用于产生能量的设备以及该设备的使用方法与流程

本发明涉及一种用于产生能量的设备，该设备包括：

倒立摆，其包括围绕枢转点摆动的臂以及设置在臂上的块体；

用于维持倒立摆的平衡的弹性装置。

背景技术：

对于倒立摆，当在重力方向上观察时，块体位于枢转点上方。这种倒立摆顾名思义是不稳定的。倒立摆可以通过添加诸如螺旋弹簧或者抗扭弹簧的弹性装置而在摆臂的枢转点周围保持在中性位置。然而，一旦摆的平衡被外力打破，摆就会前后摆动并且会通过弹性装置回到中性位置。

由于模块被设置在摇臂上，作用在块体上的重力使得仅需要较小的外力就可以导致大幅的摆动。

较小的外力可以是诸如一阵风、车辆的振动或者外部磁力。或者，这里还可以想到诸如雨、波动或环境振动的影响。

技术实现要素：

本发明的目的是在前序中陈述的设备中将由较小外力引发的大幅摆动的能量用于其他用途。

根据本发明，该目的通过根据前序的一种设备实现，该设备的特征在于，弹性装置包括用于通过摆动产生能量的至少一个压电发生器。

压电发生器包括通过变形产生电能的压电材料，电能可用作其他用途。

电量的多少取决于压电材料的变形程度。当直接作用在压电材料上时，较小的外力仅能产生较小形变，因此只能产生有限的电量。

然而，由于使用了倒立摆，由诸如一阵风的较小外力打破摆的平衡而产生的摆动的力可以用于使压电材料变形。由于摆动运动比较小外力更强，一阵风的能量可以被更有效地转换为电能。

通过在压电材料上施加力，材料将会变形，将会发生基本上与施加的力成比例的长度变化。这对应于线性弹簧，由此为了方便可以给压电材料指定弹簧常数，通过该弹簧常数代表施加力和变形的关系。

在优选实施例中，至少一个压电发生器是用于维持倒立摆的平衡的弹性装置，在此之前这一点从前述还不明显。换言之，没有了压电发生器，倒立摆将会不稳定并且倒下，因为压电发生器提供并且保证了系统的稳定性。可以实现这一点的一种方法是倒立摆与地面大体接触或者仅通过压电发生器接触，例如由于摆位于压电发生器的顶部上。以这种方式，压电转化的效率通过重力对块体的影响而提高。

本领域技术人员在此会认识到，摆动运动比较小外力更强是由于重力作用在块体上。

在本设备的另一优选实施例中，mgl.sinα<k.α

其中：

-m是设置在臂上的质量，

-g是重力加速度，

-l是从块体到枢转点的距离，

-k是弹性装置的弹簧常数，包括至少一个压电发生器的弹簧常数，

-α是臂与重力方向之间的角度，

当mgl.sinα更接近k.α时，更可能容易通过外力使倒立摆进入不稳定状态。

通过适当地选择与预期最大外力相关的特定质量和弹簧常数，倒立摆可以被优化，使得在诸如一阵风的预期最大外力时获得摆的最大偏转。这个最大偏转保证了压电发生器达到最大变形，外力到电能的转化也因此被优化。

当mgl.sinα>k.α时，倒立摆将会不稳定并倒下。摆因此不会回到可以再次接受冲击的中性位置。

设备的另一个实施例包括关于枢转点彼此在直径上相对设置的至少两个压电发生器。

通过在枢转点的两侧设置至少两个压电发生器，外力可以从相对的方向干扰设备的平衡。

当至少三个压电发生器被使用时，这三个压电发生器可以呈三角形放置，设备借此可以在两个互相垂直的方向上摆动。当设备例如经风触发时，由于这种配置，设备不再取决于风的方向。

当多个压电发生器被使用时，应当注意到压电发生器设置在圆形路径上，在此之前这一点从前述还不明显。结果是块体受制于较小外力的作用方向而使压电发生器旋转运动。

根据本发明的设备的优选实施例还包括基部和平行于基部设置的支撑板，其中至少两个压电发生器被设置在基部和支撑板之间，并且其中臂与支撑板垂直地设置。

该实施例可以容易并廉价地制造，而且通过调节质量并且调节臂上块体相对于枢转点的位置，该实施例也可以容易地适应预期的诸如风的外力。

在设备的实施例中的压电发生器也可以不设置在基部上，而是松散地位于地面上。如果底面足够宽，摆可以在底面的宽度范围内前后摆动。压电发生器在此将会被交替压缩。

根据本发明的设备的另一优选实施例还包括电池和利用所述至少一个压电发生器产生的能量给电池充电的电路。该电路优选由无源元件构成。

因为由压电发生器产生的电能取决于外力的大小和所述力的频率，将这种能量储存在电池之中是有利的。通过电池，能量可以在之后某个时间再次使用。

根据本发明的设备的另一优选实施例还包括设置在臂的自由端上的挡风装置。

臂可以通过挡风装置捕获更多的风，借此外力将会更大，由此倒立摆的摆动运动将会更强烈。

本发明还涉及根据本发明的设备的使用方法，该方法包括以下步骤：

提供根据本发明的设备；

通过诸如一阵风、车辆振动、外部磁力、雨、波动或者环境振动的较小外力，在重力的影响下使设备的至少一个压电发生器变形；

从压电发生器中提取由变形获得的能量。

附图说明

参照附图进一步说明本发明的这些以及其他特征。

图1示出根据本发明的设备的实施例。

图2示意性示出由短暂外力引起的压电发生器产生的能量。

图3示意性示出配有整流器电桥的压电发生器的电路。

图4示出根据本发明的设备的实施例的俯视图。

图5a、5b分别在中性位置和失衡位置示出根据本发明的设备的实施例。

具体实施方式

图1示出根据本发明的设备1的实施例。设备1具有基部2和与基部2平行设置的支撑板3。在基部2和支撑板3之间，设置两个压力发生器4、5，压电发生器4、5由于为压电材料而具有弹性特征。在自由端具有块体7的臂6垂直于支撑板3定位。

当一阵风挤压块体7时，臂6的平衡被打破，臂将开始围绕中性位置摇摆，中性位置在图1中以实线表示。

由于块体7和臂6的摆动，压电发生器4、5将被交替压缩一定距离dx。当一个压电发生器4被压缩时，另一个压电发生器5受到的压力较少或者甚至轻微扩张。由于压电发生器4、5像弹簧一般作用，臂6和块体7的摆动运动将会被放缓并且设备1将会再一次回到中性位置。

为保证设备1再次返回中性位置，至少需要保证mgl.sinα<k.α。m在这里代表块体7的质量，g是重力加速度(通常是9.8m/s²),l是从块体7的质心到支撑板3的枢转点的距离。α是臂6与重力方向的夹角，k是支撑板3的枢转点周围的弹簧常数。这一弹簧常数k由压电发生器4、5的弹簧常数组合而成。尽管不推荐，但可以进一步任选地提供额外的弹簧元件以获得期望的弹簧常数，其中摆的平衡不能被打破。

图2示意性绘出压电发生器4产生的能量e与从力f打破设备1的平衡的时刻起的时间t的关系。压电发生器的能量e在这里被整流器电桥6校正，如图3所示。

由于弹簧常数k，设备1将在多次摆动之后再次返回中性位置，在图2中以减小的振幅示出。

由图2还可以明显看出使用能量e直接给诸如灯的电器部件提供电流并不容易。灯将会在设备1摆动期间闪烁。

为了平衡产生的能量中的这些波动，可以提供控制器，使用能量给电池充电。之后电池可以提供恒定电流而连续地给诸如灯供电使其接通。

图4示出了根据本发明的设备的实施例10。示出了基部11，在基部11下方设置多个压电发生器12，压电发生器12的中心均匀分布在圆形路径13上，在这些压电发生器上基部11置于路径13的中心。在基部11的上侧，块体14被设置在路径13的中心。

图5a、5b示出根据本发明的设备的实施例20。在图5a中，由固定在地面21的压电发生器22以及安装在其上的刚性块体23构成的设备20位于中性位置。当力g作用在刚性块体23上时，设备20将处于图5b中所示的位置，在该位置设备20暂时不平衡。压电发生器22在此变形。这一转化产生的能量可以被使用。由此作用在块体22上的重力保证了有效的转化。

此外，从公开wo2014/135551a1还可知一种倒立摆，其包括围绕枢转点摆动的臂以及设置在臂上的块体，还包括压电发生器，尽管在这里并不是维持倒立摆平衡的压电发生器。