WO2009046709A1 - Piezoelectric microgenerator - Google Patents

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WO2009046709A1
WO2009046709A1 PCT/DE2008/001661 DE2008001661W WO2009046709A1 WO 2009046709 A1 WO2009046709 A1 WO 2009046709A1 DE 2008001661 W DE2008001661 W DE 2008001661W WO 2009046709 A1 WO2009046709 A1 WO 2009046709A1
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WO
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piezoelectric
bimorph elements
longitudinal direction
fluid
bending
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Application number
PCT/DE2008/001661
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German (de)
French (fr)
Inventor
Karin Bauer
Wolfgang Hellmich
Sebastian Pobering
Norbert Schwesinger
Martin Sellen
Johann Sperl
Original Assignee
Eads Deutschland Gmbh
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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

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric microgenerator according to the preamble of claim 1.
  • Vortexes occur in a broad speed range from well below the critical Reynolds number to Reynolds numbers of> 10,000.
  • the dimensions of vortex streets range from about 100 microns to about 100 kilometers.
  • the time between the separation of two successive vortices is associated with the Strouhal number characteristic of the flow velocity and the size of the obstruction. If there are moving structures within the vortex street, they are stimulated to vibrate.
  • the principle is used in measurement technology in so-called "vortex meters" for determining the flow velocity.
  • Piezoelectric generators are almost invariably used in the small and micro power sector. They are suitable in this area for the supply of small electrical appliances, such as sensors with integrated electronics. Pieducers described in the literature mainly use anthropogenic energy sources, such as vibrations, which otherwise remain unused. Such generators usually consist of a cantilevered bimorph bar whose clamping is connected to the vibrating device and has a seismic mass at the other end. In the vibration, the mass causes a continuous bending of the beam and thus a charge separation. These systems have a very high resonance peak, giving them their own achieve maximum efficiency only at vibration frequencies that correspond to the natural resonance of the spring-mass system (Glynne-Jones).
  • piezoelectric-based generators use human kinetic energy, for example, when operating switches for the radio-controlled switching of consumers in the building installation (Enocean). Footwear-integrated piezoelectric generators generate energy while running and provide communication and navigation devices (DARPA / Pentagon).
  • DRPA communication and navigation devices
  • Generators are also known which generate energy from fluid flows. This is done either within (US 4,005,319, US 3,519,009, US 6,011,346), or even outside closed systems (DE 33 90 497 T1, US 6424 079). In addition, piezoelectric generators are described which generate energy from sea waves in various ways (DE 43 39 306, DE 43 39 307).
  • a piezoelectric fluid-electric generator for generating electrical energy from a flowing fluid, in particular moving air, in the manner of a flapper blade.
  • This comprises a piezoelectric bending element and a wing, which is supported by a U-shaped member which is fixed to the free end of the piezoelectric bending element.
  • the other end of the piezoelectric bending element is fixed in a holder of a mounting device.
  • the piezoelectric bending element includes two piezoelectric parts or plates with an elastic sheet metal part therebetween. At the piezoelectric parts electrodes are attached, with which they are electrically contacted.
  • Air flowing along the wing thus formed causes it to flutter, which is used to generate electrical energy in the piezoelectric bending element.
  • a plurality of such two-dimensional array fluttering blade generators are mounted on a snow fence to serve as a windmill for generating electric power Power to work from wind energy.
  • Different tail wings in this arrangement can be tuned to respond optimally at different wind speeds.
  • US Pat. No. 6,424,079 B1 describes a piezoelectric generator for recovering electrical energy from a flow of flowing water in which a number of separate piezoelectric elements are provided on a flexible central layer. In operation, this arrangement is to be subjected to a serpentine movement in which the individual piezoelectric elements are curved with different phase angles. The electrical power output by the individual elements should be collected separately and then electrically combined.
  • the object of the invention is to provide a piezoelectric microgenerator with improved efficiency.
  • the object is achieved by a piezoelectric microgenerator having the features of claim 1.
  • Advantageous embodiments and further developments of the piezoelectric microgenerator according to the invention are characterized in the subclaims.
  • the invention provides a piezoelectric microgenerator for generating electrical energy from a flowing fluid having a number of flexure oscillators of a given length arranged in the flow of the fluid, each having bimorph elements formed by piezoelectric layers extending in the longitudinal direction of the flexural resonators and at a first end secured to a support member and having a second end spaced longitudinally from the first end, and having an electrode assembly for electrically contacting the piezoelectric sheets, the flexural vibrators in operation by the flowing fluid with its second, free one End transversely to its longitudinal direction to be vibrated, and wherein the bending oscillators are formed by the bimorph elements themselves, which in extend substantially from the first, fixed to the holding element end to the second, free end, and wherein laterally juxtaposed Bimorphmaschine are attached to a common holding element.
  • the common holding element to which the respective laterally juxtaposed bimorph elements are fastened, is rotatably mounted to a limited extent about its longitudinal axis extending transversely to the flow direction of the fluid or to a limited extent in a vertical direction extending transversely to the flow direction of the fluid and transversely to the longitudinal axis of the holding element stored translationally.
  • the piezoelectric bimorph elements are arranged with their longitudinal direction substantially parallel to the flow direction of the fluid, wherein the holding element upstream of the same is arranged and the piezoelectric bimorph elements in operation by the flowing fluid with its second, free end across be vibrated to the flow direction.
  • a disruptive body is provided upstream of the piezoelectric bimorph elements, which has a characteristic thickness D transverse to the flow direction of the fluid, which is between 3 to 30 times, preferably between 5 to 20 times the thickness d of the piezoelectric bimorph elements is.
  • the disruptive body is formed by the holding element.
  • the obstruction body is provided for generating a Karmän vortex street in the flowing fluid, wherein the length of the bending oscillator formed by the piezoelectric bimorph elements is smaller than the distance between two successive vortices. According to one embodiment of the invention, it is provided that the length of the bending oscillator formed by the piezoelectric bimorph elements is 0, 8- to 5-fold, preferably 1 to 3 times the characteristic Stör stressesdicke.
  • the thickness of the piezoelectric bimorph elements is as low as manufacturing technology possible.
  • the piezoelectric bimorph elements are designed such that they utilize only the first oscillation period of a turbulence forming behind the disruptive body in the flowing fluid.
  • the bimorph elements are provided side by side in a one-dimensional arrangement.
  • the bimorph elements are provided in a 2-dimensional arrangement laterally next to each other and with respect to the flow direction of the fluid behind one another.
  • the bimorph elements are provided in a 3-dimensional arrangement laterally next to each other and one above the other and with respect to the flow direction of the fluid behind one another.
  • the bimorph elements comprise two piezoelectric layers extending in the longitudinal direction of the bending oscillators, which are electrically contacted by an electrode provided on the outside of the bimorph elements and at least one electrode provided between the piezoelectric plates.
  • the bimorph elements comprise two piezoelectric layers extending in the longitudinal direction of the bending oscillators, which are each polarized oppositely in the thickness direction and in each case have an electrode on both outer sides.
  • the bimorph elements each have two oppositely polarized longitudinally, in the longitudinal direction of the bending oscillator piezoelectric plates and each having an electrode on the holding element and at the end spaced from the holding element.
  • a piezoelectrically inactive layer is provided between the two piezoelectric active layers extending in the longitudinal direction of the bending oscillator.
  • the piezoelectrically inactive layer is provided between the electrodes electrically contacting the piezoelectric layers.
  • the layer of piezoelectrically inactive material is formed by a common, the piezoelectric plate electrically contacting electrode.
  • the piezoelectrically inactive layer has a modulus of elasticity comparable to that of the piezoelectric layers and has a thickness which is between 25 and 40%, preferably close to 1/3 of the thickness d of the piezoelectric bimorph element.
  • the present invention utilizes the vortexes of Karman vortex streets to generate electrical energy.
  • elements which consist of piezoelectric material and are configured as bimorphs are arranged behind the disruptive body.
  • the vortices of the flow cause a pressure on these elements, which leads to a deformation perpendicular to the flow direction.
  • Deformation of piezoelectric materials causes charge separation, which is useful as electrical energy at electrodes that enclose the piezoelectric materials.
  • the kinetic energy of the flow is converted directly into electrical energy.
  • Dimensions is mounted translationally, synchronize the vibrations of the attached to the holding element bimorph elements. From this it is possible to electrically couple several bimorph elements directly with each other, without deletions occur. This increases the efficiency of the piezoelectric generator.
  • all bimorph elements have the same resonant frequency.
  • a plurality of juxtaposed bimorph elements are directly electrically connected to each other.
  • an oscillator coupling takes place via the reciprocal piezoelectric effect of the connected bimorph elements.
  • a plurality of bimorph elements following one another in the flow direction are arranged at such a distance that the vortex street formed upstream influences the detachment of the vortexes at the sturgeon body in such a way that the downstream vortex streets synchronize with an eddy street formed upstream. This also increases the efficiency of the piezoelectric generator.
  • FIG. 1 is a schematic enlarged view of an element of a piezoelectric microgenerator for generating electrical energy from a flowing fluid according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is an illustration of various possible arrangements or arrangements of piezoelectric microgenerators for generating electrical energy from a flowing fluid according to various embodiments of the invention
  • FIG. Figure 3 is a schematic enlarged view of an arrangement of three elements of a piezoelectric microgenerator for generating electrical energy from a flowing fluid for explaining embodiments of the invention.
  • Fig. 4 is a schematic enlarged view of an element of a piezoelectric microgenerator for generating electrical energy from a flowing fluid according to an embodiment of the invention similar to Fig. 1, with reference to which the excitation is explained by Kärman'sche vortex streets.
  • piezoelectric microgenerators for generating electrical energy from a flowing fluid, comprising a number of flexible cantilevers of a given length I arranged in a flow having a laminar flow velocity v of the fluid and extending in a longitudinal direction.
  • These each comprise bimorph elements 1 formed by piezoelectric plates 1a, 1b extending in the longitudinal direction of the bending vibrators and are fastened to a holding element 2 at a first end and have a second end spaced in the longitudinal direction from the first end.
  • An electrode arrangement 3, 4, 5, 6 serves for electrical contacting of the piezoelectric plates 1a, 1b. If there is no piezoelectrically inactive intermediate layer in the bimorph, the electrodes 4 and 5 collapse.
  • the bending vibrators are vibrated during operation by the flowing fluid.
  • the flexural vibrators are essentially formed solely by the bimorph elements 1, which extend from the first, attached to the support member 2 end to the second, free end, that is, there are no seismic masses or wings on the bending oscillators provided.
  • the piezoelectric bimorph elements 1 are substantially parallel with their longitudinal direction arranged to the flow direction of the fluid, wherein the holding member 2 upstream of the same is arranged and the piezoelectric Bimorph- elements 1 are offset during operation by the flowing fluid with its second free end transversely to its longitudinal direction and thus transversely to the flow direction of the fluid in vibration.
  • the fluid may in particular be flowing water or flowing air.
  • the generator according to the invention consists of a plurality of piezoelectric bimorph bars or bimorph elements 1 (or "bimorph" for brevity), which are each constructed from the two piezoelectric layers 1a, 1b, as shown in FIG. Seismic masses or wings are, as mentioned, not present.
  • a planar electrode 3, 4 or 5, 6 is respectively located on the upper side and the lower side of each piezo plate 1a, 1b.
  • a piezoelectrically inactive layer 7 can be located between the two piezoelectric layers 1a, 1b are located
  • the bimorphs 1 are attached to interfering bodies, which are formed by the holding element 2 in the embodiments shown and which have a greater characteristic thickness D than the thickness d of the bimorph elements 1 itself.
  • the geometric dimensions, in particular the characteristic thickness D of the disruptive body 2 and the thickness d and length I of the bimorph element 1, must be matched to one another.
  • the bimorph elements 1 therefore preferably have a length I which corresponds to between 1 and 3 times the characteristic disturbance body thickness D.
  • the thickness d of the piezoelectric plates is chosen to be minimal. This results in the minimum thickness d m j n of the platelets from their production.
  • the characteristic disruptive body thickness D should preferably be between 5 and 20 times the thickness d m j n .
  • the conversion of mechanical into electrical energy is greatest in the piezoelectric bimorph 1 when there is a layer 7 of piezoelectrically inactive material between the two piezoelectric plates 1a, 1b. If this layer has the same modulus of elasticity as the piezoceramic, then its thickness is preferably 1/3 of the total bimorph thickness d.
  • the bimorph elements 1 each comprise two piezoelectric layers 1 a, 1 b extending in the longitudinal direction of the bending oscillators, which are each provided with an electrode 3, 6 provided on the outside of the bimorph elements 1 and at least one between the piezoelectric plates 1 a, 1 b provided electrode 4, 5 are electrically contacted.
  • the piezoelectrically inactive layer 7 is provided, namely between the respective, the piezoelectric plates 1a, 1b on the inside electrically contacting electrodes 4, 5.
  • the layer 7 of piezoelectrically inactive electrically conductive material may be formed by a common, the piezoelectric layers 1a, 1b electrically contacting electrode.
  • the piezoelectrically inactive layer 7 has a modulus of elasticity comparable that of the piezoelectric plates 1a, 1b, it may have a thickness which is, for example, between 25 and 40%, preferably close to 1/3 of the thickness d of the piezoelectric bimorph element 1.
  • the piezoelectric bimorph elements 1 are preferably designed such that they utilize only the first oscillation period of the turbulence forming behind the disruptive body 2 in the flowing fluid.
  • the condition of minimum layer thickness d min leads to very small bimorph-impurity dimensions.
  • the bimorph elements 1 can therefore, for example, in a 1-dimensional arrangement laterally next to each other, in a 2-dimensional arrangement side by side and with respect to the flow direction of the fluid one behind the other (or even one above the other) or in a 3-dimensional arrangement laterally next to each other and one above the other and with respect to the flow direction the fluid can be provided one behind the other and thereby form generator modules higher performance.
  • generator modules can be used in all as well
  • Spatial directions are arranged. Thus, they can be adapted to the characteristics of the particular flow and the requirements of a consumer to be supplied. This high degree of redundancy also results in a high reliability of the generator system.
  • bimorph elements 1 of a 1-dimensional arrangement 10 may be attached to a common support member 2, as it to a part in Fig. 3 is shown.
  • the common holding element 2, to which the respective side by side bimorph elements 1 are attached can in be substantially rigidly mounted, but it may in particular be rotatably mounted, for example, about its transverse to the flow direction x of the fluid longitudinal axis z to a limited extent, or it may in a transverse to the flow direction x of the fluid and transverse to the longitudinal axis z of the support member 2 extending vertical direction y be mounted translationally to a limited extent.
  • a plurality of bimorph elements 1 fastened to the holding element 2 are synchronized, resulting in a higher efficiency of the piezoelectric generator.
  • each row is stored in the same way, not only the vibration in a row, but also the vibration of all rows can be synchronized.
  • the synchronization can be further promoted.
  • bimorph elements are electrically connected to each other.
  • the output voltage of a bimorph generator via the reciprocal piezoelectric effect causes the deformation of the other Bimorphgeneratoren, whereby an oscillator coupling is formed.
  • a vortex street influences the formation of a downstream vortex street in such a way that the two vortex streets and thus also the moving bimorph elements synchronize.
  • a further increase in efficiency in a wider speed or frequency spectrum can be achieved by an arrangement of systematically detuned piezoelectric vibrators 1, which are sensitive as a result of the oscillator coupling in a wider frequency band.
  • the bimorph elements 1 can be set individually to different selected resonant frequencies, or it can be set on a common support member 2 laterally adjacent bimorph elements 1 together for each support member 2 to a different resonant frequency. There are also combinations of both possible.
  • rectifiers of lower forward voltage e.g. Shottky diodes, active rectifier circuits or miniaturized transformers that translate the voltage to a higher level are used.
  • the necessary miniaturization requires a high degree of parallelization of the bimorph generators. Therefore, so-called batch processes, as are known in microelectronics, are particularly suitable for the economical production of the systems. With optimum design design, therefore, a large number of generators including the bearing fixation can be produced simultaneously in one operation.
  • the microstructuring of the systems can be different Procedures are performed. These include preferably micro-sandblasting but also dry and wet chemical etching.

Abstract

The invention relates to a piezoelectric microgenerator for generating electrical energy from a flowing fluid, comprising a number of flexural oscillators arranged in the fluid flow, extending in a longitudinal direction over a given length I, each comprising bimorphous elements (1) of piezoelectric layers running in the longitudinal direction of the flexural oscillator fixed to a retainer element (2) at a first end and comprising a second end at a distance from the first end in the longitudinal direction ad with an electrode arrangement for the electrical contacting of the piezoelectric layers, wherein, during operation the flexural oscillators are set in oscillation by the flowing fluid at the second free end thereof perpendicular to the longitudinal direction thereof. The flexural oscillators are formed by the bimorphous elements (1) themselves which substantially run from the first end fixed to the retainer element (2) to the second free end and laterally adjacent bimorphous elements (1) are fixed to a common retainer element (2). The common retainer element (2), to which each lateral adjacent bimorphous elements (1) has a limited rotating mounting about the longitudinal axis z thereof running perpendicular to the direction of flow the fluid, or has a limited translational mounting in a vertical direction y, perpendicular to the direction of flow of the fluid and perpendicular to the longitudinal axis of the retainer element (2).

Description

Piezoelektrischer Mikrogenerator Piezoelectric microgenerator
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Mikrogenerator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a piezoelectric microgenerator according to the preamble of claim 1.
Wird ein Körper kontinuierlich von einem Fluid umströmt, bilden sich unter bestimmten Voraussetzungen in Strömungsrichtung hinter dem Körper charakteristische Wirbel aus. Diese Wirbel wurden nach Theodore von Karman benannt, der sie 1911 erstmalig analytisch beschrieb. Von Kärman'scheIf a fluid flows around a body continuously, characteristic vortexes form behind the body under certain conditions in the flow direction. These vortices were named after Theodore von Karman, who first described them analytically in 1911. From Kärman'sche
Wirbelstraßen treten in einem breiten Geschwindigkeitsbereich von weit unterhalb der kritischen Reynoldszahl bis zu Reynoldszahlen von >10.000 auf. Die Dimensionen von Wirbelstrassen reichen von ca. 100 Mikrometern bis zu ungefähr 100 Kilometern. Die Zeit zwischen der Ablösung zweier aufeinander folgender Wirbel ist über die Strouhal-Zahl charakteristisch mit der Strömungsgeschwindigkeit und der Größe des Störkörpers verbunden. Befinden sich innerhalb der Wirbelstrasse bewegliche Strukturen, werden diese zum Schwingen angeregt. Das Prinzip findet in der Messtechnik bei so genannten „Wirbelzählern" zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit Anwendung.Vortexes occur in a broad speed range from well below the critical Reynolds number to Reynolds numbers of> 10,000. The dimensions of vortex streets range from about 100 microns to about 100 kilometers. The time between the separation of two successive vortices is associated with the Strouhal number characteristic of the flow velocity and the size of the obstruction. If there are moving structures within the vortex street, they are stimulated to vibrate. The principle is used in measurement technology in so-called "vortex meters" for determining the flow velocity.
Piezoelektrische Generatoren werden fast ausnahmslos im Klein- und Kleinstlei- stungsbereich eingesetzt. Sie sind in diesem Bereich zur Versorgung von elektrischen Kleingeräten, wie z.B. Sensoren mit integrierter Elektronik geeignet. In der Literatur beschriebene Piezogeneratoren nutzen hauptsächlich anthropogene Energiequellen, wie z.B. Vibrationen, die sonst ungenutzt bleiben. Derartige Generatoren bestehen meist aus einem einseitig eingespannten Bimorphbalken, dessen Einspannung mit dem schwingenden Gerät verbunden ist und am anderen Ende eine seismische Masse besitzt. Bei der Schwingung bewirkt die Masse eine kontinuierliche Verbiegung des Balkens und somit eine Ladungstrennung. Diese Systeme besitzen eine sehr hohe Resonanzüberhöhung, so dass sie ihren maximalen Wirkungsgrad nur bei Vibrationsfrequenzen erreichen, die der Eigenresonanz des Feder-Masse Systems entsprechen (Glynne-Jones). Andere Generatoren auf piezoelektrischer Basis nutzen menschliche Bewegungsenergie z.B. beim Betätigen von Schaltern zum funkgesteuerten Schalten von Ver- brauchern in der Gebäudeinstallation (Enocean). In Schuhe integrierte piezoelektrische Generatoren erzeugen beim Laufen Energie und versorgen Kommunikations- und Navigationsgeräte (DARPA/Pentagon).Piezoelectric generators are almost invariably used in the small and micro power sector. They are suitable in this area for the supply of small electrical appliances, such as sensors with integrated electronics. Pieducers described in the literature mainly use anthropogenic energy sources, such as vibrations, which otherwise remain unused. Such generators usually consist of a cantilevered bimorph bar whose clamping is connected to the vibrating device and has a seismic mass at the other end. In the vibration, the mass causes a continuous bending of the beam and thus a charge separation. These systems have a very high resonance peak, giving them their own achieve maximum efficiency only at vibration frequencies that correspond to the natural resonance of the spring-mass system (Glynne-Jones). Other piezoelectric-based generators use human kinetic energy, for example, when operating switches for the radio-controlled switching of consumers in the building installation (Enocean). Footwear-integrated piezoelectric generators generate energy while running and provide communication and navigation devices (DARPA / Pentagon).
Es sind auch Generatoren bekannt, die aus Fluidströmungen Energie erzeugen. Dies geschieht entweder innerhalb (US 4 005 319, US 3 519 009, US 6 011 346), oder auch außerhalb geschlossener Systeme (DE 33 90 497 T1, US 6424 079). Darüber hinaus sind piezoelektrische Generatoren beschrieben, die auf verschiedene Arten Energie aus Meereswellen erzeugen (DE 43 39 306, DE 43 39 307).Generators are also known which generate energy from fluid flows. This is done either within (US 4,005,319, US 3,519,009, US 6,011,346), or even outside closed systems (DE 33 90 497 T1, US 6424 079). In addition, piezoelectric generators are described which generate energy from sea waves in various ways (DE 43 39 306, DE 43 39 307).
In der DE 33 90 497 T1 und in der US 4 387 318 ist ein piezoelektrischer fluidelektrischer Generator zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem strömenden Fluid, insbesondere bewegter Luft, nach Art eines Flatterflügels beschrieben. Dieser umfasst ein piezoelektrisches Biegeelement und einen Flügel, der durch ein U-förmiges Bauteil gehaltert ist, welches am freien Ende des piezoelektrischen Biegeelements befestigt ist. Das andere Ende des piezoelektrischen Biegeelements ist in einer Halterung einer Montagevorrichtung festgelegt. Das piezoelektrische Biegeelement enthält zwei piezoelektrische Teile oder Plättchen mit einem elastischen Metallblechteil dazwischen. An den piezoelektrischen Teilen sind Elektroden angebracht, mit denen diese elektrisch kontaktiert sind. Längs des so gebildeten Flügels strömende Luft veranlasst diesen zu einer Flatterbewegung, welche zur Erzeugung elektrischer Energie in dem piezoelektrische Biegeelement genutzt wird. Gemäß einer dort beschriebenen Ausführung ist eine Mehrzahl von solchen piezoelektrischen Flatterflügelgeneratoren in Form eines 2-dimensionalen Arrays an einem Schneezaun montiert, um als Windmühle zur Erzeugung von elektrischer Leistung aus Windenergie zu arbeiten. Verschiedene Flatterflügel in dieser Anordnung können so abgestimmt sein, dass sie optimal bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten ansprechen.DE 33 90 497 T1 and US Pat. No. 4,387,318 describe a piezoelectric fluid-electric generator for generating electrical energy from a flowing fluid, in particular moving air, in the manner of a flapper blade. This comprises a piezoelectric bending element and a wing, which is supported by a U-shaped member which is fixed to the free end of the piezoelectric bending element. The other end of the piezoelectric bending element is fixed in a holder of a mounting device. The piezoelectric bending element includes two piezoelectric parts or plates with an elastic sheet metal part therebetween. At the piezoelectric parts electrodes are attached, with which they are electrically contacted. Air flowing along the wing thus formed causes it to flutter, which is used to generate electrical energy in the piezoelectric bending element. According to an embodiment described therein, a plurality of such two-dimensional array fluttering blade generators are mounted on a snow fence to serve as a windmill for generating electric power Power to work from wind energy. Different tail wings in this arrangement can be tuned to respond optimally at different wind speeds.
In der US 6424 079 B1 ist ein piezoelektrischer Generator zur Gewinnung elektrischer Energie aus einem Strom von fließendem Wasser beschrieben, bei dem auf einer flexiblen zentralen Schicht eine Anzahl von getrennten piezoelektrischen Elementen vorgesehen sind. Beim Betrieb soll diese Anordnung einer schlangenförmigen Bewegung unterworfen werden, bei der die einzelnen piezoelektrischen Elemente mit unterschiedlicher Phasenlage gekrümmt werden. Die von den einzelnen Elementen abgegebene elektrische Leistung soll getrennt gesammelt und danach elektrisch zusammengefasst werden.US Pat. No. 6,424,079 B1 describes a piezoelectric generator for recovering electrical energy from a flow of flowing water in which a number of separate piezoelectric elements are provided on a flexible central layer. In operation, this arrangement is to be subjected to a serpentine movement in which the individual piezoelectric elements are curved with different phase angles. The electrical power output by the individual elements should be collected separately and then electrically combined.
Aus der US 6 011 346 ist ein piezoelektrischer Generator zur Gewinnung elektrischer Energie aus einem Strom eines in einem Kanal oder einem Rohr fließendem Fluid bekannt, bei dem auf einem flexiblen zentralen Träger, der den Kanal bzw. das Rohr in zwei Teilkanäle trennt, eine Anzahl von getrennten piezoelektrischen Elementen vorgesehen sind, die jeweils nach der einen Seite und der anderen Seite ausgelenkt werden und dabei elektrische Energie erzeugen sollen. Stromaufwärts der piezoelektrischen Elemente ist ein den Kanalquerschnitt verengender Körper vorgesehen, der sowohl bezüglich des Kanals oder Rohrs als auch bezüglich der piezoelektrischen Elemente seitlich beweglich ist und eine Schwingung der piezoelektrischen Elemente verursacht.From US Pat. No. 6,011,346 there is known a piezoelectric generator for recovering electrical energy from a flow of a fluid flowing in a duct or pipe, wherein a number depend on a flexible central support separating the duct into two subchannels are provided by separate piezoelectric elements, which are deflected in each case to the one side and the other side and thereby generate electrical energy. Upstream of the piezoelectric elements is provided a channel cross-sectional narrowing body which is laterally movable with respect to both the channel or tube and the piezoelectric elements and causes vibration of the piezoelectric elements.
Im Beitrag "Generator zur Erzeugung elektrischer Energie mithilfe piezoelektrischer Bimorphwandler" zur 7. Chemnitzer Fachtagung Mikrosystemtechnik am 26727. Oktober 2005 wurde ein piezoelektrischer Mikrogenerator zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem strömenden Fluid vorgeschlagen, der eine Anzahl von in der Strömung des Fluids angeordneten, in einer Längsrichtung ausgedehnten Biegeschwingern einer gegebenen Länge aufweist, welche jeweils durch in Längsrichtung der Biegeschwinger verlaufende piezoelektrische Plättchen gebildete Bimorphelemente umfassen und an einem ersten Ende an einem Halteelement befestigt sind und ein in der Längsrichtung von dem ersten Ende beabstandetes zweites Ende aufweisen, und mit einer Elektrodenanordnung zur elektrischen Kontaktierung der piezoelektrischen Plättchen, wobei die Biegeschwinger beim Betrieb durch das strömende Fluid mit ihrem zweiten, freien Ende quer zu ihrer Längsrichtung in Schwingung versetzt werden, und wobei die Biegeschwinger durch die Bimorphelemente selbst gebildet sind, die sich im wesentlichen von dem ersten, an dem Halteelement befestigten Ende zu dem zweiten, freien Ende hin erstrecken, und wobei seitlich nebeneinander befindliche Bimorphelemente an einem gemeinsamen Halteelement befestigt sind.In the article "Generator for generating electrical energy by means of piezoelectric bimorph converter" for the 7th Chemnitzer Fachachtung Mikrosystemtechnik on 26727 October 2005, a piezoelectric microgenerator for generating electrical energy from a flowing fluid has been proposed, which arranged a number of in the flow of fluid in one Longitudinally extended bending oscillators of a given length, which in each case by extending in the longitudinal direction of the bending oscillator piezoelectric plates formed bimorph elements and are attached at a first end to a holding member and having a longitudinally spaced from the first end second end, and with an electrode assembly for electrically contacting the piezoelectric plates, wherein the bending oscillators in the operation of the flowing fluid with its second , the free ends are vibrated transversely to their longitudinal direction, and wherein the bending oscillators are formed by the bimorph elements themselves, which extend substantially from the first, attached to the holding member end to the second, free end, and wherein laterally juxtaposed Bimorph elements are attached to a common holding element.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Mikrogenerator mit verbessertem Wirkungsgrad zu schaffen.The object of the invention is to provide a piezoelectric microgenerator with improved efficiency.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen piezoelektrischen Mikrogenerator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Mikrogenerators sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.According to the invention the object is achieved by a piezoelectric microgenerator having the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the piezoelectric microgenerator according to the invention are characterized in the subclaims.
Durch die Erfindung wird ein piezoelektrischer Mikrogenerator zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem strömenden Fluid geschaffen, der eine Anzahl von in der Strömung des Fluids angeordneten, in einer Längsrichtung ausgedehnten Biegeschwingern einer gegebenen Länge aufweist, welche jeweils durch in Längsrichtung der Biegeschwinger verlaufende piezoelektrische Schichten gebildete Bimorphelemente umfassen und an einem ersten Ende an einem Halteelement befestigt sind und ein in der Längsrichtung von dem ersten Ende beabstandetes zweites Ende aufweisen, und mit einer Elektrodenanordnung zur elektrischen Kontaktierung der piezoelektrischen Plättchen, wobei die Biegeschwinger beim Betrieb durch das strömende Fluid mit ihrem zweiten, freien Ende quer zu ihrer Längsrichtung in Schwingung versetzt werden, und wobei die Biegeschwinger durch die Bimorphelemente selbst gebildet sind, die sich im wesentlichen von dem ersten, an dem Halteelement befestigten Ende zu dem zweiten, freien Ende hin erstrecken, und wobei seitlich nebeneinander befindliche Bimorphelemente an einem gemeinsamen Halteelement befestigt sind. Erfindungsgemäß ist das gemeinsame Halteelement, an welchem die jeweils seitlich nebeneinander befindlichen Bimorphelemente befestigt sind, um seine quer zur Strömungsrichtung des Fluids verlaufende Längsachse in begrenztem Maße rotatorisch gelagert oder in einer quer zur Strömungsrichtung des Fluids und quer zur Längsachse des Halteelements verlaufenden Hochrichtung in begrenztem Maße translatorisch gelagert.The invention provides a piezoelectric microgenerator for generating electrical energy from a flowing fluid having a number of flexure oscillators of a given length arranged in the flow of the fluid, each having bimorph elements formed by piezoelectric layers extending in the longitudinal direction of the flexural resonators and at a first end secured to a support member and having a second end spaced longitudinally from the first end, and having an electrode assembly for electrically contacting the piezoelectric sheets, the flexural vibrators in operation by the flowing fluid with its second, free one End transversely to its longitudinal direction to be vibrated, and wherein the bending oscillators are formed by the bimorph elements themselves, which in extend substantially from the first, fixed to the holding element end to the second, free end, and wherein laterally juxtaposed Bimorphelemente are attached to a common holding element. According to the invention, the common holding element, to which the respective laterally juxtaposed bimorph elements are fastened, is rotatably mounted to a limited extent about its longitudinal axis extending transversely to the flow direction of the fluid or to a limited extent in a vertical direction extending transversely to the flow direction of the fluid and transversely to the longitudinal axis of the holding element stored translationally.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die piezoelektrischen Bimorphelemente mit ihrer Längsrichtung im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des Fluids angeordnet sind, wobei das Halteelement stromaufwärts derselben angeordnet ist und die piezoelektrischen Bimorphelemente beim Betrieb durch das strömende Fluid mit ihrem zweiten, freien Ende quer zur Strömungsrichtung in Schwingung versetzt werden.According to one embodiment of the invention, it is provided that the piezoelectric bimorph elements are arranged with their longitudinal direction substantially parallel to the flow direction of the fluid, wherein the holding element upstream of the same is arranged and the piezoelectric bimorph elements in operation by the flowing fluid with its second, free end across be vibrated to the flow direction.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass stromaufwärts der piezoelektrischen Bimorphelemente ein Störkörper vorgesehen ist, welcher eine charakteristische Dicke D quer zur Strömungsrichtung des Fluids aufweist, die zwischen dem 3- bis 30-fachen, vorzugsweise zwischen dem 5- bis 20-fachen der Dicke d der piezoelektrischen Bimorphelemente beträgt.According to a development of the invention, it is provided that a disruptive body is provided upstream of the piezoelectric bimorph elements, which has a characteristic thickness D transverse to the flow direction of the fluid, which is between 3 to 30 times, preferably between 5 to 20 times the thickness d of the piezoelectric bimorph elements is.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Störkörper durch das Halteelement gebildet ist.According to one embodiment of the invention, it is provided that the disruptive body is formed by the holding element.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Störkörper zur Erzeugung einer von Karmän'schen Wirbelstraße in dem strömenden Fluid vorgesehen, wobei die Länge der durch die piezoelektrischen Bimorphelemente gebildeten Biegeschwinger kleiner als der Abstand zweier aufeinander folgender Wirbel ist. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Länge der durch die piezoelektrischen Bimorphelemente gebildeten Biegeschwinger das 0, 8- bis 5-fache, vorzugsweise das 1- bis 3-fache der charakteristischen Störkörperdicke beträgt.According to one embodiment of the invention, the obstruction body is provided for generating a Karmän vortex street in the flowing fluid, wherein the length of the bending oscillator formed by the piezoelectric bimorph elements is smaller than the distance between two successive vortices. According to one embodiment of the invention, it is provided that the length of the bending oscillator formed by the piezoelectric bimorph elements is 0, 8- to 5-fold, preferably 1 to 3 times the characteristic Störkörperdicke.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Dicke der piezoelektrischen Bimorphelemente so gering wie fertigungstechnisch möglich ist.According to another embodiment of the invention, it is provided that the thickness of the piezoelectric bimorph elements is as low as manufacturing technology possible.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die piezoelektrischen Bimorphelemente so ausgebildet sind, dass sie nur die erste Schwingungsperiode einer sich hinter dem Störkörper in dem strömenden Fluid ausbildenden Turbulenz ausnutzen.According to one embodiment of the invention, it is provided that the piezoelectric bimorph elements are designed such that they utilize only the first oscillation period of a turbulence forming behind the disruptive body in the flowing fluid.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Bimorphelemente in einer 1- dimensionalen Anordnung seitlich nebeneinander vorgesehen.According to one embodiment of the invention, the bimorph elements are provided side by side in a one-dimensional arrangement.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Bimorphelemente in einer 2-dimensionalen Anordnung seitlich nebeneinander und bezüglich der Strömungsrichtung des Fluids hintereinander vorgesehen.According to another embodiment of the invention, the bimorph elements are provided in a 2-dimensional arrangement laterally next to each other and with respect to the flow direction of the fluid behind one another.
Gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Bimorphelemente in einer 3-dimensionalen Anordnung seitlich nebeneinander und übereinander und bezüglich der Strömungsrichtung des Fluids hintereinander vorgesehen.According to yet another embodiment of the invention, the bimorph elements are provided in a 3-dimensional arrangement laterally next to each other and one above the other and with respect to the flow direction of the fluid behind one another.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Bimorphelemente zwei in Längsrichtung der Biegeschwinger verlaufende piezoelektrische Lagen umfassen, die durch jeweils eine an der Außenseite der Bimorphelemente vorgesehene Elektrode und mindestens eine zwischen den piezoelektrischen Plättchen vorgesehene Elektrode elektrisch kontaktiert sind. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Bimorphelemente zwei in Längsrichtung der Biegeschwinger verlaufende piezoelektrische Lagen umfassen, die in Dickenrichtung, jeweils entgegengesetzt polarisiert sind und an den beiden Außenseiten jeweils eine Elektrode besitzen.According to one embodiment of the invention, it is provided that the bimorph elements comprise two piezoelectric layers extending in the longitudinal direction of the bending oscillators, which are electrically contacted by an electrode provided on the outside of the bimorph elements and at least one electrode provided between the piezoelectric plates. According to a further embodiment of the invention, it is provided that the bimorph elements comprise two piezoelectric layers extending in the longitudinal direction of the bending oscillators, which are each polarized oppositely in the thickness direction and in each case have an electrode on both outer sides.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Bimorphelemente zwei in Längsrichtung der Biegeschwinger verlaufende piezoelektrische Plättchen, die in Längsrichtung, jeweils entgegengesetzt polarisiert sind und an dem Halteelement sowie an dem zum Halteelement beabstandetem Ende jeweils eine Elektrode besitzt.In accordance with a further embodiment of the invention, it is provided that the bimorph elements each have two oppositely polarized longitudinally, in the longitudinal direction of the bending oscillator piezoelectric plates and each having an electrode on the holding element and at the end spaced from the holding element.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist zwischen den zwei in Längsrichtung der Biegeschwinger verlaufenden piezoelektrischen aktiven Schicht eine piezoelektrisch inaktive Schicht vorgesehen.According to one embodiment of the invention, a piezoelectrically inactive layer is provided between the two piezoelectric active layers extending in the longitudinal direction of the bending oscillator.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die piezoelektrisch inaktive Schicht zwischen den die piezoelektrischen Schichten elektrisch kontaktierenden Elektroden vorgesehen.According to one embodiment of the invention, the piezoelectrically inactive layer is provided between the electrodes electrically contacting the piezoelectric layers.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Schicht aus piezoelektrisch inaktivem Material durch eine gemeinsame, die piezoelektrischen Plättchen elektrisch kontaktierende Elektrode gebildet.According to another embodiment of the invention, the layer of piezoelectrically inactive material is formed by a common, the piezoelectric plate electrically contacting electrode.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die piezoelektrisch inaktive Schicht einen Elastizitätsmodul vergleichbar dem der piezoelektrischen Schichten aufweist und eine Dicke hat, die zwischen 25 und 40%, vorzugsweise nahe 1/3 der Dicke d des piezoelektrischen Bimorphelements beträgt.According to one embodiment of the invention, it is provided that the piezoelectrically inactive layer has a modulus of elasticity comparable to that of the piezoelectric layers and has a thickness which is between 25 and 40%, preferably close to 1/3 of the thickness d of the piezoelectric bimorph element.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind jeweils seitlich nebeneinander befindliche Bimorphelemente einer 1-dimensionalen Anordnung, einer 2- dimensionalen Anordnung oder einer 3-dimensionalen Anordnung an einem gemeinsamen Halteelement befestigt.According to one embodiment of the invention are each side by side attached bimorph elements of a 1-dimensional arrangement, a 2-dimensional arrangement or a 3-dimensional arrangement attached to a common holding element.
Die vorliegende Erfindung nutzt die Wirbel der von Kärmän'sche Wirbelstraßen zur Gewinnung elektrischer Energie. Dafür sind hinter dem Störkörper Elemente angeordnet, die aus piezoelektrischem Material bestehen und als Bimorph konfiguriert sind. Die Wirbel der Strömung bewirken einen Druck auf diese Elemente, was zu einer Verformung senkrecht zur Strömungsrichtung führt. Verformung piezoelektrischer Materialien bewirkt eine Ladungstrennung, die als elektrische Energie an Elektroden nutzbar ist, welche die piezoelektrischen Materialien einschließen. Dadurch wird die kinetische Energie der Strömung auf direktem Wege in elektrische Energie umgesetzt. Dadurch, dass das gemeinsame Halteelement, an welchem die jeweils seitlich nebeneinander befindlichen Bimorphelemente befestigt sind, um seine quer zur Strömungsrichtung des Fluids verlaufende Längsachse in begrenztem Maße rotatorisch gelagert oder in einer quer zur Strömungsrichtung des Fluids und quer zur Längsachse des Halteelements verlaufenden Hochrichtung in begrenztem Maße translatorisch gelagert ist, synchronisieren sich die Schwingungen der an dem Haltelement befestigten Bimorphelemente. Daraus ist es möglich, mehrere Bimorphelemente elektrisch direkt miteinander zu verkoppeln, ohne dass Auslöschungen auftreten. Dies steigert den Wirkungsgrad des piezoelektrischen Generators.The present invention utilizes the vortexes of Karman vortex streets to generate electrical energy. For this purpose, elements which consist of piezoelectric material and are configured as bimorphs are arranged behind the disruptive body. The vortices of the flow cause a pressure on these elements, which leads to a deformation perpendicular to the flow direction. Deformation of piezoelectric materials causes charge separation, which is useful as electrical energy at electrodes that enclose the piezoelectric materials. As a result, the kinetic energy of the flow is converted directly into electrical energy. Characterized in that the common holding element, to which each of the laterally juxtaposed bimorph elements are attached to its transversely to the flow direction of the fluid extending longitudinal axis rotatably mounted in a limited extent or in a transverse to the flow direction of the fluid and transverse to the longitudinal axis of the support member in a limited vertical direction Dimensions is mounted translationally, synchronize the vibrations of the attached to the holding element bimorph elements. From this it is possible to electrically couple several bimorph elements directly with each other, without deletions occur. This increases the efficiency of the piezoelectric generator.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besitzen alle Bimorphelemente die gleiche Resonanzfrequenz.According to one embodiment of the invention, all bimorph elements have the same resonant frequency.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind Anordnungen von in ihrer Resonanzfrequenz systematisch gegeneinander verstimmten Bimorphelementen vorgesehen, die infolge Oszillatorkopplung in einem breiteren Frequenzband ansprechempfindlich sind. Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind Anordnungen von Bimorphelementen mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen vorgesehen.According to a further advantageous embodiment of the invention arrangements of in their resonant frequency systematically detuned against each other bimorph elements are provided which are responsive due to oscillator coupling in a wider frequency band. According to another advantageous embodiment of the invention, arrangements of bimorph elements with different resonance frequencies are provided.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind mehrere nebeneinander angeordnete Bimorphelemente direkt elektrisch miteinander verbunden. Dadurch findet eine Oszillatorkopplung über den reziproken piezoelektrischen Effekt der verbundenen Bimorphelemente statt.According to another advantageous embodiment of the invention, a plurality of juxtaposed bimorph elements are directly electrically connected to each other. As a result, an oscillator coupling takes place via the reciprocal piezoelectric effect of the connected bimorph elements.
Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind mehrere, in Strömungsrichtung aufeinander folgende Bimorphelemente in einem solchen Abstand angeordnet, dass die stromaufwärts entstandenen Wirbelstrasse die Ablösung der Wirbel an dem Störkörper dahingehend beeinflusst, dass sich die stromabwärts liegenden Wirbelstrassen mit einer stromaufwärts entstandenen Wirbelstrasse synchronisieren. Dies steigert ebenso den Wirkungsgrad des piezoelektrischen Generators.According to yet another advantageous embodiment of the invention, a plurality of bimorph elements following one another in the flow direction are arranged at such a distance that the vortex street formed upstream influences the detachment of the vortexes at the sturgeon body in such a way that the downstream vortex streets synchronize with an eddy street formed upstream. This also increases the efficiency of the piezoelectric generator.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele des piezoelektrischen Mikrogenerators anhand der Zeichnung erläutert.Exemplary embodiments of the piezoelectric microgenerator will be explained below with reference to the drawing.
Es zeigt:It shows:
Fig. 1 eine schematisierte vergrößerte Darstellung eines Elements eines piezoelektrischen Mikrogenerators zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem strömenden Fluid gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;1 is a schematic enlarged view of an element of a piezoelectric microgenerator for generating electrical energy from a flowing fluid according to an embodiment of the invention.
Fig. 2 eine Darstellung verschiedener möglicher Anordnungen oder Arrangements von piezoelektrischen Mikrogeneratoren zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem strömenden Fluid gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung; Fig. 3 eine schematisierte vergrößerte Darstellung einer Anordnung von drei Elementen eines piezoelektrischen Mikrogenerators zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem strömenden Fluid zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung; undFIG. 2 is an illustration of various possible arrangements or arrangements of piezoelectric microgenerators for generating electrical energy from a flowing fluid according to various embodiments of the invention; FIG. Figure 3 is a schematic enlarged view of an arrangement of three elements of a piezoelectric microgenerator for generating electrical energy from a flowing fluid for explaining embodiments of the invention. and
Fig. 4 eine schematisierte vergrößerte Darstellung eines Elements eines piezoelektrischen Mikrogenerator zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem strömenden Fluid gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ähnlich Fig. 1 , anhand dessen die Anregung durch von Kärman'sche Wirbelstraßen erläutert wird.Fig. 4 is a schematic enlarged view of an element of a piezoelectric microgenerator for generating electrical energy from a flowing fluid according to an embodiment of the invention similar to Fig. 1, with reference to which the excitation is explained by Kärman'sche vortex streets.
In den Figuren sind verschiedene Ausführungsbeispiele von piezoelektrischen Mikrogeneratoren zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem strömenden Fluid gezeigt, die eine Anzahl von in einer Strömung mit einer laminaren Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids angeordneten, in einer Längsrichtung lam ausgedehnten Biegeschwingern einer gegebenen Länge I umfasst. Diese umfassen jeweils durch in Längsrichtung der Biegeschwinger verlaufende piezoelektrische Plättchen 1a, 1 b gebildete Bimorphelemente 1 und sind an einem ersten Ende an einem Halteelement 2 befestigt und haben ein in der Längsrichtung von dem ersten Ende beabstandetes zweites Ende. Eine Elektrodenanordnung 3, 4, 5, 6 dient zur elektrischen Kontaktierung der piezoelektrischen Plättchen 1a, 1b. Befindet sich keine piezoelektrisch inaktive Zwischenlage in dem Bimorph, fallen die Elektroden 4 und 5 zusammen. Die Biegeschwinger werden beim Betrieb durch das strömende Fluid in Schwingung versetzt. Die Biegeschwinger sind im wesentlichen durch die Bimorphelemente 1 , die sich von dem ersten, an dem Halteelement 2 befestigten Ende zu dem zweiten, freien Ende hin erstrecken, allein gebildet, das heißt es sind keine seismischen Massen oder Flügel an den Biegeschwingern vorgesehen.Shown in the figures are various embodiments of piezoelectric microgenerators for generating electrical energy from a flowing fluid, comprising a number of flexible cantilevers of a given length I arranged in a flow having a laminar flow velocity v of the fluid and extending in a longitudinal direction. These each comprise bimorph elements 1 formed by piezoelectric plates 1a, 1b extending in the longitudinal direction of the bending vibrators and are fastened to a holding element 2 at a first end and have a second end spaced in the longitudinal direction from the first end. An electrode arrangement 3, 4, 5, 6 serves for electrical contacting of the piezoelectric plates 1a, 1b. If there is no piezoelectrically inactive intermediate layer in the bimorph, the electrodes 4 and 5 collapse. The bending vibrators are vibrated during operation by the flowing fluid. The flexural vibrators are essentially formed solely by the bimorph elements 1, which extend from the first, attached to the support member 2 end to the second, free end, that is, there are no seismic masses or wings on the bending oscillators provided.
Bei den in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen sind die piezoelektrischen Bimorphelemente 1 mit ihrer Längsrichtung im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des Fluids angeordnet, wobei das Halteelement 2 stromaufwärts derselben angeordnet ist und die piezoelektrischen Bimorph- elemente 1 beim Betrieb durch das strömende Fluid mit ihrem zweiten, freien Ende quer zu ihrer Längsrichtung und damit quer zur Strömungsrichtung des Fluids in Schwingung versetzt werden. Das Fluid kann insbesondere strömendes Wasser oder strömende Luft sein.In the embodiments shown in the figures, the piezoelectric bimorph elements 1 are substantially parallel with their longitudinal direction arranged to the flow direction of the fluid, wherein the holding member 2 upstream of the same is arranged and the piezoelectric Bimorph- elements 1 are offset during operation by the flowing fluid with its second free end transversely to its longitudinal direction and thus transversely to the flow direction of the fluid in vibration. The fluid may in particular be flowing water or flowing air.
Der erfindungsgemäße Generator besteht aus einer Vielzahl von piezoelektrischen Bimorphbalken oder Bimorphelementen 1 (oder kurz auch "Bimorph"), die jeweils aus den zwei piezoelektrischen Schichten 1a, 1b aufgebaut sind, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Seismische Massen oder Flügel sind, wie erwähnt, nicht vorhanden. Auf der Ober- und der Unterseite jedes Piezoplättchens 1a, 1b befindet sich bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils eine flächige Elektrode 3, 4 bzw. 5, 6. Zwischen den beiden piezoelektrischen Schichten 1a, 1b kann sich eine piezoelektrisch inaktive Schicht 7 befindenThe generator according to the invention consists of a plurality of piezoelectric bimorph bars or bimorph elements 1 (or "bimorph" for brevity), which are each constructed from the two piezoelectric layers 1a, 1b, as shown in FIG. Seismic masses or wings are, as mentioned, not present. In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, a planar electrode 3, 4 or 5, 6 is respectively located on the upper side and the lower side of each piezo plate 1a, 1b. A piezoelectrically inactive layer 7 can be located between the two piezoelectric layers 1a, 1b are located
Die Bimorphe 1 sind an Störkörpern befestigt, die bei den gezeigten Ausführungsbeispielen durch das Halteelement 2 gebildet sind und die eine größere charakteristische Dicke D besitzen als die Dicke d der Bimorphelemente 1 selbst. Durch das Einbringen der Störkörper 2 in das strömende Medium mit einer laminaren Strömungsgeschwindigkeit v erzeugen sie wechselseitige lamThe bimorphs 1 are attached to interfering bodies, which are formed by the holding element 2 in the embodiments shown and which have a greater characteristic thickness D than the thickness d of the bimorph elements 1 itself. By introducing the disruptive bodies 2 into the flowing medium at a laminar flow rate v generate mutual lam
Strömungsablösungen an den Hinterkanten des Störkörpers 2, wie in Fig. 4 gezeigt. Diese Strömungsablösungen bilden Wirbel in Form von Kärman'scher Wirbelstraßen, die wiederum zu Druckunterschieden zwischen der Oberseite und der Unterseite bzw. allgemein gesprochen, der einen und der anderen Seite der Bimorphelemente 1 führen und somit die Bimorphe 1 zum Schwingen anregen, wenn sie sich in Strömungsrichtung hinter dem Störkörper 2 befinden. Diese mechanischen Schwingungen führen zur periodischen Deformation des Piezomaterials der piezoelektrischen Elemente 1a, 1b und zum Aufbau einer periodisch alternierenden Spannung zwischen den beiden Elektroden 2 und 4 bzw. 5 und 6, welche zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden kann. Um eine dauerhaft periodische Bimorphschwingung zu gewährleisten, müssen die geometrischen Dimensionen, insbesondere die charakteristische Dicke D vom Störkörper 2 und Dicke d und Länge I vom Bimorphelement 1 aufeinander abgestimmt sein. Vorzugsweise besitzen die Bimorphelemente 1 daher eine Länge I, die zwischen 1- und 3-mal der charakteristischen Störkörperdicke D entspricht. Die Dicke d der piezoelektrischen Plättchen ist so gewählt, dass sie minimal ist. Dabei ergibt sich die minimale Dicke dmjn der Plättchen aus deren Fertigung. Die charakteristische Störkörperdicke D sollte vorzugsweise zwischen 5...20 mal der Dicke dmjn betragen.Flow separation at the trailing edges of the bluff body 2, as shown in Fig. 4. These flow separations form vortices in the form of Kärman vortex streets, which in turn lead to pressure differences between the top and the bottom or generally speaking, one and the other side of the bimorph elements 1 and thus stimulate the bimorphs 1 to vibrate when in Flow direction are located behind the bluff body 2. These mechanical vibrations lead to the periodic deformation of the piezoelectric material of the piezoelectric elements 1a, 1b and to build up a periodically alternating voltage between the two electrodes 2 and 4 or 5 and 6, which can be used to generate electrical energy. In order to ensure a permanently periodic bimorph oscillation, the geometric dimensions, in particular the characteristic thickness D of the disruptive body 2 and the thickness d and length I of the bimorph element 1, must be matched to one another. The bimorph elements 1 therefore preferably have a length I which corresponds to between 1 and 3 times the characteristic disturbance body thickness D. The thickness d of the piezoelectric plates is chosen to be minimal. This results in the minimum thickness d m j n of the platelets from their production. The characteristic disruptive body thickness D should preferably be between 5 and 20 times the thickness d m j n .
Die Umsetzung von mechanischer in elektrische Energie ist im piezoelektrischen Bimorph 1 dann am größten, wenn sich zwischen den beiden piezoelektrischen Plättchen 1a, 1b eine Schicht 7 aus piezoelektrisch inaktivem Material befindet. Besitzt diese Schicht den gleichen Elastizitätsmodul wie die Piezokeramik, dann beträgt deren Dicke vorzugsweise 1/3 der gesamten Bimorphdicke d.The conversion of mechanical into electrical energy is greatest in the piezoelectric bimorph 1 when there is a layer 7 of piezoelectrically inactive material between the two piezoelectric plates 1a, 1b. If this layer has the same modulus of elasticity as the piezoceramic, then its thickness is preferably 1/3 of the total bimorph thickness d.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfassen die Bimorphelemente 1 jeweils zwei in Längsrichtung der Biegeschwinger verlaufende piezoelektrische Schichten 1a, 1b, die durch jeweils eine an der Außenseite der Bimorphelemente 1 vorgesehene Elektrode 3, 6 und mindestens eine zwischen den piezoelektrischen Plättchen 1a, 1 b vorgesehene Elektrode 4, 5 elektrisch kontaktiert sind. Zwischen den zwei in Längsrichtung der Biegeschwinger verlaufenden piezoelektrischen Schichten 1a, 1b ist die piezoelektrisch inaktive Schicht 7 vorgesehen, nämlich zwischen den jeweiligen, die piezoelektrischen Plättchen 1a, 1b an der Innenseite elektrisch kontaktierenden Elektroden 4, 5. Alternativ könnte die Schicht 7 aus piezoelektrisch inaktivem, elektrisch leitfähigem Material durch eine gemeinsame, die piezoelektrischen Schichten 1a, 1b elektrisch kontaktierende Elektrode gebildet sein.In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the bimorph elements 1 each comprise two piezoelectric layers 1 a, 1 b extending in the longitudinal direction of the bending oscillators, which are each provided with an electrode 3, 6 provided on the outside of the bimorph elements 1 and at least one between the piezoelectric plates 1 a, 1 b provided electrode 4, 5 are electrically contacted. Between the two extending in the longitudinal direction of the bending vibrator piezoelectric layers 1a, 1b, the piezoelectrically inactive layer 7 is provided, namely between the respective, the piezoelectric plates 1a, 1b on the inside electrically contacting electrodes 4, 5. Alternatively, the layer 7 of piezoelectrically inactive electrically conductive material may be formed by a common, the piezoelectric layers 1a, 1b electrically contacting electrode.
Weist die piezoelektrisch inaktive Schicht 7 einen Elastizitätsmodul vergleichbar dem der piezoelektrischen Plättchen 1a, 1b auf, kann sie eine Dicke haben, die beispielsweise zwischen 25 und 40%, vorzugsweise nahe 1/3 der Dicke d des piezoelektrischen Bimorphelements 1 beträgt.The piezoelectrically inactive layer 7 has a modulus of elasticity comparable that of the piezoelectric plates 1a, 1b, it may have a thickness which is, for example, between 25 and 40%, preferably close to 1/3 of the thickness d of the piezoelectric bimorph element 1.
Die piezoelektrischen Bimorphelemente 1 sind vorzugsweise so ausgebildet, dass sie nur die erste Schwingungsperiode der sich hinter dem Störkörper 2 in dem strömenden Fluid ausbildenden Turbulenz ausnutzen.The piezoelectric bimorph elements 1 are preferably designed such that they utilize only the first oscillation period of the turbulence forming behind the disruptive body 2 in the flowing fluid.
Die Bedingung minimaler Schichtdicke dmin führt zu sehr kleinen Bimorph- Störkörper-Dimensionen. Um damit nutzbare Energiemengen zu erzeugen, ist es notwendig eine Vielzahl derartiger Kombinationen einzusetzen. Diese können in allen drei Raumrichtungen hinter-, über- und nebeneinander angeordnet und zu Generatormodulen zusammengefasst werden, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Die Bimorphelemente 1 können daher beispielsweise in einer 1-dimensionalen Anordnung seitlich nebeneinander, in einer 2-dimensionalen Anordnung seitlich nebeneinander und bezüglich der Strömungsrichtung des Fluids hintereinander (oder auch übereinander) oder in einer 3-dimensionalen Anordnung seitlich nebeneinander und übereinander und bezüglich der Strömungsrichtung des Fluids hintereinander vorgesehen sein und dadurch Generatormodule höherer Leistung bilden. Mehrere solcher Generatormodule können ebenso in allenThe condition of minimum layer thickness d min leads to very small bimorph-impurity dimensions. In order to generate usable amounts of energy, it is necessary to use a variety of such combinations. These can be arranged in all three spatial directions behind, above and next to each other and combined to form generator modules, as shown in FIG. The bimorph elements 1 can therefore, for example, in a 1-dimensional arrangement laterally next to each other, in a 2-dimensional arrangement side by side and with respect to the flow direction of the fluid one behind the other (or even one above the other) or in a 3-dimensional arrangement laterally next to each other and one above the other and with respect to the flow direction the fluid can be provided one behind the other and thereby form generator modules higher performance. Several such generator modules can be used in all as well
Raumrichtungen angeordnet werden. Damit können sie an die Charakteristik der jeweiligen Strömung und die Anforderungen eines zu versorgenden Verbrauchers adaptiert werden. Durch diese hochgradige Redundanz ergibt sich überdies eine hohe Ausfallsicherheit des Generatorsystems.Spatial directions are arranged. Thus, they can be adapted to the characteristics of the particular flow and the requirements of a consumer to be supplied. This high degree of redundancy also results in a high reliability of the generator system.
Jeweils seitlich nebeneinander befindliche Bimorphelemente 1 einer 1- dimensionalen Anordnung 10, einer 2-dimensionalen Anordnung 20 oder einer 3- dimensionalen Anordnung 30, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind, können an einem gemeinsamen Halteelement 2 befestigt sein, wie es zu einem Teil in Fig. 3 gezeigt ist. Das gemeinsame Halteelement 2, an welchem die jeweils seitlich nebeneinander befindlichen Bimorphelemente 1 befestigt sind, kann im wesentlichen starr gelagert sein, es kann aber insbesondere beispielsweise um seine quer zur Strömungsrichtung x des Fluids verlaufende Längsachse z in begrenztem Maße rotatorisch gelagert sein, oder es kann in einer quer zur Strömungsrichtung x des Fluids als auch quer zur Längsachse z des Halteelements 2 verlaufenden Hochrichtung y in begrenztem Maße translatorisch gelagert sein. Dadurch synchronisieren sich mehrere an dem Halteelement 2 befestigte Bimorphelemente 1 , woraus sich ein höherer Wirkungsgrad des piezoelektrischen Generators ergibt.In each case laterally adjacent bimorph elements 1 of a 1-dimensional arrangement 10, a 2-dimensional arrangement 20 or a 3-dimensional arrangement 30, as shown in Fig. 2, may be attached to a common support member 2, as it to a part in Fig. 3 is shown. The common holding element 2, to which the respective side by side bimorph elements 1 are attached, can in be substantially rigidly mounted, but it may in particular be rotatably mounted, for example, about its transverse to the flow direction x of the fluid longitudinal axis z to a limited extent, or it may in a transverse to the flow direction x of the fluid and transverse to the longitudinal axis z of the support member 2 extending vertical direction y be mounted translationally to a limited extent. As a result, a plurality of bimorph elements 1 fastened to the holding element 2 are synchronized, resulting in a higher efficiency of the piezoelectric generator.
Bei räumlich sehr naher Anordnung mehrerer Generatormodule oder -Strukturen ist deren gegenseitige Beeinflussung möglich. Dies kann genutzt werden, um Störkörper-Bimorph-Kombinationen in ihrem Schwingungsverhalten zu synchronisieren. Dazu werden die Kombinationen in einer Reihe, die senkrecht zur Strömungsrichtung steht fixiert (1 D-Arrangement). Die Lagerung dieser Reihe kann dabei so gewählt sein, dass sie nicht starr, sondern elastisch befestigt und dadurch begrenzt rotatorisch um die z-Achse oder translatorisch in Richtung der y- Achse beweglich ist, wie vorher anhand der Fig. 3 erläutert.In spatially very close arrangement of multiple generator modules or structures their mutual influence is possible. This can be used to synchronize disturbing body-bimorph combinations in their vibration behavior. For this purpose, the combinations are fixed in a row that is perpendicular to the flow direction (1 D arrangement). The storage of this row can be chosen so that it is not rigidly but elastically secured and thereby limited rotationally about the z-axis or translationally movable in the direction of the y-axis, as previously explained with reference to FIG.
Wenn jede Reihe in gleicher Weise gelagert wird, kann nicht nur die Schwingung in einer Reihe, sondern auch die Schwingung aller Reihen synchronisiert werden. Durch geeignete asymmetrische Ausführungsform des Störkörpers 2 kann die Synchronisation weiter begünstigt werden.If each row is stored in the same way, not only the vibration in a row, but also the vibration of all rows can be synchronized. By suitable asymmetrical embodiment of the bluff body 2, the synchronization can be further promoted.
Neben der mechanischen ist eine elektrische Synchronisation möglich, indem mehrere Bimorphelemente elektrisch miteinander verbunden sind. Dabei bewirkt die Ausgangsspannung eines Bimorphgenerators über den reziproken piezoelektrischen Effekt die Verformung der anderen Bimorphgeneratoren, wodurch eine Oszillatorkopplung entsteht.In addition to the mechanical electrical synchronization is possible by several bimorph elements are electrically connected to each other. The output voltage of a bimorph generator via the reciprocal piezoelectric effect causes the deformation of the other Bimorphgeneratoren, whereby an oscillator coupling is formed.
Drüber hinaus beeinflusst eine Wirbelstrasse die Entstehung einer stromabwärts liegenden Wirbelstrasse derart, dass sich die beiden Wirbelstrassen und damit auch die sich darin bewegenden Bimorphelemente synchronisieren. Eine weitere Steigerung der Effizienz in einem breiteren Geschwindigkeits- bzw. Frequenzspektrums kann durch, eine Anordnung von systematisch gegeneinander verstimmten Piezoschwingern 1 erreicht werden, die infolge der Oszillator- kopplung in einem breiteren Frequenzband empfindlich sind. Alternativ oder zusätzlich können auch mehrere Anordnungen oder Arrays von Piezoschwingern 1 mit unterschiedlich gewählten Resonanzfrequenzen verwendet werden. Dazu können die Bimorphelemente 1 einzeln auf unterschiedlich gewählte Resonanzfrequenzen eingestellt sein, oder es können die an einem gemeinsamen Halteelement 2 seitlich nebeneinander befindlichen Bimorphelemente 1 gemeinsam für jedes Halteelement 2 auf eine verschiedene Resonanzfrequenz eingestellt sein. Es sind auch Kombinationen von beidem möglich.In addition, a vortex street influences the formation of a downstream vortex street in such a way that the two vortex streets and thus also the moving bimorph elements synchronize. A further increase in efficiency in a wider speed or frequency spectrum can be achieved by an arrangement of systematically detuned piezoelectric vibrators 1, which are sensitive as a result of the oscillator coupling in a wider frequency band. Alternatively or additionally, it is also possible to use a plurality of arrangements or arrays of piezoelectric vibrators 1 with resonance frequencies chosen differently. For this purpose, the bimorph elements 1 can be set individually to different selected resonant frequencies, or it can be set on a common support member 2 laterally adjacent bimorph elements 1 together for each support member 2 to a different resonant frequency. There are also combinations of both possible.
Zur der Energieausbeute werden bevorzugt Gleichrichter mit geringerer Durchlassspannung wie z.B. Shottky-Dioden, aktive Gleichrichterschaltungen oder miniaturisierte Transformatoren, die die Spannung auf ein höheres Niveau umsetzen, eingesetzt.For the energy yield, it is preferred to use rectifiers of lower forward voltage, e.g. Shottky diodes, active rectifier circuits or miniaturized transformers that translate the voltage to a higher level are used.
Zum Ausgleich von Lastschwankungen ist eine Kopplung des Generators mit Energiespeichern möglich. Als bevorzugte Varianten können hier beispielsweise eingesetzt werden: direktes Umwandeln der elektrischen Energie in chemische Energie, beispielsweise den Energieträger Wasserstoff (elektrolytisch), Kopplung der Wandler mit entsprechenden Ladestationen für Akkumulatoren oder auch Speichern der elektrischen Energie in leistungsfähigen Kondensatoren.To compensate for load fluctuations coupling of the generator with energy storage is possible. As preferred variants can be used here, for example: direct conversion of electrical energy into chemical energy, for example, the energy carrier hydrogen (electrolytic), coupling the converter with appropriate charging stations for batteries or even storing the electrical energy in powerful capacitors.
Die notwendige Miniaturisierung erfordert eine hochgradige Parallelisierung der Bimorphgeneratoren. Zur wirtschaftlichen Herstellung der Systeme eignen sich daher insbesondere so genannte Batch-Prozesse, wie sie in der Mikroelektronik bekannt sind. Bei optimaler Designauslegung können daher in einem Arbeitsgang eine Vielzahl von Generatoren inklusive der Lagerfixierung gleichzeitig hergestellt werden. Die Mikrostrukturierung der Systeme kann mit unterschiedlichen Verfahren durchgeführt werden. Dazu zählen bevorzugt Mikro- Sandstrahlverfahren aber auch trocken- und nasschemische Ätzverfahren. The necessary miniaturization requires a high degree of parallelization of the bimorph generators. Therefore, so-called batch processes, as are known in microelectronics, are particularly suitable for the economical production of the systems. With optimum design design, therefore, a large number of generators including the bearing fixation can be produced simultaneously in one operation. The microstructuring of the systems can be different Procedures are performed. These include preferably micro-sandblasting but also dry and wet chemical etching.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Bimorphelement 1a, 1b piezoelektrisches Plättchen1 bimorph element 1a, 1b piezoelectric plate
2 Halteelement 3, 4, 5, 6 Elektrode2 holding element 3, 4, 5, 6 electrode
7 piezoelektrisch inaktive Schicht7 piezoelectrically inactive layer
10 1 D-Anordnung 20 2 D-Anordnung10 1 D arrangement 20 2 D arrangement
30 3D-Anordnung 30 3D arrangement

Claims

Patentansprüche claims
1. Piezoelektrischer Mikrogenerator zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem strömenden Fluid, der eine Anzahl von in der Strömung des Fluids angeordneten, in einer Längsrichtung ausgedehnten Biegeschwingern einer gegebenen Länge I aufweist, welche jeweils durch in Längsrichtung der Biegeschwinger verlaufende piezoelektrische Piättchen (1a, 1b) gebildete Bimorphelemente (1) umfassen und an einem ersten Ende an einem Halteelement (2) befestigt sind und ein in der Längsrichtung von dem ersten Ende beabstandetes zweites Ende aufweisen, und mit einer1. A piezoelectric microgenerator for generating electrical energy from a flowing fluid having a number of arranged in the flow of the fluid, extending in a longitudinal direction bending oscillations of a given length I, which in each case by extending in the longitudinal direction of the bending oscillator piezoelectric plates (1 a, 1 b) formed bimorph elements (1) and are attached to a first end to a holding element (2) and having a longitudinally spaced from the first end second end, and with a
Elektrodenanordnung (3, 4, 5, 6) zur elektrischen Kontaktierung der piezoelektrischen Plättchen (1a, 1b), wobei die Biegeschwinger beim Betrieb durch das strömende Fluid mit ihrem zweiten, freien Ende quer zu ihrer Längsrichtung in Schwingung versetzt werden, und wobei die Biegeschwinger durch die Bimorphelemente (1) selbst gebildet sind, die sich im wesentlichen von dem ersten, an dem Halteelement (2) befestigten Ende zu dem zweiten, freien Ende hin erstrecken, und wobei seitlich nebeneinander befindliche Bimorphelemente (1) an einem gemeinsamen Halteelement (2) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame Halteelement (2), an welchem die jeweils seitlich nebeneinander befindlichen Bimorphelemente (1) befestigt sind, um seine quer zur Strömungsrichtung des Fluids verlaufende Längsachse z in begrenztem Maße rotatorisch gelagert ist oder in einer quer zur Strömungsrichtung des Fluids und quer zur Längsachse des Halteelements (2) verlaufenden Hochrichtung y in begrenztem Maße translatorisch gelagert ist.Electrode arrangement (3, 4, 5, 6) for electrically contacting the piezoelectric plates (1a, 1b), wherein the bending oscillators are vibrated during operation by the flowing fluid with its second, free end transversely to its longitudinal direction, and wherein the bending oscillator are themselves formed by the bimorph elements (1), which extend substantially from the first, attached to the holding element (2) end to the second, free end, and wherein laterally juxtaposed bimorph elements (1) on a common holding element (2 ) are fastened, characterized in that the common holding element (2) on which the respective laterally juxtaposed Bimorphelemente (1) are fixed, about its transverse to the flow direction of the fluid longitudinal axis z is rotatably mounted to a limited extent or in a transverse to Flow direction of the fluid and transversely to the longitudinal axis of the holding element (2) extending high direction y in bur Enztem dimensions is mounted translationally.
2. Piezoelektrischer Mikrogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Bimorphelemente (1) mit ihrer Längsrichtung im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des Fluids angeordnet sind, wobei das Halteelement (2) stromaufwärts derselben angeordnet ist und die piezoelektrischen Bimorphelemente (1) beim Betrieb durch das strömende Fluid mit ihrem zweiten, freien Ende quer zur Strömungsrichtung in Schwingung versetzt werden.2. Piezoelectric microgenerator according to claim 1, characterized in that the piezoelectric bimorph elements (1) with their longitudinal direction substantially parallel to the flow direction of the fluid are arranged, wherein the holding element (2) upstream of the same is arranged and the piezoelectric Bimorphelemente (1) are set during operation by the flowing fluid with its second, free end transversely to the flow direction in oscillation.
3. Piezoelektrischer Mikrogenerator nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke d der piezoelektrischen Bimorphelemente (1) so gering wie fertigungstechnisch möglich ist.3. Piezoelectric microgenerator according to one of claims 1 and 2, characterized in that the thickness d of the piezoelectric bimorph elements (1) is as low as manufacturing technology possible.
4. Piezoelektrischer Mikrogenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der piezoelektrischen Bimorphelemente (1) ein Störkörper vorgesehen ist, welcher eine charakteristische Dicke D quer zur Strömungsrichtung des Fluids aufweist, die zwischen dem 3- bis 30-fachen, vorzugsweise zwischen dem 5- bis 20- fachen der Dicke d der piezoelektrischen Bimorphelemente (1) beträgt.4. Piezoelectric microgenerator according to claim 2, characterized in that upstream of the piezoelectric bimorph elements (1) a disruptive body is provided, which has a characteristic thickness D transverse to the flow direction of the fluid between 3 to 30 times, preferably between the 5 - Up to 20 times the thickness d of the piezoelectric bimorph elements (1).
5. Piezoelektrischer Mikrogenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Störkörper durch das Halteelement (2) gebildet ist.5. Piezoelectric microgenerator according to claim 4, characterized in that the disruptive body is formed by the holding element (2).
6. Piezoelektrischer Mikrogenerator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Störkörper zur Erzeugung einer von Kärman'schen Wirbelstraße in dem strömenden Fluid vorgesehen ist, wobei die Länge I der durch die piezoelektrischen Bimorphelemente (1) gebildeten6. Piezoelectric microgenerator according to claim 3 or 4, characterized in that the bluff body is provided for generating a Kärman'schen vortex street in the flowing fluid, wherein the length of I formed by the piezoelectric bimorph elements (1)
Biegeschwinger kleiner als der Abstand zweier aufeinander folgender Wirbel ist.Flexural oscillator is smaller than the distance between two consecutive vertebrae.
7. Piezoelektrischer Mikrogenerator nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge I der durch die piezoelektrischen Bimorphelemente (1) gebildeten Biegeschwinger das 0, 8- bis 5-fache, vorzugsweise das 1- bis 3-fache der charakteristischen Störkörperdicke D beträgt.7. Piezoelectric microgenerator according to claim 4, 5 or 6, characterized in that the length I of the bending oscillator formed by the piezoelectric bimorph elements (1), the 0, 8- to 5-fold, preferably 1 to 3 times the characteristic Störkörperdicke D is.
8. Piezoelektrischer Mikrogenerator nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Bimorphelemente (1) so ausgebildet sind, dass sie nur die erste Schwingungsperiode einer sich hinter dem Störkörper in dem strömenden Fluid ausbildenden Turbulenz ausnutzen.8. Piezoelectric microgenerator according to one of claims 4 to 7, characterized in that the piezoelectric bimorph elements (1) are designed so that they exploit only the first period of oscillation of a turbulence forming behind the bluff body in the flowing fluid.
9. Piezoelektrischer Mikrogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bimorphelemente (1) in einer 1-dimensionalen Anordnung seitlich nebeneinander vorgesehen sind.9. Piezoelectric microgenerator according to one of claims 1 to 8, characterized in that the bimorph elements (1) are provided laterally side by side in a 1-dimensional arrangement.
10. Piezoelektrischer Mikrogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bimorphelemente (1) in einer 2-dimensionalen Anordnung seitlich nebeneinander und bezüglich der Strömungsrichtung des Fluids hintereinander vorgesehen sind.10. Piezoelectric microgenerator according to one of claims 1 to 8, characterized in that the bimorph elements (1) are provided in a 2-dimensional arrangement laterally next to one another and with respect to the flow direction of the fluid one behind the other.
11. Piezoelektrischer Mikrogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bimorphelemente (1) in einer11. Piezoelectric microgenerator according to one of claims 1 to 8, characterized in that the bimorph elements (1) in one
3-dimensionalen Anordnung seitlich nebeneinander und übereinander und bezüglich der Strömungsrichtung des Fluids hintereinander vorgesehen sind.3-dimensional arrangement side by side and above one another and with respect to the flow direction of the fluid are provided one behind the other.
12. Piezoelektrischer Mikrogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bimorphelemente (1) zwei in12. Piezoelectric microgenerator according to one of claims 1 to 11, characterized in that the bimorph elements (1) two in
Längsrichtung der Biegeschwinger verlaufende piezoelektrische Lagen (1a, 1b) umfassen, die durch jeweils eine an der Außenseite der Bimorphelemente (1) vorgesehene Elektrode (3, 6) und mindestens eine zwischen den piezoelektrischen Lagen (1a, 1b) vorgesehene Elektrode (4, 5) elektrisch kontaktiert sind. Piezoelectric layers (1a, 1b) extending in the longitudinal direction of the bending oscillators, which are provided by an electrode (3, 6) provided on the outside of the bimorph elements (1) and at least one electrode (4, 5) provided between the piezoelectric layers (1a, 1b) ) are electrically contacted.
13. Piezoelektrischer Mikrogenerator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bimorphelemente (1) zwei in Längsrichtung der Biegeschwinger verlaufenden piezoelektrischen Lagen (1a, 1b) umfassen, die jeweils an der Außenseite der piezoelektrsich akiven Lagen Interdigitalelektroden aufweisen.13. Piezoelectric microgenerator according to claim 15, characterized in that the bimorph elements (1) comprise two extending in the longitudinal direction of the bending oscillator piezoelectric layers (1 a, 1 b), each having on the outside of the piezoelectrically active layers interdigital electrodes.
14. Piezoelektrischer Mikrogenerator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bimorphelemente (1) zwei in Längsrichtung der Biegeschwinger verlaufenden piezoelektrischen Lagen (1a, 1b) umfassen, die entgegengesetzt, jeweils in Dickenrichtung polarisiert sind und an den beiden Außenseiten jeweils eine Elektrode besitzen.14. Piezoelectric microgenerator according to claim 15, characterized in that the bimorph elements (1) comprise two extending in the longitudinal direction of the bending oscillator piezoelectric layers (1 a, 1 b), which are oppositely polarized in each case in the thickness direction and on the two outer sides each have an electrode.
15. Piezoelektrischer Mikrogenerator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bimorphelemente (1) zwei in Längsrichtung der Biegeschwinger verlaufende piezoelektrischen Lagen (1a, 1 b) umfassen, die an der Außenseite Interdigitalelektroden aufweisen.15. Piezoelectric microgenerator according to claim 15, characterized in that the bimorph elements (1) comprise two piezoelectric layers (1a, 1b) extending in the longitudinal direction of the bending oscillators, which have interdigital electrodes on the outside.
16. Piezoelektrischer Mikrogenerator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bimorphelemente (1) zwei in Längsrichtung der Biegeschwinger verlaufende piezoelektrischen Lagen (1a, 1b) aufweisen, wobei ein Plättchen in und das andere entgegen der Strömungsrichtung polarisiert ist und eine Elektrode am Halteelement und die anderer16. Piezoelectric microgenerator according to claim 15, characterized in that the bimorph elements (1) have two extending in the longitudinal direction of the bending oscillator piezoelectric layers (1 a, 1 b), wherein a wafer is polarized in and the other against the flow direction and an electrode on the holding element and the others
Elektrode dem Halteelement gegenüber angeordent ist.Electrode is angeordent the retaining element.
17. Piezoelektrischer Mikrogenerator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den zwei in Längsrichtung der Biegeschwinger verlaufenden piezoelektrischen Plättchen (1a, 1b) eine piezoelektrisch inaktive Schicht (7) vorgesehen ist.17. Piezoelectric microgenerator according to claim 12, characterized in that a piezoelectrically inactive layer (7) is provided between the two piezoelectric platelets (1a, 1b) extending in the longitudinal direction of the bending oscillator.
18. Piezoelektrischer Mikrogenerator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrisch inaktive Schicht (7) zwischen den jeweiligen, die piezoelektrischen Plättchen (1a, 1b) elektrisch kontaktierenden Elektroden (4, 5) vorgesehen ist.18. Piezoelectric microgenerator according to claim 13, characterized in that the piezoelectrically inactive layer (7) is provided between the respective electrodes (4, 5) electrically contacting the piezoelectric plates (1a, 1b).
19. Piezoelektrischer Mikrogenerator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrisch inaktive Schicht (7) durch eine gemeinsame, die piezoelektrischen Plättchen (1a, 1b) elektrisch kontaktierende Elektrode (4, 5, 7) gebildet ist.19. Piezoelectric microgenerator according to claim 14, characterized in that the piezoelectrically inactive layer (7) by a common, the piezoelectric plate (1 a, 1 b) electrically contacting electrode (4, 5, 7) is formed.
20. Piezoelektrischer Mikrogenerator nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrisch inaktive Schicht (7) einen Elastizitätsmodul vergleichbar dem der piezoelektrischen Schichten (1a, 1b) aufweist und eine Dicke hat, die zwischen 25 und 40%, vorzugsweise nahe 1/3 der Dicke d des piezoelektrischen Bimorphelements (1) beträgt.20. Piezoelectric microgenerator according to claim 13, 14 or 15, characterized in that the piezoelectrically inactive layer (7) has a modulus of elasticity comparable to that of the piezoelectric layers (1a, 1b) and has a thickness of between 25 and 40%, preferably close Is 1/3 of the thickness d of the piezoelectric bimorph element (1).
21. Piezoelektrischer Mikrogenerator nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils seitlich nebeneinander befindliche Bimorphelemente (1) einer 1-dimensionalen Anordnung (10), einer21. Piezoelectric microgenerator according to one of claims 9 to 16, characterized in that each side juxtaposed bimorph elements (1) of a 1-dimensional arrangement (10), a
2-dimensionalen Anordnung (20) oder einer 3-dimensionalen Anordnung (30) an einem gemeinsamen Halteelement (2) befestigt sind.2-dimensional arrangement (20) or a 3-dimensional arrangement (30) on a common holding element (2) are attached.
22. Piezoelektrischer Mikrogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass Anordnungen von Bimorphelementen (1) gleicher Resonanzfrequenz vorgesehen sind, deren Schwingungen sich infolge Oszillatorkopplung miteinander synchronisieren.22. Piezoelectric microgenerator according to one of claims 1 to 17, characterized in that arrangements of bimorph elements (1) of the same resonant frequency are provided, the oscillations of which synchronize with each other due to oscillator coupling.
23. Piezoelektrischer Mikrogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass Anordnungen von in ihrer Resonanzfrequenz systematisch gegeneinander verstimmten Bimorphelementen (1) vorgesehen sind, die infolge Oszillatorkopplung in einem breiterem Frequenzband ansprechempfindlich sind. 23. Piezoelectric microgenerator according to one of claims 1 to 17, characterized in that arrangements of systematically tuned in their resonance frequency against each other bimorph elements (1) are provided which are responsive due to oscillator coupling in a broader frequency band.
24. Piezoelektrischer Mikrogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass Anordnungen von Bimorphelementen (1) mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen vorgesehen sind.24. Piezoelectric microgenerator according to one of claims 1 to 17 and 18, characterized in that arrangements of bimorph elements (1) are provided with different resonance frequencies.
25. Piezoelektrischer Mikrogenerator zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem strömenden Fluid, der eine Anzahl von in der Strömung des Fluids angeordneten, in einer Längsrichtung ausgedehnten Biegeschwingern einer gegebenen Länge I aufweist, welche jeweils durch in Längsrichtung der Biegeschwinger verlaufende piezoelektrische Plättchen (1a, 1b) gebildete Bimorphelemente (1) umfassen und an einem ersten Ende an einem25. Piezoelectric microgenerator for generating electrical energy from a flowing fluid, which has a number of arranged in the flow of the fluid, extending in a longitudinal direction bending oscillations of a given length I, which in each case by extending in the longitudinal direction of the bending oscillator piezoelectric plates (1 a, 1 b) formed bimorph elements (1) and at a first end to a
Halteelement (2) befestigt sind und ein in der Längsrichtung von dem ersten Ende beabstandetes zweites Ende aufweisen, und mit einer Elektrodenanordnung (3, 4, 5, 6) zur elektrischen Kontaktierung der piezoelektrischen Plättchen (1a, 1b), wobei die Biegeschwinger beim Betrieb durch das strömende Fluid mit ihrem zweiten, freien Ende quer zu ihrer Längsrichtung in Schwingung versetzt werden, und wobei die Biegeschwinger durch die Bimorphelemente (1) selbst gebildet sind, die sich im wesentlichen von dem ersten, an dem Halteelement (2) befestigten Ende zu dem zweiten, freien Ende hin erstrecken, und wobei seitlich nebeneinander befindliche Bimorphelemente (1) an einem gemeinsamenHolding element (2) are fastened and have a second end spaced in the longitudinal direction from the first end, and with an electrode arrangement (3, 4, 5, 6) for electrically contacting the piezoelectric plates (1a, 1b), wherein the bending oscillators during operation are vibrated by the flowing fluid with its second, free end transversely to its longitudinal direction, and wherein the bending oscillators are formed by the bimorph elements (1) themselves, which are substantially from the first, attached to the holding element (2) end to extend the second, free end, and wherein laterally juxtaposed bimorph elements (1) at a common
Halteelement (2) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass Anordnungen von Bimorphelementen (1) mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen vorgesehen sind. Holding element (2) are fastened, characterized in that arrangements of bimorph elements (1) are provided with different resonance frequencies.
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