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WO2018176165A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen von elektrischer, in ein stromnetz einspeisbarer wechselstromenergie - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum erzeugen von elektrischer, in ein stromnetz einspeisbarer wechselstromenergie Download PDF

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WO2018176165A1
WO2018176165A1 PCT/CH2018/000006 CH2018000006W WO2018176165A1 WO 2018176165 A1 WO2018176165 A1 WO 2018176165A1 CH 2018000006 W CH2018000006 W CH 2018000006W WO 2018176165 A1 WO2018176165 A1 WO 2018176165A1
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DOUET, Albert
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Definitions

  • - WQ2Q 5140536 A1 discloses a method that uses the sound energy from a drum to convert it into electricity energy, which is used for subsequent use in another device.
  • US201652252 A1 discloses a method which utilizes the mechanical motion of a railway vehicle to generate electric power used within the vehicle.
  • the transducer does not require a power supply for its commissioning. Further preferably, it is resistant to high sound pressure and mechanical stress.
  • sound transducers are e.g. Suitable: voice coil microphone, piezo microphone, microphone array. It is also possible to use any surface of per se known piezoelectric fabrics, preferably those in the form of active fiber composite materials comprising piezoelectric materials, in particular three-dimensional active fiber composite materials comprising piezoelectric materials, e.g. to cover the facade and / or the roof of a building.
  • Fig. 7 is a building in the area of the noise-sound energy of the waves beating on the coast.

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Abstract

Die Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer, in ein Stromnetz (10) einspeisbarer Energie weist mindestens einen Schallwandler (2) auf zum Erfassen der Schallenergie mindestens einer Lärmquelle (1). Im Betrieb wird die Schallenergie in elektrische Signale umgewandelt, in einem Speicher (6, 7) gespeichert und dann als Wechselstromenergie in das Stromnetz (10) eingespeist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer, in ein Stromnetz einspeisbarer Wechselstromenergie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer, in ein Stromnetz einspeisbarer Energie.
Ein Grund für die vorliegende Erfindung ist der zunehmende internationale Bedarf an erneuerbarer Energie, der geradezu nach einer Vorrichtung ruft, die einfach ist, für die Inbetriebnahme keine externe Spannungsversorgung benötigt, wirtschaftlich ist und ein billiges System für Energien-Regenerativentechnik darstellt. Dabei kann nur eine technisch einfache, robuste, wartungsfreundliche und damit auch kostengünstige Vorrichtung, wie sie durch die vorliegende Erfindung bereitstellbar ist, infrage kommen. Das erfindungsgemässe Verfahren ist auch mittels einfacher Komponenten durchführbar, deren Massenproduktion mit hoher Qualität für den Einsatz als elektrische Energiekomponenten bereits bewiesen wurde.
Es sind verschiedene Verfahren bekannt, die aus Lärm gewonnene Schallenergie in elektrische Energie umwandeln und diese gleich wieder verbrauchen oder in einer Batterie speichern. Diese Verfahren haben den gemeinsamen Nachteil, dass die aus Lärmenergien gewonnene elektrische Energie nicht als Wechselstromenergie in ein Stromnetz eingespeist werden kann. Damit entgeht einem ein wertvoller Gewinn. Unter Umständen gehen die gespeicherten Energien aufgrund der Batterieselbstentladung gleich wieder verloren.
Aus dem Stand der Technik ist Folgendes bereits bekannt:
- US2015229242 A1 offenbart eine kostenaufwendige Vorrichtung mit mechanisch bewegbaren Teilen, um Schallenergie in Stromenergie umzuwandeln.
- US2008174281 A1 offenbart ein kostspieliges Gerät, das die Schallenergie in Stromenergie umwandelt. Dieses Gerät soll eine Batterie ersetzen.
- US2009051229 A1 offenbart ein kostspieliges, zum Teil mechanisches Gerät, das eine vorhandene Batterie auflädt. - US2007205881 A1 offenbart ein Verfahren, das die Bewegung eines Fahrzeuges nutzt, um Stromenergie zu erzeugen, welche lediglich für die Aufladung der Fahrzeugbatterie dient.
- WQ2Q 5140536 A1 offenbart ein Verfahren, das die Schallenergie aus einer Trommel nutzt, um sie in Strom energie umzuwandeln, welche für eine nachträgliche Verwendung bei einem anderen Gerät dient.
- US7219449 B1 offenbart ein Verfahren, um Stromenergie in einem Schuh durch dessen Bewegung zu erzeugen und zu speichern.
- US201652252 A1 offenbart ein Verfahren, das die mechanische Bewegung eines Eisenbahnfahrzeuges nutzt, um Stromenergie zu erzeugen, die innerhalb des Fahrzeuges verwendet wird.
- US2010227521 A1 bezieht sich auf piezoelektrische Materialien, insbesondere aktive Faserverbund-Materialien, die piezoelektrische Materialien umfassen.
- US2012153780 A1 bezieht sich auf die piezoelektrische Materialien, insbesondere dreidimensionale aktive Faserverbund-Materialien, die piezoelektrische Materialien umfassen.
Es ist in keinem dieser Dokumente vorgesehen, die aus Lärm gewonnene Energie in ein Stromnetz einzuspeisen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Verfahren und Vorrichtung so weiterzuentwickeln, dass die Nachteile des oben erwähnten Standes der Technik zumindest teilweise behoben werden.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäss Anspruch 1 und die Vorrichtung gemäss dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch gelöst.
Beim erfindungsgemässen Verfahren wird die Schallenergie mindestens einer Lärmquelle in elektrische Energie umgewandelt, die im Endeffekt ins Stromnetz eingespeist wird. Dazu eignet sich besonders eine Vorrichtung, die beispielsweise in der nachträglich beschriebenen Form aufgebaut ist. Ein Bestandteil der erfindungsgemässen Vorrichtung ist das Vorsehen mindestens eines Schallwandlers zum Erfassen der Schallenergie und zum Umwandeln in entsprechende elektrische Signale. Die Schallenergie liegt beispielsweise in Form akustischer Signale vor, die sich als Schallwechseldruckschwingungen von der Lärmquelle ausbreiten.
Vorzugsweise benötigt der Schallwandler für seine Inbetriebnahme keine Spannungsversorgung. Weiter vorzugsweise ist er gegen hohe Schalldrücke sowie mechanische Belastungen resistent. Als Schallwandler sind z.B. geeignet: Tauchspulenmikrofon, Piezomikrofon, Mikrophon-Array. Es ist auch möglich, eine beliebige Fläche von an sich bekannten piezoelektrischen Geweben zu verwenden, vorzugsweise solche in Form von aktiven Faserverbund-Materialien, die piezoelektrische Materialien umfassen, insbesondere dreidimensionalen aktiven Faserverbund-Materialien, die piezoelektrische Materialien umfassen, um z.B. die Fassade und/oder das Dach eines Gebäudes zu bedecken.
Betreffend die Tauchspulenmikrofon, Piezomikrofon, Mikrophon-Array, sie können als Richtantennen verwendet werden, indem als Parabolantennen in Satelittenschüssel montiert werden. Das ist besonders dann von Vorteil wenn sie in Richtung Dauerlärmquellen gerichtet werden. Dadurch wird ein verbesserten maximale Wert der empfangene Lärmenergie, gegeben.
Beim Betrieb der Vorrichtung ergibt sich anschliessend zur Erfassung der Schallenergie vorzugsweise folgender Ablauf: Der Output der umgewandelten elektrischen Spannung wird einem Gleichrichter („Rectifier") zugeführt, um die gewonnene Energie in Gleichstrom umzuwandeln. Dieser wird einem Laderegler und einem Speicher zugeführt. Sobald dieser die vorbestimmte erforderliche Strommenge gespeichert hat, wird der im Speicher gespeicherte Gleichstrom einem Wechselrichter („Konverter") zugeführt, welcher den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt. Nachfolgend wird der Spannungswert dieses Wechselstromes in einem Transformator verändert (in der Regel erhöht), um den Spannungswert an jenen des Stromnetzes anzugleichen. Diese Wechselstromenergie wird dann ins Stromnetz eingespeist. Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, dass die Vorrichtung Bauteile aufweisen kann, die vorzugsweise ab Laderegler von einer oder mehreren anderen Vorrichtungen z.B. Solaranlagen oder Windradanlagen mitverwendet werden. Vorausgesetzt ist, dass die vorbestimmten Strom parameterwerte für alle Vorrichtungen übereinstimmen und dass es bei den angekuppelten Moduleinheiten keine Impedanzunterschiede gibt.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Darüberhinaus sind die Verwendungsmöglichkeiten der Erfindung mannigfaltig. Die in der Folge erwähnten Verwendungen sind ausschliesslich als Beispiele zu betrachten:
— In Landschaftsgebieten, wo ein Stromnetzanschluss vorhanden ist, sowie bei Gebäuden, die bereits an das Stromnetz angeschlossen sind und die im Bereich von stärkeren sowie häufig aktiven Lärm-Energiequellen liegen.
— In Küstengebieten, die an das Stromnetz angeschlossen sind, und wo die wiederholten kraftvollen Getöse-Schallenergien der an die Küsten schlagenden Wellen sowohl häufig als auch hörbar sind
— Gebiete sowie Gebäude, die an das Stromnetz angeschlossen sind, und die im Bereich der Zone der hörbaren Lärmschallenergien des Strassenverkehrs oder Autobahnverkehrs liegen. Speziell stark betroffen sind die Bereiche, die sich an Hängen befinden, weil in diesem Fall die Schallenergien des Lärms deutlich störender sind.
— Gebiete sowie Gebäude, die an das Stromnetz angeschlossenen sind, und die in häufig regnerischen Regionen liegen. Dazu zählen ebenso Gewächshäuser - auch Glashäuser oder Treibhäuser genannt. Die mit viel Geräusch auf das Dach und auf die Fassaden fallenden Regentropfen bewirken bedeutende Lärm-Schallenergien; dazu kommen die Schallenergien der gelegentlich vorkommenden Donner und Stürme.
Weiters und in Bezug auf Gebäude kann die Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung gemäss der Erfindung verzweifachte Vorteile bieten: Werden Schallwandler an den Fassaden, insbesondere rund um die Fenster und die Türen montiert, können sie Teile der ins Gebäude durchdringenden Schallenergie sammeln bzw. absorbieren, um sie im Endeffekt als elektrische Energie ins Stromnetz einzuspeisen. Der übrig gebliebene Teil, der von der nicht-absorbierten Schallenergie herrührt, wird als reduzierte Lärmenergie ins Gebäude hineinpenetrieren. Durch diese Reduktion der Lärm-Schallenergie ist eine ruhigere Akustik innerhalb des Gebäudes gegeben. Weiter ist es von Vorteil, Schallwandler auch innerhalb eines Gebäudes zu installieren, um eine noch ruhigere Akustik in den Räumen zu schaffen.
— In oder an U-Bahnen sowie Eisenbahnen, die an eine Stromnetzvorrichtung angeschlossen sind. Die gesammelte Schallenergie ist am stärksten insbesondere in den Tunnel-Zonen, wo die Lärmschallresonanzen der durchfahrenden Schienenfahrzeuge äusserst kraftvoll sind. Dadurch kann eine maximale Schallenergieausbeutung erzielt werden. Hier ist zu unterscheiden zwischen einerseits der erfindungsgemässen Vorrichtung, mittels welcher Lärmschallenergien in Strom energien umgewandelt und nachher ins Stromnetz einspeist werden können, und andererseits anderen, vorbekannten Vorrichtungen, die bereits in den oben erwähnten U-Bahnen sowie Eisenbahnen montiert sind und die die frei werdende Eisenbahn-Kinetik-Energie z.B. bei einer Geschwindigkeitsreduktion nutzen, um Stromenergie ins Netz einzuspeisen. Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann ebenfalls an Fahrzeugen montiert werden, die mit Strom netzelektrizität betrieben werden, z.B. Oberleitungsbusse - auch Oberleitungsomnibusse, Trolleybusse genannt. Die gesammelte Schallenergie des City-Lärms wird in elektrische Energie umgewandelt und diese dann in das Stromnetz einspeist.
— in überdeckten Durchgängen für Fahrzeuge, beispielsweise in Tunneln für U- Bahnen, Eisenbahnen oder für Kraftfahrzeuge, insbesondere in Autobahntunneln. In den Durchgängen werden beim Hindurchfahren der Fahrzeuge bedeutende Lärmenergien erzeugt, die durch die vorliegende Erfindung nutzbar gemacht werden können.
Vorteilhafterweise wird für die gesamte Vorrichtungsanlage eine Sicherheit gegen Blitzschlag eingebaut.
Weitere spezifische Konstruktionsmerkmale und deren Vorteile sind aus folgender Beschreibung und Zeichnungen ersichtlich. Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieis, welches in den Zeichnungen dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Zeichenblockansicht,
Fig. 2 Beispielsymboie für einige, infrage kommende Lärmquellen,
Fig. 3 und 4 Beispiele für Gebäude, die bereits an das Stromnetz angeschlossen sind und die im Bereich der Schallenergien von verschiedenen Lärmquellen liegen,
Fig. 5 eine Netzstrom betriebene Eisenbahn mit einer montierten erfindungsgemässen Vorrichtung,
Fig. 6 eine Tunnelstrecke, die auch für Netzstrom betriebene Eisenbahnen verwendet werden kann, und
Fig. 7 ein Gebäude im Bereich der Getöse-Schallenergie der an die Küste schlagenden Wellen.
Die in Fig. 1 gezeigte Zeichenblockansicht, welche Verfahren und Vorrichtungen illustrieren, die aus Lärm gewonnene Schallenergie in elektrische Energie umwandeln und als Wechselstrom ins Stromnetz einspeisen, umfasst folgende
Elemente 1 -10:
Eine Lärmquelle 1 erzeugt eine Schallenergie.
Es ist mindestens ein Schallwandler 2 vorgesehen, der die akustischen Signale in Form von Schallwechselcruckschwingungen in entsprechende elektrische Signale umwandelt. Er benötigt vorteilhafterweise für seine Inbetriebnahme keine Spannungsversorgung und ist gegen hohe Schaildrücke sowie mechanische Belastungen resistent. Er ist z. B. ausgebildet als Tauchspulenmikrofon, Piezomikrofon, Mikrophon-Array, beliebige Fläche von an sich bekannten piezoelektrischen Geweben, vorzugsweise solche in Form von aktiven Faserverbund-Materialien, die piezoelektrische Materialien umfassen, dreidimensionalen aktiven Faserverbund-Materialien, die piezoelektrische Materialien umfassen, und/oder ähnliche Gebrauchsgegenstände, die Schaliwechseldruckschwingungen in der Luft in entsprechende elektrische Signale umwandeln können.
Der Gleichrichter („Rectifier") 3 wandelt die elektrischen Signale aus dem Schallwandler 2 in Gleichstrom um.
Die Komponente 4 stellt eine Variante eines externen Ladereglers dar - auch Ladeschaltung.
Die Komponente 5 stellt eine andere Variante dar, bei welcher der Laderegler in den Speicher („Akkumulator") eingebaut ist. Laderegler benutzen teilweise mehrere Parameter zur Ladungssteuerung: * Temperatur, * Spannung, * Kapazität, * Zeit, * Ladestrom.
Der Speicher 6 - auch Akkumulator oder Batterie genannt - wird erst dann entladen, wenn er den vorbestimmten Stromwert gespeichert hat. Der entladene Strom wird über einen Puffer 7 dem Wechselrichter („Konverter") 8 eingespeist.
Der Puffer 7 ermöglicht den Durchgang der gespeicherten Strom von der Batterie 6 in Richtung zum Wechselrichter 8, verhindert aber den Stromrückfluss in die Batterie 6.
Fig. 2 zeigt Beispiele für einige Lärmquellen. Von links nach rechts sind Symbole gezeigt für: *- Unwetter, Blitze und Donner, *- kraftvollen Wind und Stürme, *- starken Regen, *- allfällige andere Lärmquellen, die z.B. verursacht werden durch Straßen- und Autobahnverkehr, Baumaschinen, an die Küste stark schlagenden Wellen.
Fig. 3 zeigt ein an das Stromnetz angeschlossenes Wohnhaus-Gebäude, das im Einflussbereich der Lärmquellen liegt, wobei die Bezugszeichen 11 , 12, und 13 mögliche Stellen bezeichnen, um dort Schallwandler zu installieren, vorzugsweise in Form von an sich bekannten piezoelektrischen Geweben, aktiven Faserverbund- Materialien, die piezoelektrische Materialien umfassen, oder dreidimensionalen aktiven Faserverbund-Materialien, die piezoelektrische Materialien umfassen.
Fig. 4 zeigt ein an das Stromnetz angeschlossenes Gewächshaus-Bauwerk, das ebenfalls im Einflussbereich von Lärmquellen liegt, wobei das Bezugszeichen 14 ein Beispiel einer Stelle bezeichnet, wo Schallwandler montiert werden können.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer Eisenbahn, die mit Stromenergie betrieben ist, wobei das Bezugszeichen 15 den Stromnetzanschluss bezeichnet und das Bezugszeichen 16 eine an und/oder in der Eisenbahn montierte erfindungsgemässe Vorrichtung andeutet, die aus Lärm gewonnene Schallenergie in elektrische Energie umwandelt und als Wechselstrom ins Stromnetz einspeist.
Fig. 6 zeigt eine Tunnelstrecke 17, die auch für Netzstrom betriebene Eisenbahnen verwendet werden kann. Die durch schnell fahrende Eisenbahnen produzierte, dröhnende Hallresonanzenergien innerhalb dieser Strecke werden von der in den jeweiligen Eisenbahnen vorhandenen erfindungsgemässen Vorrichtung erfasst und die aus Lärm gewonnene Schallenergie in elektrische Energie umgewandelt und dann als Wechselstrom ins Stromnetz eingespeist. Alternativ oder ergänzend kann die erfindungsgemässe Vorrichtung an der Tunnelwand angebracht werden, um den von der Eisenbahn erzeugten Lärm in elektrische Energie umzuwandeln und in das Stromnetz einzuspeisen.
Fig. 7 zeigt ein Beispiel für Gebäude, die an das Stromnetz angeschlossen sind sowie mit montierten erfindungsgemässen Vorrichtungen versehen sind und die im Bereich der hörbaren Getöse-Schallenergien der an die Küste schlagenden Wellen liegen. Die erfassten Lärmschalienergien werden durch die im Gebäude vorhandenen erfindungsgemässen Vorrichtungen erfasst und die aus Lärm gewonnene Schallenergie in elektrische Energie umgewandelt und dann als Wechselstrom ins Stromnetz eingespeist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen von elektrischer, in ein Stromnetz (10) einspeisbarer Energie aus Schallenergie mindestens einer Lärmquelle (1 ), wobei mindestens ein Schallwandler (2) verwendet wird, welcher die Schallenergie erfasst und in elektrische Signale umwandelt, wobei die elektrischen Signale einem Gleichrichter (3) zugeführt werden, welcher sie in einen Gleichstrom umwandelt, der via einen Laderegler (4, 5) einem Speicher (6, 7) zugeführt wird, wobei der Speicher (6, 7) bei genügend gespeicherter Strom menge einen Wechselrichter (8) mit Gleichstrom bestromt, den der Wechselrichter (8) in einen Wechselstrom umwandelt, dessen Spannungswert mittels eines Transformators (9) auf den Spannungswert des
Stromnetzes (10) transformiert wird, wobei der transformierte Wechselstrom in das Stromnetz (10) eingespeist wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler (2) ohne zusätzliche Spannungsversorgung betrieben wird und/oder gegen von der Lärmqueile erzeugten Schalldrucke, die einen Schwellenwert übersteigen, und/oder mechanische Belastungen resistent ist.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein piezoelektrisches Gewebes als Schallwandler (10) verwendet wird, vorzugsweise ein Gewebe in Form von aktiven Faserverbund-Materialien, die piezoelektrische Materialien umfassen, insbesondere dreidimensionalen aktiven Faserverbund-Materialien, die piezoelektrische Materialien umfassen. Betreffend die Tauchspulenmikrofon, Piezomikrofon, Mikrophon-Array, sie können als Richtantennen verwend in Richtung Dauerlärmquellen gerichtet werden.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Durchführen des Verfahrens Komponenten eingesetzt werden, die von mindestens einer anderen Anlage zur Energieerzeugung verwendet werden, insbesondere einer Solaranlage und/oder Windkraftanlage.
5. Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer, in ein Stromnetz (10) einspeisbarer Energie aus Schallenergie mindestens einer Lärmquelle (1 ), wobei die Vorrichtung folgende Komponenten umfasst:
— mindestens einen Schallwandler (2) zum Erfassen der Schallenergie und
Umwandeln derselben in elektrische Signale,
— einen Gleichrichter (3), welchem die elektrischen Signale zuführbar sind, um diese in Gleichstrom umzuwandeln,
— einen Laderegler (4, 5), welcher dem Gleichrichter (3) nachgeschaltet ist und welchem der Gleichstrom zuführbar ist,
— einen Speicher (6, 7), in welchem der via den Laderegler zugeführten Gleichstrom speicherbar ist,
— einen Wechselrichter (8), welcher dem Speicher (6, 7) nachgeschaltet ist und zum Umwandeln von Gleichstrom aus dem Speicher (6, 7) in Wechselstrom eingerichtet ist, und
— einen Transformator (9) zur Transformation des Wechselstroms auf die Spannung des Stromnetzes (10), an welches der Transformator (9) koppelbar ist, um den transformierten Wechselstrom einzuspeisen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet dass mindestens eine der erwähnten Komponenten in Kombination mit einer anderen Anlage einsetzbar ist, mit welcher elektrische Energie aus Sonnen- und/oder Wind kraft erzeugbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-6, dadurch gekennzeichnet, dass deren Komponenten innen und/oder aussen eines Gebäudes und/oder eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs montierbar sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler (10) Teil eines piezoelektrischen Gewebes ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der mindestens eine Schallwandler (2) an der Innenwandung eines überdeckten Durchgangs für Fahrzeuge montierbar ist.
PCT/CH2018/000006 2017-03-31 2018-03-08 Verfahren und vorrichtung zum erzeugen von elektrischer, in ein stromnetz einspeisbarer wechselstromenergie WO2018176165A1 (de)

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