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Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energien, insbesondere zum Gewinnen von elektrischem Strom aus Wind und Regen.
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Die hier beschriebene Erfindung stellt ein innovatives, modular aufgebautes Energieerzeugungssystem dar, das zur effizienten Nutzung von mechanischer Energie aus Regen und Wind beispielsweise auf Dächern entwickelt wurde. Im Gegensatz zu herkömmlichen Energiequellen, wie der Photovoltaik, bietet dieses System eine Möglichkeit, die Energie von Regentropfen und Wind mechanisch zu erfassen und in elektrische Energie umzuwandeln (4,5). Diese Lösung ist ideal für Regionen mit häufigen Niederschlägen oder starker Windaussetzung, da sie die Effizienz der Energiegewinnung aus erneuerbaren Ressourcen deutlich steigert. Die Erfindung ist sowohl für private Haushalte als auch für industrielle Anwendungen anpassbar, wodurch die Energiediversifizierung auf Dächern ermöglicht wird.
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Die Erfindung basiert auf zwei physikalischen Prinzipien, den triboelektrischen und piezoelektrischen Effekt.
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Der triboelektrische Effekt tritt auf, wenn zwei unterschiedliche Materialien durch Reibung oder Kontakt miteinander elektrische Ladungen austauschen. In der hier beschriebenen Erfindung wird dieser Effekt genutzt, indem Regentropfen auf eine speziell beschichtete Oberfläche, bestehend aus PTFE (Teflon) und Aluminium, aufprallen. Durch den Kontakt und die anschließende Trennung der Materialien entsteht eine Ladungstrennung. Das PTFE lädt sich dabei negativ auf, während das Aluminium eine positive Ladung annimmt. Diese Ladungstrennung erzeugt ein elektrisches Potenzial, das anschließend zur Stromerzeugung genutzt wird. Der triboelektrische Effekt ist besonders effizient bei der Nutzung der kinetischen Energie von Regentropfen, wodurch diese Energiequelle optimal ausgeschöpft werden kann.
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Der piezoelektrische Effekt ist die Eigenschaft bestimmter Materialien, elektrische Ladung zu erzeugen, wenn sie mechanischem Druck ausgesetzt werden.
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In der Erfindung sind Piezoelemente in einer Matrixstruktur angeordnet, die auf die mechanische Energie von Wind und Regen reagiert. Wenn Regentropfen auf die Oberfläche der Piezoelemente aufprallen oder der Wind die Struktur bewegt, wird Druck auf diese Elemente ausgeübt, wodurch eine elektrische Spannung entsteht (6). Diese Spannung wird gesammelt und in nutzbare elektrische Energie umgewandelt. Der piezoelektrische Effekt ermöglicht somit eine kontinuierliche Energieerzeugung, unabhängig von der Intensität des Regens oder der Windgeschwindigkeit, da selbst leichte mechanische Einwirkungen genutzt werden können.
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Das System besteht aus einer robusten Grundstruktur, die wetterfest und langlebig ist, sodass es auch unter extremen klimatischen Bedingungen zuverlässig funktioniert. Die Konstruktion umfasst eine Schutzschicht aus widerstandsfähigem Material, die die empfindlichen Komponenten wie die Piezoelemente und die Nanogeneratoren vor Umwelteinflüssen wie Regen, Wind und Feuchtigkeit schützt.
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Auf dieser Schutzschicht sind die Energieerzeugungselemente in einem klaren und durchdachten Muster angeordnet. Die Piezoelemente reagieren auf mechanischen Druck, der durch die Aufprallenergie von Regentropfen oder die Bewegung durch Wind entsteht. Diese mechanische Bewegung erzeugt eine elektrische Spannung, die über eine Verkabelung gesammelt wird.
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Zusätzlich sind die Nano-Generatoren integriert, die den triboelektrischen Effekt nutzen. Hierbei erzeugt der Kontakt und die Trennung unterschiedlicher Materialien durch die Bewegungen von Regentropfen eine Ladungstrennung, die ebenfalls elektrische Energie erzeugt.
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Die erzeugte elektrische Energie wird durch ein cleveres System aus Verkabelung und Sammelpunkten gebündelt. Sowohl die vielen Piezoelemente als auch die Nano-Generatoren tragen zur Stromerzeugung bei, wobei die Piezoelemente hauptsächlich auf mechanischen Druck durch Regen und Wind reagieren, während die vielen Nano-Generatoren durch die Bewegung der Regentropfen elektrische Ladungen erzeugen.
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Die gesamte gewonnene Energie wird in einer zentralen Anschlussdose zusammengeführt. Diese ist standardisiert und ermöglicht eine einfache Integration in bestehende Energiesysteme.
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Das System kann als eigenständige Energiequelle oder in Kombination mit anderen regenerativen Energiesystemen, wie Photovoltaikanlagen, verwendet werden. Dadurch wird die Energiediversität auf Dächern erhöht und die Nutzung erneuerbarer Energiequellen optimiert.
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Die modulare Bauweise des Systems erlaubt eine flexible Installation auf verschiedenen Oberflächen und in unterschiedlichen Größen. Es kann sowohl für private Haushalte als auch für industrielle Anwendungen skaliert werden. Diese Flexibilität ermöglicht es, das System je nach Bedarf und den vorherrschenden klimatischen Bedingungen anzupassen.
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Das Gehäuse der vorgestellten Erfindung hat Abmessungen von 600 x 400 Millimeter. Allgemein gilt: Obwohl zukünftige Versionen des Produkts in ihren Abmessungen variieren können, bleiben die zugrunde liegenden technischen Innovationen und Konstruktionsprinzipien gleich.
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Die Basis der Erfindung bildet ein U-förmiger verzinkter Stahlrahmen, der die Außenmaße 600 x 400 Millimeter hat (3). Die Verzinkung sorgt dafür, dass der Rahmen korrosionsbeständig ist, also nicht rostet, was besonders bei langfristigem Einsatz im Freien wichtig ist. Der Rahmen bietet Stabilität und Schutz vor Witterungseinflüssen wie Regen oder Schnee. Er hat eine Höhe von 11 Millimeter und eine Breite von 7 Millimeter sowie eine Wandstärke von einem Millimeter. Die Innenmaße des Rahmens betragen 586 x 386 Millimeter. Das bedeutet, dass der Rahmen von außen stabil ist, aber innen genug Platz bietet, um die verschiedenen Komponenten der Erfindung aufzunehmen. Um Verletzungen zu vermeiden, sind die Kanten des Rahmens abgerundet.
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Das zentrale Modul der Erfindung wird später in diesen Rahmen eingesetzt und mit einer speziellen Dichtmasse fest und sicher fixiert. Diese Abdichtung verhindert, dass Feuchtigkeit oder Schmutz in das Innere des Systems eindringen. Die Gesamthöhe des Moduls, also das gesamte Bauteil ausschließlich des Rahmens, beträgt 6,05 Millimeter.
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Die Unterste Schicht des Moduls ist eine rechteckige Grundplatte (2) aus verzinktem Stahl, die ebenfalls vor Korrosion und Feuchtigkeit schützt. Diese Grundplatte hat eine Größe von 586 x 386 Millimeter und eine Dicke von 0,75 Millimeter. Sie dient als stabile Basis für das gesamte System und schützt die darauf liegenden Bauteile vor äußeren Einflüssen.
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Auf dieser Metallplatte werden Holzteile angebracht (1). Diese Holzteile haben zwei Funktionen: Erstens dienen sie als Unterlage für die darauf liegende Zellenschicht, die aus Piezoelementen und Nanogeneratoren besteht. Zweitens bieten sie Platz für die Kabelverbindungen, die die verschiedenen elektronischen Bauteile miteinander verbinden.
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Jedes Holzteil hat die Maße 390 Millimeter in der Länge, 10 Millimeter in der Breite und 3 Millimeter in der Höhe. In diesen Holzteilen sind vier Bohrungen angebracht, die einen Durchmesser von 1 Millimeter haben. Diese Bohrungen dienen als Durchlässe für die Kabelverbindungen der Piezoelemente. Um die Position der Bohrungen zu verstehen, betrachten wir die lange Seite des Holzstücks (390 x 3 Millimeter). Auf dieser Seite befinden sich vier Bohrungen, die horizontal verlaufen und durch das Holz hindurchführen (7).
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Die Bohrungen an den Enden der Holzteile (Bohrungen 1 und 2) sind jeweils 1,5 Millimeter vom oberen und unteren Rand sowie von den seitlichen Rändern entfernt. Die mittleren Bohrungen (Bohrungen 3 und 4) befinden sich ebenfalls in einer Höhe von 1,5 Millimeter, sind aber 194 Millimeter vom seitlichen Rand des Holzstücks entfernt. Diese präzise Anordnung der Bohrungen sorgt dafür, dass die Kabel der Piezoelemente ordentlich und sicher geführt werden können. Um die Anordnung der Bohrungen sicher zu verstehen, empfiehlt es sich den späteren Bauplan mit genauen Grafiken zu betrachten.
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Insgesamt werden 29 dieser Holzteile auf der Metallplatte befestigt. Zwischen jedem Holzteil wird ein Abstand von 10 Millimeter eingehalten. Der Abstand vom Rand der Metallplatte zu den äußeren Enden der Holzteile beträgt 4 Millimeter auf beiden Seiten. Auf den anderen beiden Seiten beträgt der Abstand 14 Millimeter. Diese genaue Anordnung sorgt für eine stabile und funktionale Grundlage für die darüberliegenden Komponenten.
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Die folgende Erfindung beschreibt eine Zellenschicht aus Piezoelementen und Nano-Generatoren, die ein gesamtes Modul bildet (6). Dieses Modul enthält die neu entwickelte Energiegewinnung und ist auf einer Platte aus Acrylglas befestigt. Acrylglas wurde ausgewählt, weil es besonders wetterfest und stabil ist. Es bietet eine langlebige und kostengünstige Schutzschicht, die die empfindlichen Bauteile des Moduls vor Umwelteinflüssen wie Regen, Wind und Sonneneinstrahlung bewahrt. Zudem können durch die Acrylglasplatte leicht Bohrungen für die späteren Kabelverbindungen angebracht werden.
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Die Hauptkonstruktion besteht aus einer klaren Acrylglasplatte, die sowohl als Schutzschicht als auch als Trägermaterial für die darauf angebrachten Piezoelemente und Nano-Generatoren dient (8, 1). Die Acrylglasplatte misst 598 Millimeter in der Länge, 398 Millimeter in der Breite und hat eine Dicke von 2 Millimeter. Auf dieser Platte sind die Nano-Generatoren und die Piezoelemente strategisch angeordnet, um eine optimale Energieerzeugung zu ermöglichen.
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Direkt auf der Acrylglasplatte sind die Piezoelemente und die Nanogeneratoren auf einer anderen Ebene darüber angebracht (2).
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Über den Piezoelementen befindet sich die Nanogeneratoren, welche aus einer PTFE-Folie (8, 9), einer Dünnen Aluminiumplatte und kreuzförmigen Leiterbahnen aus Aluminium. Die PTFE-Folie und die Aluminiumplatte haben jeweils die Abmessungen 100 Millimeter in der Breite und Länge (Quadrat). Sie haben beide eine Dicke von 0,5 Millimeter. Diese Folie spielt eine doppelte Rolle: Einerseits schützt sie das System vor Wasser und anderen Witterungseinflüssen, andererseits ist sie ein wichtiger Bestandteil der Energiegewinnung, insbesondere für die Funktion der Nano-Generatoren. Es befinden sich auf dieser Ebene 24 dieser Nanogeneratoren. Diese werden direkt nebeneinander aufgeklebt. Damit kann kein Wasser mehr unter diese Schicht kommen.
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Die Piezoelemente sind kreisförmig und es befinden sich 504 Stück davon auf der Acrylglasplatte (1, 6). Jedes dieser Piezoelemente hat einen Durchmesser von 15 mm. Sie sind in einem Schachbrett- bzw. MatrixMuster angeordnet: Auf der längeren Seite der Platte sind 28 Piezoelemente platziert, auf der kürzeren Seite 18, was in der Summe 504 ergibt.
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Zwischen den Piezoelementen ist ein gleichmäßiger Abstand von 5 mm. Sie haben einen gleichmäßigen Abstand von 21,5 Millimeter zu jedem Rand der Acrylglasplatte. Diese Anordnung sorgt dafür, dass die Piezoelemente so viel Fläche wie möglich nutzen, ohne sich gegenseitig zu stören.
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Die gesamte Fläche, die von den Piezoelementen abgedeckt wird, beträgt 89.019 mm^2.
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Jedes Piezoelement hat zwei Drähte - einen Plus- und einen Minuspol. Diese Drähte werden durch speziell dafür vorgesehene Bohrungen (6) in der Acrylglasplatte nach unten geführt. Die Bohrungen haben einen Durchmesser von 5 mm und verlaufen senkrecht durch die Platte, sodass die Drähte unterhalb der Platte miteinander verbunden werden können. Um sicherzustellen, dass keine Feuchtigkeit in das System eindringt, werden die Bohrungen nach dem Zusammenbau des Moduls mit einem Spezialkleber versiegelt (6).
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Die kreuzförmigen Nano-Teile bestehen aus dünnen Aluminiumstreifen, da Aluminium ein ideales Material für die Nutzung des triboelektrischen Effekts ist. Durch diese kreuzförmige Struktur wird die Fläche, auf der der triboelektrische Effekt stattfindet, maximiert, wodurch mehr Energie erzeugt werden kann.
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Jetzt wird die Erfindung eines einzelnen Nano-Generators in dem Modul betrachtet:
- Ein Nanogenerator besteht aus drei Teilen, die mit wetterfestem Klebstoff zusammengeklebt sind. Das erste Teil ist das Unterteil. Es besteht aus Aluminium und ist eine quadratische Platte mit einer Länge von 100 Millimetern und einer Breite von 100 Millimetern. Die Dicke sollte nicht mehr als 0,5 Millimeter betragen.
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Das zweite Teil, das dann auf das erste Teil geklebt wird, ist eine PTFE-Folie mit den gleichen Abmessungen wie die Aluminiumschicht. Im besten Fall besteht die PTFE-Folie aus Polytetrafluorethylen.
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Das letzte und dritte Teil des Produkts ist eine so genannte „Leiterbahn aus dünnem Aluminium“ (AI). Die Abmessungen sind aus den Unterlagen nicht ersichtlich. Sie wird aus Aluminium hergestellt, das nicht dicker als 0,5 Millimeter ist. Diese Leiterbahn aus dünnem Aluminium besteht aus zwei verschiedenen identischen Teilen.
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Die Leiterbahnen eines Nanogenerators sind mit der unteren Metallplatte eines weiteren Nanogenerators verbunden und führen als „Stromkreis“ zur Anschlussdose.
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Die Drähte der Piezoelemente werden dann unterhalb der Acrylglasplatte miteinander verbunden, um eine saubere Stromführung zu ermöglichen (4). Auch hier werden die Bohrlöcher nach der Fertigstellung mit einem Spezialkleber versiegelt, um das System vor Wasser und anderen Umwelteinflüssen zu schützen.
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Die erzeugte Energie aus den Piezoelementen und Nano-Generatoren wird zu einer zentralen Anschlussdose geleitet, die auf der Rückseite des Moduls befestigt ist. Die Anschlussdose sammelt die Plus- und Minuspole aus den verschiedenen Stromkreisen und bündelt sie zu einem großen Plus- und einem großen Minuspol. Diese Drähte werden über zwei Löcher in der Metallplatte in die Anschlussdose geführt, wo sie verlötet werden.
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Die Anschlussdose ist mit einem standardisierten MC4-Stecker ausgestattet, der häufig in Photovoltaiksystemen verwendet wird. Dies erleichtert die Integration des Moduls in bestehende Energiesysteme, indem die erzeugte Energie direkt in Energiespeicher oder Stromnetze eingespeist werden kann.
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Nach dem vollständigen Einbau der Piezoelemente, Nano-Generatoren und der Verkabelung wird das Modul in den verzinkten Rahmen eingebaut und mit einer Dichtmasse versiegelt, um es wetterfest zu (9). Dadurch wird sichergestellt, dass das System auch bei extremen Witterungsbedingungen, wie starkem Regen, Wind und Schnee zuverlässig funktioniert.
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Das Endprodukt (3) ist ein robustes, wetterfestes und modulares Energieerzeugungssystem, das mechanische Energie aus Regen und Wind effizient in elektrische Energie umwandelt. Die Kombination aus Piezoelementen und Nano-Generatoren maximiert die Energiedichte, während die robuste Bauweise die Langlebigkeit des Systems gewährleistet.
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Die in dieser Erfindung genutzte Kombination aus Piezoelementen und Nano-Generatoren ermöglicht eine kontinuierliche Energieerzeugung, die sich je nach Wetterbedingungen variabel gestaltet. Die Effizienz der Piezoelemente beträgt etwa 80 %, während die Nano-Generatoren eine Umwandlungseffizienz von etwa 65 % erreichen. Bei starkem Regen und Wind kann die Energieausbeute proportional gesteigert werden.
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Das Modul kann mithilfe von Standard-Halterungen auf Dachflächen montiert werden. Die Installation erfolgt idealerweise in einem Neigungswinkel von 15 bis 30 Grad, um eine optimale Energieerzeugung durch den Regen zu gewährleisten. Die Halterungen bestehen aus rostfreiem Stahl, um eine hohe Wetterbeständigkeit zu garantieren. Für eine sichere Befestigung bei starkem Wind werden zusätzliche Klammern an den Ecken verwendet, um die Module zu fixieren und eine Beschädigung durch Windkräfte zu verhindern.
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Das System ist so konzipiert, dass es wartungsarm arbeitet. Die verwendeten Materialien wie Acrylglas und PTFE-Folie sind beständig gegen UV-Strahlung und Witterungseinflüsse. Die durchschnittliche Lebensdauer der Piezoelemente und Nano-Generatoren liegt bei etwa 10 Jahren.
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Da das Modul auf Dachflächen installiert wird, ist ein integrierter Blitzschutz (in der Anschlussdose) vorhanden, um die Elektronik vor Überspannungen zu schützen. Die Verkabelung ist mit speziellen wasserdichten Hüllen (Rahmen) versehen, um Kurzschlüsse zu verhindern. Zudem sind alle elektrischen Komponenten gegen Überhitzung geschützt, sodass das System auch bei extremen Wetterbedingungen sicher arbeitet.
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Die vorliegende Erfindung adressiert eine spezifische Marktnische, die durch bestehende Technologien bisher nur unzureichend abgedeckt wird:
- Regionen mit häufigem Regen und Wind, in denen Photovoltaikanlagen ineffizient arbeiten. Herkömmliche Lösungen zur Energiegewinnung, wie Photovoltaikmodule, basieren auf der Sonneneinstrahlung, die in diesen Regionen oft nicht in ausreichendem Maße vorhanden ist. Die vorgestellte Anlage nutzt mechanische Energie, die aus Regen und Wind gewonnen wird, und schließt damit die bestehende Lücke, indem sie eine alternative und wetterunabhängige Energiequelle bietet.
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Dies bietet insbesondere für Regionen mit wechselhaften Wetterbedingungen eine deutliche Verbesserung gegenüber den bestehenden Technologien.
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Herkömmliche Technologien zur Energiegewinnung auf Dächern nutzen hauptsächlich Sonneneinstrahlung oder konzentrieren sich auf einzelne Energiequellen. Das Problem, das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht in der fehlenden Erschließung mechanischer Energiequellen wie Regen und Wind, die oft ungenutzt bleiben. Insbesondere in Regionen mit wechselnden Wetterbedingungen, in denen Photovoltaikanlagen nicht effizient arbeiten, besteht ein Bedarf an einer Lösung, die die Energie aus Regen und Wind zuverlässig in elektrische Energie umwandeln kann. Dieses Problem führt zu einer unzureichenden Nutzung der erneuerbaren Energiepotenziale in diesen Gebieten.
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Die Erfindung bietet eine innovative Lösung zur Nutzung von mechanischer Energie, die aus Regen und Wind gewonnen wird. Diese wird durch die Kombination von zwei physikalischen Effekten, dem piezoelektrischen und dem triboelektrischen Effekt, effizient in elektrische Energie umgewandelt. Die präzise Anordnung der Piezoelemente und Nano-Generatoren auf einer wetterfesten Acrylglasplatte maximiert die Energieausbeute. Die Piezoelemente reagieren auf mechanischen Druck, der durch Wind oder aufprallende Regentropfen entsteht, während die Nano-Generatoren die kinetische Energie der Regentropfen nutzen, um durch den triboelektrischen Effekt zusätzliche Energie zu erzeugen. Das modulare Design der Anlage erlaubt eine flexible Anpassung an unterschiedliche Dachgrößen und -neigungen, wodurch die Erfindung für eine breite Anwendungspalette geeignet ist, von privaten Haushalten bis hin zu industriellen Anwendungen.
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Die vorgestellte Anlage zur Energiegewinnung bietet zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Systemen. Die wetterbeständige und wartungsarme Konstruktion, bestehend aus robusten Materialien wie PTFE und Acrylglas, gewährleistet eine lange Lebensdauer der Anlage, auch unter extremen Witterungsbedingungen. Dies reduziert den Wartungsaufwand und sorgt für eine hohe Betriebssicherheit. Ein weiterer Vorteil ist die einfache Integration in bestehende Energiesysteme dank der standardisierten Anschlussdose mit einem MC4-Stecker.
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Dadurch lässt sich die Anlage problemlos in Photovoltaikanlagen oder andere Energiesysteme einbinden. Zusätzlich bietet die modulare Bauweise Flexibilität in der Installation und ermöglicht eine Skalierbarkeit, um je nach Bedarf größere oder kleinere Energiesysteme aufzubauen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rahmen, dient der stabilen und korrosionsbeständigen Befestigung der gesamten Anlage und schützt die internen Komponenten vor äußeren Witterungseinflüssen.
- 2
- Dichtmasse, dient der Abdichtung des Systems gegen Feuchtigkeit und Umwelteinflüsse, um die Elektronik und die empfindlichen Bauteile vor Wasserschäden zu schützen.
- 3
- Nanogenerator Leiterbahn aus dünnem Aluminium (Al), dient als oberer Teil des Nano-Generators, der durch den Kontakt mit Regentropfen und in Verbindung mit der PTFE-Folie den triboelektrischen Effekt zur Energiegewinnung nutzt.
- 4
- Nanogenerator PTFE-Folie, dient als mittlerer Teil des Nano-Generators, das zusammen mit dem oberen Teil und dem unterem Aluminiumteil der Elektronenaustausch vervollständigt wird.
- 5
- Piezoelement, dient der Umwandlung mechanischer Energie, die durch Druck oder Vibrationen entsteht (z. B. durch Wind oder Regen), in elektrische Energie durch den piezoelektrischen Effekt.
- 6
- Holzteil, dient als Träger für die Verkabelung und bietet mechanische Stabilität für die darauf liegenden Piezoelemente und Nano-Generatoren.
- 7
- Metallplatte, dient als Basis für die Konstruktion, bietet Stabilität und schützt die darunter liegenden Komponenten vor Feuchtigkeit und Umwelteinflüssen. (8) Acrylglasplatte, dient als Träger für die Piezoelemente und Nano-Generatoren, bietet gleichzeitig Stabilität.
- 9
- Doppelbohrung für Piezoelemente, dient der Durchführung der elektrischen Verbindungen der Piezoelemente durch die Acrylglasplatte, um eine sichere und geordnete Verkabelung sowie die anschließende Stromführung zu gewährleisten.
- 10
- Bohrung Holzteil, dient der Durchführung der Kabelverbindungen durch das Holzteil, um die Verkabelung der Piezoelemente geordnet und sicher zu ermöglichen.
- 11
- Doppelbohrung Holzteil, dient der Führung zweier Kabelverbindungen (Plus- und Minuspol) durch das Holzteil, um eine stabile und getrennte Stromführung der Piezoelemente sicherzustellen.
- 12
- Drahtverbindung Piezoelemente, dient der elektrischen Verbindung der Piezoelemente untereinander, um die erzeugte elektrische Energie gesammelt zu den Anschlussstellen weiterzuleiten.
- 13
- Anschlussdose, dient der zentralen Sammlung und Weiterleitung der von den Piezoelementen und Nanogeneratoren erzeugten elektrischen Energie. Sie ist mit einem standardisierten MC4-Stecker ausgestattet, der eine einfache Integration in bestehende Energiesysteme ermöglicht.
- 14
- Nanogenerator Aluminium Schicht, dient des triboelektrischen Effekts und vervollständigt als unterste Schicht den Nanogenerator. Zudem ist er ein Pol des Nanogenerators.