein piezoelektrisches Element (PE), so dass es zu einer Verformung des piezoelektrischen Elementes (PE) kommt und wobei durch die Verformung des piezoelektrischen Elementes (PE) elektrische Energie gewonnen wird,
wobei das piezoelektrische Element (PE) auf wenigstens einem elastischen Wandlerelement vorsehen ist, und
wobei das elastische Wandlerelement eine Wandlung der durch die mechanische Umgebungsenergie bewirkten, veränderbaren mechanischen Belastung in eine definierte Verformung des piezoelektrischen Elementes (PE) bewirkt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die veränderbare mechanische Belastung im Wesentlichen eine Scherbelastung ist.
2. Piezoelektrischer Energiewandler (1) nach Anspruch 1, mit
einem Rotationskörper (2), der geeignet ist, eine Rotationsbewegung U zu erzeugen und diese als translatorische Bewegung X auf einen Körper (3) zu übertragen oder eine translatorische Bewegung X von einem Körper (3) aufzunehmen und in eine Rotationsbewegung U zu übertragen,
wobei das wenigstens eine piezoelektrische Element (PE) auf dem wenigstens einen elastischen Wandlerelement auf dem Rotationskörper (2) derart vorgesehen ist, dass der Körper (3) durch seine translatorische Bewegung X eine Scherbelastung auf das piezoelektrische Element (PE) ausüben kann.
3. Piezoelektrischer Energiewandler (1) nach Anspruch 2,
wobei der Rotationskörper (2) eine Mehrzahl n von piezoelektrischen Elementen (PE) auf jeweils wenigstens einen elastischen Wandlerelement aufweist.
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| DE102004031810A1 (de) * | 2004-07-01 | 2006-01-26 | Continental Aktiengesellschaft | System zur Erzeugung elektrischer Energie für elektronische Komponenten |
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2013
- 2013-02-07 WO PCT/EP2013/052397 patent/WO2013131704A1/de active Application Filing
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Also Published As
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