СИСТЕМА ГЕНЕРИРОВАНИЯ ИЛИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МОЩНОСТИ
POWER GENERATION OR CONVERSION SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к системе преобразования энергии, предназначенной для преобразования механической энергии в электрическую энергию, и к способам преобразования энергии.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Одним примером такой системы, посредством которой механическую энергию можно преобразовать в электрическую энергию, является трибоэлектрическая система генерирования энергии. Трибоэлектрический эффект (также известный как трибоэлектрическая зарядка) - это контактная электризация, в процессе которой материал оказывается электрически заряженным после вступления в контакт с отличающимся материалом посредством трения. Трибоэлектрическое генерирование основано на преобразовании механической энергии в электрическую энергию посредством способов, которые связывают трибоэлектрический эффект с электростатической индукцией. Предложено предусмотреть использование трибоэлектрического генерирования для запитывания носимых устройств, таких, как датчики и смартфоны, путем улавливания утрачиваемой в противном случае механической энергии из таких источников, как ходьба, произвольные движения тела, порыв ветра, вибрация или океанские волны (см., например: Wang, Sihong, Long Lin, и Zhong Lin Wang, ʺTriboelectric nanogenerators as new energy technology for self-powered systems and as active mechanical and chemical sensorsʺ («Трибоэлектрические наногенераторы как средства новой энергетической технологии для систем с автономным питанием и как активные механические и химические датчики»), Nano Energy 11 (2015): 436-462).
Трибоэлектрический эффект основан на ряде, в котором различные материалы выстраиваются в соответствии с их склонностью присоединять электроны (становиться заряженными отрицательно) или терять электроны (становиться заряженными положительно). Этот ряд описан, например, в работе A.F. Diaz and R.M. Felix-Navarro, ʺA semi-quantitative tribo-electric series for polymeric materials: the influence of chemical structure and propertiesʺ («Полуколичественный трибоэлектрический ряд полимерных материалов: влияние химической структуры и свойств»), Journal of Electrostatics 62 (2004) 277-290. Наилучшие сочетания материалов для создания статического электричества включают в себя материал из списка имеющих положительный заряд и материал из списка имеющих отрицательный заряд (например, политетрафторэтилен (ПТФЭ) и медь, или фторированный этиленпропилен (ФЭП) и алюминий). Из повседневной практики трибоэлектричества известны трение стекла о мех или проведение расческой по волосам.
Таким образом, в своей простейшей форме, трибоэлектрический генератор предусматривает использование двух листов разнородных материалов, один из которых является донором электронов, а другой - акцептором электронов. Когда материалы находятся в контакте, происходит обмен электронами одного материала с другим. Это просто трибоэлектрический эффект. Если листы затем разделяют, то каждый лист сохраняет электрический заряд (отличающейся полярности), изолированный зазором между ними. Если между электродами, размещенными на внешних краях двух поверхностей, подсоединена электрическая нагрузка, то любое дальнейшее движение листов - продольно или перпендикулярно - будет индуцировать протекание тока между двумя электродами. Это просто пример электростатической индукции. По мере увеличения расстояния между соответственными заряженными центрами двух пластин, электрическое поле сил притяжения между ними через зазор ослабляется, что приводит к увеличению разности потенциалов между двумя внешними электродами по мере того, как электрическое притяжение заряда посредством нагрузки начинает преодолевать электростатическую силу притяжения через зазор.
Таким образом, в своей простейшей форме, трибоэлектрический генератор предусматривает использование двух листов разнородных материалов, один из которых является донором электронов, а другой - акцептором электронов. Один или несколько материалов могут представлять собой изолятор. Другие возможные материалы включают в себя полупроводниковые материалы, например, кремний, содержащий слой естественного оксида. Когда материалы вводят в контакт, происходит обмен электронами одного материала с другим. Это просто трибоэлектрический эффект. Если листы затем разделяют, то каждый лист сохраняет электрический заряд (отличающейся полярности), изолированный зазором между ними, и создается электрический потенциал. Если между электродами, размещенными на обратных сторонах поверхностей двух материалов, подсоединена электрическая нагрузка, то любое дальнейшее движение листов - продольно или перпендикулярно - будет индуцировать в ответ протекание тока между двумя электродами. Это просто пример электростатической индукции. По мере увеличения расстояния между соответственными заряженными центрами двух пластин, электрическое поле сил притяжения между ними через зазор ослабляется, что приводит к увеличению разности потенциалов между двумя внешними электродами по мере того, как электрическое притяжение заряда посредством нагрузки начинает преодолевать электростатическую силу притяжения через зазор.
Следовательно, трибоэлектрические генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую энергию за счет связи между двумя основными физическими механизмами: контактной электризацией (трибозарядкой) и электростатической индукцией.
Циклически увеличивая и уменьшая взаимно разделяющее расстояние между заряженными центрами пластин, можно индуцировать в ответ протекание тока взад и вперед между пластинами, тем самым генерируя переменный ток через нагрузку. Отдаваемую мощность можно увеличивать путем нанесения структур микронного масштаба на полимерные листы. Это структурирование эффективно увеличивает площадь контакта и тем самым увеличивает эффективность переноса заряда.
Недавно разработана новейшая технология материалов для генерирования мощности (аккумулирования энергии) и преобразования мощности, которая позволяет использовать этот эффект, как описано в работе Wang, Z. L,. ʺTriboelectric nanogenerators as new energy technology for self-powered systems and as active mechanical and chemical sensorsʺ («Трибоэлектрические наногенераторы как представители новой энергетической технологии для систем с автономным питанием и как активные механические и химические датчики») ACS nano 7.11 (2013): 9533-9557. На основе этого эффекта разработаны несколько конфигураций устройств - так называемых трибоэлектрических наногенераторов («ТЭНГов») или трибоэлектрических генераторов («ТЭГов»).
С момента появления первых сообщений о них в 2012 г. плотность выходной мощности ТЭГов значительно возросла. Продемонстрировано, что плотность мощности на единицу объема может достигать более 400 киловатт на метр кубический, а кпд - ~60 % (тот же первоисточник). В дополнение к высоким выходным рабочим характеристикам, технология ТЭГов несет многие другие преимущества, такие, как низкая себестоимость производства, высокая надежность и стойкость к внешним воздействиям, а также малое воздействие на окружающую среду.
ТЭГ можно использовать как генератор электрической мощности, т.е. средство аккумулирования энергии, например, вибрации, ветра, воды, произвольных движений тела или даже преобразования механической мощности в электричество. Генерируемое напряжение представляет собой сигнал мощности.
В широком смысле, ТЭГи можно разделить на четыре основных класса эксплуатации.
Первый режим работы представляет собой режим вертикального размыкания контактов, в котором две или более пластины циклически вводят в контакт или выводят из него посредством прикладываемой силы. Это можно использовать, например, в обуви, где давление, прикладываемое потребителями, когда они шагают, используется для введения пластин в контакт. Один пример такого устройства описан в статье ʺIntegrated Multilayered Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Biomechanical Energy from Human Motionsʺ («Интегрированный многослойный трибоэлектрический наногенератор для аккумулирования биомеханическоЙ энергии движений человека»), Peng Bai et. al. В ACS Nano 2013 7(4), pp. 3713-3719. В данном случае, устройство содержит многослойную структуру, сформированную на подложке зигзагообразной формы. Работа этого устройства основана на переносе поверхностного заряда благодаря контактной электризации. Когда к структуре прикладывают давление, зигзагообразная форма сжимается, создавая контакт между разными слоями, а когда воздействие давления прекращается, этот контакт устраняется. Аккумулируемую энергию можно использовать, например, для зарядки мобильных переносных устройств.
Второй режим работы представляет собой режим линейного скольжения, в котором стимулируется поперечное скольжение пластин друг относительно друга, чтобы изменить площадь перекрытия между ними. Стимулируют возникновение разности потенциалов через пластины, имеющей мгновенную величину, пропорциональную скорости изменения суммарной площади перекрытия. Периодически вводя пластины во взаимное перекрытие друг с другом и выводя из него, можно устанавливать переменный ток через нагрузку, подсоединенную между пластинами.
Конструкция, которая позволяет аккумулировать энергию движений скольжения. предложена в статье ʺFreestanding Triboelectric-Layer-Based Nanogenerators for Harvesting Energy from a Moving Object of Human Motion in Contact and Non-Contact Modesʺ («Автономные трибоэлектричские наногенераторы на основе слоев для аккумулирования энергии движущегося объекта при движение человека в контактном и бесконтактном режимах») в Adv. Mater. 2014, 26, 2818-2824. Автономный подвижный слой скользит между статическими электродами, образующими пару. Подвижный слой может быть не вступающим в контакт со статическими электродами (т.е. может предусматриваться малый промежуток над статическими электродами) или может быть вступающим в скользящий контакт.
Третий режим работы представляет собой режим с одиночным электродом, в котором одна поверхность, например - дорожка на полу, например, заземлена, а между этой первой поверхностью и грунтом подсоединена нагрузка (см., например, Yang, Ya, et al., ʺSingle-electrode-based sliding triboelectric nanogenerator for self-powered displacement vector sensor systemʺ («Трибогенератор на основе скольжения одиночного электрода для автономной системы датчиков векторов движения»), ACS nano 7.8 (2013): 7342-7351). Вторая поверхность - не являющаяся электрически соединенной с первой - вводится в контакт с первой поверхностью и осуществляет ее трибозарядку. Когда вторую поверхность затем отодвигают от первой, избыточный заряд, находящийся на первой поверхности, приводится в движение на «землю», обеспечивая ток через нагрузку. Следовательно, для обеспечения тока на выходе, в этом режиме работы используется только один электрод (на одиночном слое).
Четвертый режим работы представляет собой режим автономного трибоэлектрического слоя, который предназначен для аккумулирования энергии произвольного движущегося объекта, с которым не осуществляют электрические соединения. Этим объектом может быть, например, проезжающий легковой автомобиль, проходящий поезд или башмак. (Снова см. ʺTriboelectric nanogenerators as new energy technology for self-powered systems and as active mechanical and chemical sensorsʺ, ACS nano 7.11 (2013): 9533-9557)).
Есть и другие конструкции трибоэлектрического генератора, такие, как предусматривающие конфигурацию в форме двух дуг, на основе контактной электризации. Давление вызывает сближение дуг, приводящее к созданию контакта между дугообразными слоям, и эти дуги возвращаются к разомкнутой форме, когда воздействие давления прекращается. Также предложен трибоэлектрический генератор, который выполнен как гармонический резонатор для улавливания энергии из окружающей среды.
Одним конкретным подмножеством ТЭГов, работающих в режиме линейного скольжения, которое уже разработано, являются ТЭГи в виде поворотных дисков, которые можно эксплуатировать как в контактном режиме (т.е. режиме непрерывной трибозарядки и электростатической индукции), так и в бесконтактном режиме (т.е. режиме только электростатической индукции после начальной контактной электризации). ТЭГи в виде поворотных дисков в типичных случаях состоят, по меньшей мере, из одного ротора и одного статора, каждый их которых выполнен как множество разнесенных секторов (сегментов) круга. Секторы перекрываются, а потом разделяются, по мере поворота двух дисков друг относительно друга. Как описано выше, между двумя поперечно скользящими - противоположно заряженными - слоями можно индуцировать ток с амплитудой, пропорциональной скорости изменения площади перекрытия. По мере того, как каждый последовательно разнесенный сектор ротора перекрывается с некоторым заданным сектором статора, а потом выходит из перекрытия, между этими двумя секторными пластинами индуцируется ток, сначала - в первом направлении, когда перекрытие пластин увеличивается, а потом - в противоположном направлении, когда перекрытие пластин уменьшается.
Ограничения ранних версий дисковых ТЭГов сегментной структуры (Long Lin et al. ʺSegmentally Structured Disk Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Rotational Mechanical Energyʺ («Дисковый трибоэлектрический наногенератор сегментной структуры для аккумулирования механической энергии движения поворота»), Nano Lett. 2013, 13 (6), pp. 2916-2923) заключались в том, что поворачиваемые и неподвижные трибоэлектрические слои требуют осаждения металлических электродов и соединения с электрическими выводами, приводя к неудобной эксплуатации вращающихся деталей.
Эти проблемы может решить дисковый ТЭГ с обеими группами текстурированных электродов, закрепленными на неподвижный диск, вместе с автономным трибоэлектрическим слоем на поворотном диске, раскрытый в работе Long Lin et al. ʺNoncontact Free-Rotating Disk Triboelectric Nanogenerator as a Sustainable Energy Harvester and Self-Powered Mechanical Sensorʺ («Бесконтактный трибоэлектрической генератор со свободно поворачиваемыми дисками как устойчивый аккумулятор энергии и механический датчик с автономным питанием»). ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6 (4), pp. 3031-3038.
При такой структуре нет необходимости осаждения электродов или электрического соединения для вращающейся детали, что резко повышает работоспособность аккумулятора энергии.
ТЭГи в виде поворотных дисков, а на самом деле - и ТЭГи, работающие в режиме линейного скольжения, в общем случае можно эксплуатировать в обоих режимах - контактном и бесконтактном. Хотя для трибозаряжаемых пластин желателен контакт (как с самого начала, так и впоследствии, чтобы противодействовать утечке), сам процесс электростатической индукции (посредством которого генерируют электрическую энергию) не требует контакта между пластинами, а функционирует приемлемо с малым размыканием пластин (составляющим, например, приблизительно 0,5 мм).
Эксплуатация в контактном режиме - в котором пластины поддерживаются в постоянном контакте, так что между ними существует трение, - приводит к повышенной отдаваемой мощности, поскольку пластины постоянно заряжены, и поэтому постоянно поддерживаются при некоторой теоретической максимальной зарядной емкости (определяемой емкостью двухпластинной системы) за счет постоянного изменения заряда, утрачиваемого из-за утечки, и т.д. Чем больше заряд, который можно поддерживать на пластинах, тем больше электростатический индуктивный выход, который можно генерировать, поскольку естественно увеличенная плотность заряда индуцирует увеличенную электростатическую силу между электронами в пластинах.
Традиционная основа поворотного ТЭГа - непрерывная, обычно высокая, скорость на протяжении полного оборота на 360 градусов элемента ротора около элемента статора. Эти устройства работают неудовлетворительно, когда сообщается только малое колебательное движение поворота; поэтому аккумулирование энергии механического движения этого типа затруднено. Следовательно, существует потребность в устройстве типа ТЭГа, которое вырабатывает оптимизированную отдаваемую мощность из малых угловых колебаний.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение ограничено формулой изобретения.
Согласно примерам в соответствии с одним аспектом изобретения, предложен трибоэлектрический генератор энергии по пункту 1 формулы изобретения.
Трибоэлектрический генератор энергии содержит первый генерирующий элемент и второй генерирующий элемент, которые выполнены так, что относительное движение между первым и вторым генерирующим элементами создает выходное напряжение. Относительное движение может приводить к изменению разделяющего расстояния между первым и вторым трибоэлектрическими материалами или изменению площади перекрытия между первым и вторым трибоэлектрическими материалами.
При эксплуатации, можно использовать, трибоэлектрический генератор энергии для запитывания внешней цепи путем соединения первого и второго генерирующих элементов с этой внешней цепью. Первый и второй трибоэлектрические материалы представляют собой разнородные трибоэлектрические материалы (один является донором электронов, а другой - акцептором электронов). Контакт между первым и вторым трибоэлектрическими материалами вызывает наращивание заряда в первом и втором генерирующих элементах, так что первый и второй генерирующие элементы оказываются противоположно заряженным. Движение второго генерирующего элемента относительно первого генерирующего элемента приводит к появлению выходного напряжения как следствия сочетания трибоэлектрического эффекта и электростатической индукции.
При эксплуатации, второй генерирующий элемент поворачивается, а первый генерирующий элемент неподвижен. Второй генерирующий элемент поворачивается из начального положения на некоторый угол относительно первого генерирующего элемента, а потом поворачивается обратно в начальное положение. Таким образом, второй генерирующий элемент осуществляет колебания вокруг оси и движется между первой конфигурацией и второй конфигурацией. Конфигурация ограничителя обеспечивает ограничение поворота второго генерирующего элемента, так что второй генерирующий элемент может поворачиваться только в пределах некоторого желаемого углового диапазона вплоть до некоторого максимального угла поворота.
Когда трибоэлектрический генератор энергии соединен с внешней цепью, вращение ротора относительно статора порождает поток электронов переменного направления. Ограничитель ограничивает вращение ротора вокруг общей оси до некоторого желаемого углового диапазона.
Кроме того, за счет ограничения движения поворота некоторым конкретным угловым диапазоном, ограничитель обеспечивает генерирующий энергию гаситель колебаний, который может удалять нежелательные частоты, например - шумы дребезжания. Ограничитель выполнен с возможностью ограничения поворота ротора максимальным уровнем углового перемещения. Максимальный угол - это наибольший допустимый угол поворота ротора относительно статора.
Отметим, что ось поворота может быть статической или она может двигаться, например - давая возможность движения качения. Ось поворота может двигаться, совершая малые линейные осевые движения; это может оказаться полезным, в частности, в бесконтактном режиме (в котором первый и второй трибоэлектрические материалы не контактируют друг с другом) или при периодической подзарядке.
Генератор энергии получает механическую энергию из входного источника. Входной источник энергии движется, совершая колебания, например, он вибрирует. Обычные поворотные трибоэлектрические генераторы неэффективны при преобразовании колебательных движений в электрическую энергию.
В некоторых вариантах осуществления, за счет ограничения движения второго генерирующего элемента создается возможность эффективного генерирования энергии из малых движений, поскольку максимизируется продолжительность контакта или продолжительность перекрытия первого и второго трибоэлектрических материалов.
В некоторых вариантах осуществления, ограничитель обеспечивает увеличенную площадь контакта или перекрытия для улучшенной трибозарядки и улучшенного генерирования мощности.
Трибоэлектрический генератор энергии эффективен, в частности, при преобразовании малых периодических поворотных движений в электричество. Например, генератор оптимизируют для угловых движений менее, чем на 360 градусов, а не для непрерывных повторяющихся полных оборотов на 360 градусов. Следовательно, трибоэлектрический генератор энергии можно использовать для генерирования электричества из входного источника, который совершает колебания с малой амплитудой. В примерах, генератор оптимизируют для использования с угловыми движениями, протяженность которых меньше 60 градусов или равна этой величине, либо меньше 5 градусов или равна этой величине.
Трибоэлектрический генератор энергии может дополнительно содержать:
статор, содержащий первый генерирующий элемент; и
ротор, содержащий второй генерирующий элемент, причем ротор и статор соосны, а ротор выполнен с возможностью поворота вокруг общей оси и ограничитель выполнен с возможностью ограничения поворота ротора вокруг общей оси.
Когда трибоэлектрический генератор энергии соединен с внешней цепью, поворот ротора относительно статора порождает поток электронов переменного направления. Ограничитель ограничивает поворот ротора вокруг общей оси некоторым желаемым угловым диапазоном.
Кроме того, за счет ограничения движения поворота некоторым конкретным угловым диапазоном, ограничитель обеспечивает генерирующий энергию гаситель колебаний влияния, который может удалять нежелательные частоты, например - шумы дребезжания. Ограничитель выполнен с возможностью ограничения поворота ротора максимальным уровнем углового перемещения. Максимальный угол - это наибольший допустимый угол поворота ротора относительно статора.
Ротор может содержать одно или множество ребер, которые выступают наружу от общей оси, а ограничитель может быть выполнен с возможностью ограничения движения ребер. Ребра могут выступать радиально от центральной точки ротора. За счет ограничения движения ребер, предотвращается поворот ротора вокруг оси за пределы некоторого желаемого углового диапазона.
По меньшей мере, одно ребро может содержать второй генерирующий элемент, а статор может содержать первый генерирующий элемент, выполненный с возможностью сопряжения со вторым генерирующим элементом при эксплуатации. Единственное или каждое ребер может воплощать второй генерирующий элемент. Каждое ребро может содержать участок, который снабжен вторым трибоэлектрическим материалом и выполнен с возможностью перекрытия с площадью статора, содержащей первый трибоэлектрический материал, при эксплуатации. В примерах, предусматривающих множество ребер, ребра могут быть снабжены и первым, и вторым трибоэлектрическими материалами, и статор тоже может быть снабжен и первым, и вторым трибоэлектрическими материалами. Например, ребро может быть снабжено первым трибоэлектрическим материалом, а следующее соседнее ребро может быть снабжено вторым трибоэлектрическим материалом, так что ребра окажутся снабженными первым и вторым трибоэлектрическими материалами в чередующемся порядке. Статор может быть снабжен первым и вторым трибоэлектрическими материалами в чередующемся порядке, расположение которых соответствует расположению первого и второго трибоэлектрических материалов на ребрах.
Конфигурация ограничителя может обеспечивать ограничение поворота ротора пределами углового диапазона от 0 градусов дo 360 градусов, от 0 до l80 градусов, от 0 до 120 градусов, от 0 до 90 градусов, от 0 до 60 градусов, от 0 до 45 градусов, от 0 до 30 градусов, от 0 до 15 градусов, от 0 до 10 градусов, от 0 до 5 градусов, или от 0 до 1 градуса. Ограничитель может содержать множество участков ограничителя, которые выполнены с возможностью ограничения движения ротора. Множество участков ограничителя могут ограничивать угол, на который может беспрепятственно поворачиваться ребро ротора. Участки ограничителя можно располагать радиально, чтобы ограничить движение ротора угловым диапазоном, определяемым положением участков ограничителя.
Ограничитель может быть воплощен посредством статора. Например, ограничитель может быть снабжен выступами или стенкой.
Поверхность ограничителя, выполненную с возможностью контакта со вторым генерирующим элементом при эксплуатации, может быть снабжена первым трибоэлектрическим материалом. Ротор может поворачиваться к ограничителю до тех пор, пока второй генерирующий элемент и ограничитель не вступают в контакт друг с другом. В этот момент, когда трибоэлектрический генератор энергии соединен с внешней цепью, взаимодействие между первым и вторым трибоэлектрическими материалами приводит к выработке электрического сигнала. Когда ротор совершает движение от ограничителя, разделяющее расстояние между первым и вторым трибоэлектрическими материалами увеличивается, что приводит к выработке еще одного электрического сигнала, полярность которого противоположна полярности начального электрического сигнала.
Ротор может содержать первый блокировочный элемент, а ограничителю можно придать форму, обеспечивающую прием первого блокировочного элемента.
Первый блокировочный элемент может содержать второй генерирующий элемент. Ограничитель может содержать первый генерирующий элемент. Блокировочный элемент может содержать множество выступов, форма которых является дополняющей форму ограничителя. Таким образом можно увеличить эффективную максимальную площадь перекрытия между первым и вторым генерирующими элементами. Поэтому эффективность генерирования мощности можно оптимизировать.
Первый генерирующий элемент может содержать первый электрод, крепящийся к первому трибоэлектрическому материалу, а второй генерирующий элемент может содержать второй электрод, крепящийся ко второму трибоэлектрическому материалу.
Когда первый трибоэлектрический материал и второй трибоэлектрический материал контактируют друг с другом, каждый материал наращивает заряд, полярность которого противоположна полярности другого материала. Относительное движение между первым и вторым трибоэлектрическими материалами обуславливает электростатическую индукцию в соответствующем электроде.
В соответствии с еще одним аспектом изобретения, предложен трибоэлектрический генератор энергии, содержащий:
первый генерирующий элемент; и
второй генерирующий элемент, имеющий центральную ось, содержащий:
первый участок на первой стороне от центральной оси; и
второй участок на второй стороне от центральной оси, противоположной первой стороне, причем второй генерирующий элемент выполнен с возможностью колебаний вокруг центральной оси из первого положения, в котором первый участок контактирует с первым генерирующим элементом, во второе положение, в котором второй участок контактирует с первым генерирующий элементом.
Первый и второй генерирующие элементы содержат трибоэлектрические материалы. Второй участок может быть выполнен с возможностью осуществления движения качания, так что когда первый участок контактирует с первым генерирующим элементом, второй участок отделен от первого генерирующего элемента, и наоборот. Когда первый участок контактирует с первым генерирующим элементом, первый и второй трибоэлектрические материалы становятся трибозаряженными. При этом, когда первый участок движется к первому генерирующему элементу, второй участок движется от него, так что между вторым участком и первым генерирующим элементом наращивается разность потенциалов. Таким же образом, когда второй участок контактирует с первым генерирующим элементом, наращивается заряд (второй участок оказывается трибозаряженным). Когда второй участок движется к первому генерирующему элементу, первый участок движется от него, так что между первым участком и первым генерирующим элементом наращивается разность потенциалов.
Первый участок и второй участок могут содержать заряжающую поверхность, выполненную с возможностью контакта с первым трибоэлектрическим материалом при эксплуатации.
Второй генерирующий элемент можно приспособить таким образом, что при эксплуатации угол, стягиваемый заряжающей поверхностью участка в контакте с первым трибоэлектрическим материалом, является меньшим, чем 180 или равным этой величине, или - предпочтительно - меньшим, чем 90 градусов, или равным этой величине.
Первый участок может содержать первую заряжающую поверхность, выполненную обращенной к поверхности первого генерирующего элемента, и при эксплуатации угол, стягиваемый первой заряжающей поверхностью и противолежащей поверхностью первого генерирующего элемента, может быть меньшим, чем 180 градусов, или равным этой величине, или - предпочтительно - меньшим, чем 90 градусов, или равным этой величине.
Второй участок может содержать вторую заряжающую поверхность, выполненную обращенной к поверхности первого генерирующего элемента, и при этом во время эксплуатации угол, стягиваемый первой заряжающей поверхностью и противолежащей поверхностью первого генерирующего элемента, может быть меньшим, чем 180 градусов, или равным этой величине, или - предпочтительно - меньшим, чем 90 градусов, или равным этой величине.
Конфигурация второго генерирующего элемента может обеспечивать поворот вокруг центральной оси. Например, второй генерирующий элемент может поворачиваться вокруг оси, перпендикулярной первому генерирующему элементу. Следовательно, трибоэлектрический генератор энергии может совершать движение качения, а также движение качания. Таким образом можно продлить срок присутствия изделий на рынке, поскольку разные детали из первого и второго трибоэлектрических материалов контактируют друг с другом, влияя на качение второго генерирующего элемента.
Первый генерирующий элемент может содержать первый электрод, а второй генерирующий элемент может содержать второй электрод.
Первый генерирующий элемент может содержать первый электрод и второй электрод.
Трибоэлектрический генератор энергии может дополнительно содержать ограничитель, причем второй генерирующий элемент контактирует с ограничителем в первом положении и втором положении.
Угол поворота второго генерирующего элемента в первом и втором положениях составляет менее 45 градусов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Теперь, со ссылками на прилагаемые чертежи, будет приведено подробное описание примеров изобретения, при этом:
на фиг.1 показан трибоэлектрический генератор энергии в соответствии с первым примером;
на фиг.2 показан трибоэлектрический генератор энергии в соответствии со вторым примером;
на фиг.3 показан трибоэлектрический генератор энергии в соответствии с третьим примером;
на фиг.4 показан трибоэлектрический генератор энергии в соответствии с четвертым примером;
на фиг.5 показан трибоэлектрический генератор энергии в соответствии с пятым примером;
на фиг.6А показан трибоэлектрический генератор энергии в соответствии с шестым примером;
на фиг.6B показан трибоэлектрический генератор энергии в соответствии с седьмым примером;
на фиг.7 показан трибоэлектрический генератор энергии в соответствии с восьмым примером;
на фиг.8 показан трибоэлектрический генератор энергии в соответствии с девятым примером; и
на фиг.9 показан трибоэлектрический генератор энергии в соответствии с десятым примером.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
В изобретении предложен трибоэлектрический генератор энергии, содержащий первый генерирующий элемент и второй генерирующий элемент. Первый генерирующий элемент содержит первый трибоэлектрический материал, а второй генерирующий элемент содержит второй трибоэлектрический материал, который отличается от первого трибоэлектрического материала. Движение второго генерирующего элемента относительно первого генерирующего элемента приводит к появлению выходного напряжения и выходного тока как следствию сочетания трибоэлектрического эффекта и электростатической индукции. Следовательно, колебания второго генерирующего элемента в ответ на механическое возмущение в окружающей среде можно использовать для генерирования электричества. Трибоэлектрический генератор энергии включает в себя ограничитель, конфигурация которого обеспечивает ограничение поворота второго генерирующего элемента таким образом, что второй генерирующий элемент может поворачиваться только н некоторый конкретный угол, определяемый положением ограничителя. Трибоэлектрический генератор энергии приспособлен для максимизации и/или оптимизации генерировании энергии из малых периодических движений поворота.
На фиг.1 показан пример трибоэлектрического генератора 1 энергии, содержащего статор 3 и ротор 5. Ротор 5 расположен внутри полости статора 3 соосно с ним, и ротор 5 выполнен с возможностью поворота вокруг общей оси (показанной пунктирной линией). Статор 3 содержит множество выступов, которые простираются от периферии статора 3 к центру статора. Как и воплощение ограничителя 7, выступы воплощают первый генерирующий элемент 8, поскольку боковые поверхности выступов, которые перпендикулярны основанию статора, покрыты первым трибоэлектрическим материалом 9. Второй генерирующий элемент 10 обеспечивается ротором 5, который содержит множество ребер 11. Ребра 11 расходятся наружу от центра ротора 5 и располагаются, простираясь между последовательными выступами статора. Таким образом, ротор 5 и статор 3 расположены так, что ротор может поворачиваться только на некоторый желаемый угол перед тем, как ударяется о часть ограничителя 7. Боковые поверхности каждого ребра 11 покрыты вторым трибоэлектрическим материалом 13. При эксплуатации, ребра 11 совершают колебания между выступами, которые воплощают первый генерирующий элемент 8 на одной из сторон ребра 11. Когда ребра 11 садятся на ограничитель 7, первый трибоэлектрический материал 9 и второй трибоэлектрический материал 13 контактируют друг с другом и генерируют электрический сигнал.
Как ротор, так и статор может иметь компоновки электродов, располагающиеся ниже или позади трибоэлектрического материала. Статор 3 может содержать первый электрод, расположенный ниже или позади первого трибоэлектрического материала 9, а ротор 5 содержит второй электрод, расположенный ниже или позади второго трибоэлектрического материала 13.
В альтернативном варианте, статор может содержать ряд разнесенных (проводящих) электродов, а ротор содержит автономный слой диэлектрического материала, который может быть металлическим или неметаллическим. В дополнение к этому (как говорится в работе Long Lin et al. ʺNoncontact Free-Rotating disc Triboelectric Nanogenerator as a Sustainable Energy Harvester and Self-Powered Mechanical Sensorʺ («Бесконтактный свободно поворачивающийся дисковый трибоэлектрический наногенератор как восстанавливаемый генератор энергии и механический датчик с автономным питанием»), ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6 (4), pp. 3031-3038), при такой структуре нет необходимости осаждения электродов или электрического соединения для вращающейся детали, что резко повышает работоспособность аккумулятора энергии. Конечно, возможны и обращенные конструкции ротора и статора.
Когда ребра 11 движутся обратно - от ограничителя 7, разделяющее расстояние между первым и вторым трибоэлектрическими материалами увеличивается. Это приводит к индуцированию еще одного электрического сигнала, полярность которого является противоположной по сравнению с начальным электрическим сигналом. В процессе последующих колебаний вокруг оси, трибоэлектрический генератор 1 энергии вырабатывает знакопеременный электрический сигнал.
Выступы являются клинообразными и дополняющими форму ребер 11 ротора 5, так что площадь перекрытия между первым трибоэлектрическим материалом 9 и вторым трибоэлектрическим материалом 13 максимизируется.
Боковые поверхности, как ограничителя 7, так и ребер 11 ротора, снабжены трибоэлектрическим материалом. Следовательно, когда одна сторона ребра 11 контактирует с поверхностью ограничителя 7, снабженной вторым трибоэлектрическим материалом 13, другая сторона ребра 11 находится на максимальном разделяющем расстоянии от соответствующей поверхности ограничителя.
Устройство образует полный круг, который делится ограничителями на секторы. В показанном примере имеются шесть ребер 11 ротора, каждое - с диапазоном движения примерно 35 градусов. Таким образом, ограничители простираются примерно на 25 градусов, вследствие чего каждый ограничитель и промежуток между ограничителями занимают 60 градусов. На протяжении полного круга возможно размещение большего или меньшего количества ребер. Свободу поворота ротора можно увеличивать или уменьшать, изменяя количество элементов ограничителя и ребер.
Ограничитель можно скомпоновать так, что когда колеблющийся второй генерирующий элемент ударяется об ограничитель, будет вырабатываться напряжение, которое можно использовать как сигнал запуска для синхронизации, например - для синхронизации преобразования мощности. Таким образом можно проводить преобразование мощности эффективнее.
На фиг.2 показан еще один пример трибоэлектрического генератора 1 энергии, который опять содержит статор 3 и ротор 5, которые соосны. Ротор 5 предусмотрен внутри статора 3, а внешняя стенка статора обеспечивает ограничитель 7. Секция внешней стенки, снабженная первым трибоэлектрическим материалом 9, воплощает первый генерирующий элемент 8. Статор 3 содержит первый электрод, расположенный ниже или позади первого трибоэлектрического материала 9. Ротор 5 содержит два ребра 11, которые воплощают второй генерирующий элемент 10. Ребра 11 поворачиваются вокруг общей оси (показанной пунктирной линией) между первой конфигурацией, в которой первая пара поверхностей ребер, снабженных вторым трибоэлектрическим материалом 13, контактируют с внешней стенкой статора 3, снабженной первым трибоэлектрическим материалом 9, и второй конфигурацией, в которой вторая пара поверхностей ребер, снабженных вторым трибоэлектрическим материалом 13, контактируют с участком внешней стенки, снабженным первым трибоэлектрическим материалом 13. Ротор 5 содержит второй электрод, расположенный ниже или позади второго трибоэлектрического материала 13.
Эта конструкция имеет общую форму галстука-бабочки, и есть только два диаметрально противоположном ребра 11, каждое из которых заключено внутри некоторой камеры. Ребро может занимать угол, составляющий чуть меньше половины угловой протяженности полости, образованной ограничителем 7.
На фиг.3 показан совершающий поворотные колебания трибоэлектрический генератор 1 энергии, в котором на основании статора 3 под ротором 5 предусмотрен один или несколько сегментов первого трибоэлектрического материала 9. Статор 3 содержит первый электрод, расположенный ниже или позади первого трибоэлектрического материала 9. Ротор 5 содержит множество ребер 11. Второй трибоэлектрический материал 13 предусмотрен на нижней поверхности ребер, которая обращена к основанию статора 3. Клинообразные ограничители 7 выступают кверху из основания статора 3 и простираются от поверхности периферийного края к центру статора 3. По мере поворота ротора 5 между ограничителями 7, нижняя поверхность ребер 11, снабженных вторым трибоэлектрическим материалом 13, и сегменты первого трибоэлектрического материала 9, предусмотренные на основании статора 3, вводятся в состояние перекрытия и выводятся из этого состояния. Ротор 5 содержит второй электрод, расположенный ниже или позади второго трибоэлектрического материала 13. По мере того, как каждый последовательно разнесенный сектор ротора вводится в состояние перекрытия с некоторым заданным сектором статора и выводится из этого состояния, между пластинами двух секторов индуцируется ток, сначала - в первом направлении, когда перекрытие пластин увеличивается, а потом - в противоположном направлении, когда перекрытие пластин уменьшается.
Ротор 5 может быть либо выполнен с возможностью вступления в физический контакт с первым трибоэлектрическим материалом 9, либо отделен от основания статора воздушным зазором. В этом примере, трибоэлектрический генератор 1 энергии генерирует знакопеременный электрический сигнал, зависящий от частоты колебаний ротора и количества трибоэлектрический сегментов на основании статора 3 между последовательными частями ограничителя 7.
В каждой камере статора может быть только один электрод статора (между составляющими некоторую пару ограничителями 7). Тогда электрод статора может занимать чуть меньше половины угловой площади, так что ротор совершает переход между состояниями полного перекрытия электрода статора и отсутствия перекрытия вообще. В альтернативном варианте, в каждой камере может быть расположен набор разнесенных электродов статора, как показано. На фиг.3 показаны пять электродов статора в каждой камере. Во всех случаях, электроды статора по размерам и форме могут соответствовать ребристому электроду ротора.
На фиг.4 показан совершающий поворотные колебания трибоэлектрический генератор 1 энергии с наружной ограждающей стенкой, которая простирается по периферии статора 3. Сегменты первого трибоэлектрического материала 9 находятся на aвнутренней поверхности внешней стенки, которая обращена к центру статора 3. Ротор 5 содержит множество ребер 11 с радиально наружными кончиками ребер, которые покрыты вторым трибоэлектрическим материалом 13. Ротор 5 может выполнен либо с возможностью контакта со статором, скользя вдоль сегментов первого трибоэлектрического материала 9, либо - в альтернативном примере - он может быть выполнен с возможностью отделения от сегментов воздушным зазором. Трибоэлектрический генератор 1 энергии будет генерировать знакопеременный электрический сигнал, зависящий от частоты колебаний и количества трибоэлектрических сегментов между последовательными частями ограничителя 7.
На фиг.5 показан трибоэлектрический генератор 1 энергии, опять содержащий ротор 5 и статор 3. В этом примере, ротор 5 и статор 3 приспособлены для подгонки друг к другу под некоторым конкретным углом поворота. Ротор 5 содержит множество ребер 11, которые простираются радиально от центра ротора. Ребра 11 содержат дугообразные блокировочные элементы 14, форма которых обеспечивает взаимную блокировку со статором 3. Таким образом, ротор можно считать имеющим набор радиальных шин 11, от которых простирается набор окружных ответвлений 14. Статор 3 содержит множество концентричных выступов, которые обеспечивают ограничитель 7 за счет упора в радиальные ребра 11. В примерах, ответвления выступают из обеих сторон ребер 11. Выступам придана форма, обеспечивающая дополнение формы блокировочных элементов 14, так что ограничитель 7 и блокировочные элементы 14 соединены друг с другом, когда они сближены. Поверхности выступов, которые воплощают ограничитель 7, снабжены первым трибоэлектрическим материалом 9, а внешние поверхности блокировочных элементов снабжены вторым трибоэлектрическим материалом 13. Статор 3 содержит первый электрод, расположенный ниже или позади первого трибоэлектрического материала 9, а ротор 5 содержит второй электрод, расположенный ниже или позади второго трибоэлектрического материала 13. Эти материалы предусмотрены на криволинейной поверхности. Когда ротор и статор и статор взаимно блокируются, определяется набор концентричных площадей контакта. Диапазон углового движения ротора достаточен, например, для полной взаимной блокировки ротора и статора и для полного освобождения ротора от статора.
При эксплуатации, когда ротор 5 поворачивается в первом направлении, поверхности ребер, содержащие второй трибоэлектрический материал, и поверхности выступов ограничителя, которые воплощает второй трибоэлектрический материал, сближаются, так что площадь перекрытия увеличивается. Когда ротор 5 поворачивается во втором направлении, противоположном первому направлению, ребра и выступы ограничителя отодвигаются друг от друга, так что площадь перекрытия между первым и вторым трибоэлектрическими материалами уменьшается. За счет обеспечения этой компоновки, создается возможность получения большей площади эффективной трибоэлектрической поверхности между ротором и статором. Ротор 5 может быть либо выполнен с возможностью вступления в физический контакт со статором и скольжения вдоль трибоэлектрических сегментов, либо может быть отделен от сегментов воздушным зазором.
За счет поворота ротора в направлениях, изменяющихся на противоположные в чередующемся порядке, генерируется переменный электрический сигнал, который зависит от частоты, представляющей собой частоту колебаний. Выходная мощность генератора будет зависеть от частоты колебаний и количества пар выступов и блокировочных элементов 14, снабженных первым и вторым трибоэлектрическими материалами, соответственно.
Каждая камера ротора может иметь две или более дугообразных частей 14. На фиг.5 показаны три, но их можно предусмотреть больше, чтобы увеличить площадь перекрытия. Например, количество дугообразных концентрических участков может находиться в диапазоне между 2 и 10, а количество дугообразных участков статора 7, которые функционируют как ограничители, будет соответствующим. Ответвления ротора могут быть гибкими; эти ответвления могут быть выполнены из гибкого материала или могут иметь тонкую структуру; например, ответвления могут содержать тонкую фольгу, чтобы придать ответвлениям гибкость.
Отметим, что круговые общие конструкции согласно фиг.3, 4 и 5 можно модифицировать, чтобы предусмотреть только такую пару противоположных камер, как на фиг.2. Это обеспечивает другой форм-фактор, который может быть выгодным для некоторых конструкций.
Вышеизложенные примеры основаны на повороте между ротором и статором вокруг некоторой фиксированной оси. Это не единственный вариант выбора.
На фиг.6А показан еще один пример трибоэлектрического генератора 1 энергии в соответствии с примером. Трибоэлектрический генератор 1 энергии содержит первый генерирующий элемент 8, который содержит участок основания и две боковые стенки, которые предусмотрены на противоположных сторонах от центральной оси, и второй генерирующий элемент 10, который содержит круглый корпус из второго трибоэлектрического материала. Первый генерирующий элемент содержит первый трибоэлектрический материал. Боковые стенки первого генерирующего элемента 8 обеспечивают ограничитель 7, который ограничивает движение второго генерирующего элемента 10 так, что тот может поворачиваться лишь на некоторый желаемый угол, который, например, меньше 60 градусов.
Поскольку поворот сопровождается поступательным движением, поворот происходит вокруг движущейся оси, и при этом второй генерирующий элемент 10 (который можно рассматривать как являющийся ротором) совершает движение качения. Угловой диапазон поворота зависит от радиуса второго генерирующего элемента и ширины электрода. Эту компоновку можно использовать, например, для движений поворота менее, чем на 45 градусов. В некоторых вариантах осуществления, диаметр (d) второго генерирующего элемента может быть равным ширине (W) электрода. В других вариантах осуществления, диаметр второго генерирующего элемента находится в пределах диапазона W < d > 1,5W.
В частности, второй генерирующий элемент 10 выполнен с возможностью качения между боковыми стенками первого генерирующего элемента 8. Второй генерирующий элемент - предпочтительно - содержит проводящий материал для облегчения равномерного распределения заряда на поверхности. В первой конфигурации, первый участок второго трибоэлектрического материала контактирует с первой стенкой первого генерирующего элемента 8 (верхний чертеж). Во второй конфигурации, второй участок второго трибоэлектрического материала контактирует со второй стенкой первого генерирующего элемента (средний чертеж). Второй трибоэлектрический элемент совершает колебания между первый и второй конфигурациями. В конфигурации, соответствующей равновесию (нижний чертеж), только одна часть второго генерирующего элемента контактирует с первым генерирующим элементом, тогда как во второй конфигурации две секции второго генерирующего элемента контактируют с первым генерирующим элементом.
Первый электрод 15 предусмотрен на первой стороне первого генерирующего элемента 8, а второй электрод 16 предусмотрен на второй стороне первого генерирующего элемента 8, которая противоположна первой стороне.
Один из электродов можно использовать для синхронизации системы генерирования мощности. Преобразователи на переключаемых конденсаторах можно воплотить, например, как преобразователи мощности. Хотя такие преобразователи не требуют никакой индуктивности, их управляющие сигналы по-прежнему надо правильно синхронизировать с сигналом, генерируемым ТЭГами. В этом случае, генератор можно использовать с преобразователем на переключаемых конденсаторах для осуществляемого с понижением частоты преобразования выходного напряжения генератора мощности. Преобразователь на переключаемых конденсаторах содержит батарею конденсаторов и переключающее устройство. Для управления переключателями на основе сигнала обратной связи из генератора мощности используется контроллер. Таким образом, генератор мощности создает сигнал обратной связи, который затем используют при управлении преобразователем на переключаемых конденсаторах для преобразования входного напряжения, например - с целью осуществляемого с понижением частоты преобразования входного напряжения без значительных потерь мощности. Сигнал обратной связи генерируется непосредственно в ответ на движение. Это означает, что сигнал обратной связи не генерируется на основе обработки сигнала выходного напряжения или мощности, и поэтому для генерирования сигнала обратной связи не требуется значительное потребление мощности. Это обеспечивает автоматическое управление преобразователем на переключаемых конденсаторах, вследствие чего упрощаются схемы управления в целом и повышается кпд. Для приложений, не предусматривающих преобразование мощности, можно использовать самосинхронизацию, например - самосинхронизацию, управляющую отдаваемой мощностью. Поскольку выходной сигнал управляющего электрода ТЭГа имеет частоту, пропорциональную скорости поворота ротора, эту информацию можно использовать как сигнал обратной связи, подаваемый в контроллер, выполненный с возможностью управления скоростью поворота колебательного генерирующего заряд элемента, а значит - и управления выходной мощностью ТЭГа.
На фиг.6B показана компоновка, в которой на каждой стороне предусмотрен дополнительный управляющий электрод 15', 16' для облегчения синхронизации системы генерирования мощности. Синхронизирующие электроды выполнены так, что переключающий структурный элемент для преобразователя на переключаемых конденсаторах синхронизирован с выходным напряжением ТЭГа. Это означает, что имеет место автоматическое генерирование синхронизированного управляющего сигнала на основе оптимального позиционирования управляющих электродов относительно генерирующих мощность электродов. Таким образом, преобразование мощности можно оптимизировать, не нуждаясь в специальной схеме обнаружения и управления.
На фиг.7 показан пример трибоэлектрического генератора 1 энергии, который предназначен для выдачи выходного напряжения, источником которого являются малые движения качания, например - при движениях, имеющих некоторый угол α качания, причем sin(α)=α. Например, движения качания могут иметь угол качания, равный 15 градусов или меньший. Трибоэлектрический генератор 1 энергии содержит первый генерирующий элемент 8, содержащий первый трибоэлектрический материал 9 и первый электрод 15, и второй генерирующий элемент 10, содержащий второй трибоэлектрический материал 13 и второй электрод 16. Второй генерирующий элемент 10 приспособлен для колебаний вокруг центральной оси в процессе движения качания; он содержит первый участок 17 и второй участок 19, которые находятся на противоположных сторонах от оси, проходящей через центр второго генерирующего элемента, в положении равновесия (средний чертеж). Внешняя поверхность каждого из участков выполнена с возможностью контакта с первым трибоэлектрическим материалом в крайних точках колебаний и определяет заряжающую поверхность 20. Второй генерирующий элемент 13 выполнен с возможностью колебаний вокруг центральной оси из первого положения (верхний чертеж) через равновесное положение (средний чертеж) во второе положение (нижний чертеж). В первом положении, первый участок контактирует с первым генерирующим элементом.
При эксплуатации, трибоэлектрический генератор энергии совершает движение качания, так что в крайних положениях колебаний один из первого и второго участков находится в контакте с первым генерирующим элементом 8. Когда первый участок контактирует с первым генерирующим элементом 8, второй трибоэлектрический материал 13, предусмотренный на первом участке, контактирует с первым трибоэлектрическим материалом 9. Когда второй участок при этом контактирует с первым генерирующим элементом 8, второй трибоэлектрический материал 13, предусмотренный на втором участке, контактирует с первым трибоэлектрическим материалом 9. Когда один из первого и второго участков движется к первому генерирующему элементу, другой из первого и второго участков движется от этого элемента. Генератор выполнен так, что, когда один участок второго генерирующего элемента заряжается посредством электризации, между другим участком второго генерирующего элемента и первым генерирующим элементом наращивается разность потенциалов. Это напряжение разомкнутой цепи, которое увеличивается по мере уменьшения емкости в соответствии с уравнением:
C=εΑ/d,
т.е. V=Q/C=σd/ε,
где C - емкость, ε - диэлектрическая постоянная, σ - плотность поверхностного заряда, V - напряжение, Q - заряд, A - площадь контакта между первым генерирующим элементом и первым или вторым участком второго генерирующего элемента, а d - вертикальное разделяющее расстояние между первым генерирующим элементом и первым или вторым участком второго генерирующего элемента.
Поскольку лишь относительно малые участки первого и второго генерирующих элементов 8, 10 постоянно контактируют друг с другом, можно повысить долговечность и увеличить срок службы устройства.
На центральном чертеже показан трибоэлектрический генератор 1 энергии в положении равновесия. Первый и второй генерирующие элементы могут быть выполнены так, что участок генерирующего элемента, который контактирует с другим из первого и второго генерирующих элементов в положении равновесия, не снабжен трибоэлектрическим материалом, и поэтому в положении равновесия второй трибоэлектрический материал не контактирует с первым трибоэлектрический материал.
На нижнем чертеже показан трибоэлектрический генератор энергии во втором положении. Второй участок второго генерирующего элемента 10 контактирует с первым трибоэлектрическим материалом 9 первого генерирующего элемента 8.
На фиг.8 показан трибоэлектрический генератор 1 энергии, выполненный с возможностью эксплуатации аналогично устройству согласно фиг.7, т.е. в «режиме качания». Вместе с тем, в этом примере первый генерирующий элемент 8 содержит два электрода 15, 16, которые находятся на одной и той же стороне первого трибоэлектрического материала 9.
На фиг.9 показан трибоэлектрический генератор 1 энергии, приспособленный для колебаний при движении наклона. И опять, трибоэлектрический генератор энергии можно оптимизировать конкретно для углов (α) наклона, удовлетворяющих требованию, в соответствии с которым sin(α)=α. На верхнем чертеже изображено движение наклона трибоэлектрического генератора энергии, на среднем чертеже показано расположение первого и второго генерирующих элементов 8, 10, а на нижнем чертеже показан вид спереди трибоэлектрического генератора 1 энергии.
Как показано на верхнем чертеже, первый генерирующий элемент 8 содержит первый трибоэлектрический материал 9, предусмотренный на первом электроде 15, а второй генерирующий элемент 10 содержит второй трибоэлектрический материал 13, предусмотренный на втором электроде 16. Второй генерирующий элемент 10 выполнен с возможностью колебаний или качания относительно первого генерирующего элемента 8. Движение второго генерирующего элемента 10 относительно первого генерирующего элемента 8 вызывает нарастание разности потенциалов между генерирующими элементами.
Как показано на среднем чертеже, первый генерирующий элемент 8 выполнен с возможностью наклона на максимальный угол (α) относительно второго генерирующего элемента 10; в рассматриваемом примере, угол α наклона предпочтительно меньше 10 градусов.
Как показано на нижнем чертеже, второй генерирующий элемент 10 также поворачивается вокруг оси, перпендикулярной первому генерирующему элементу, что может увеличить срок службы и долговечность изделия.
Таким образом, показанное на фиг.6-10 можно резюмировать в том смысле, что трибоэлектрический генератор энергии содержит:
первый генерирующий элемент; и
второй генерирующий элемент, имеющий центральную ось, содержащий:
первый участок на первый стороне центральной оси; и
второй участок на второй стороне от центральной оси, которая противоположна первой стороне, причем второй генерирующий элемент выполнен с возможностью колебаний вокруг центральной оси из первого положения, в котором первый участок контактирует с первым генерирующим элементом, во второе положение, в котором второй участок контактирует с первым генерирующим элементом.
Как вариант, первый участок и второй участок содержат заряжающую поверхность (20), выполненную с возможностью контакта с первым трибоэлектрическим материалом при эксплуатации.
Кроме того, второй генерирующий элемент можно приспособить так, что при эксплуатации угол, стягиваемый заряжающей поверхностью участка, находящейся в контакте с первым трибоэлектрическим материалом, окажется равным 180 градусов или меньшим, а предпочтительно - равным 90 градусов или меньшим.
Второму генерирующему элементу можно придать конфигурацию, обеспечивающую поворот вокруг центральной оси.
Первый генерирующий элемент может содержать первый электрод, а второй генерирующий элемент может содержать второй электрод, или первый генерирующий элемент содержит первый электрод и второй электрод.
Можно использовать ограничитель, при этом второй генерирующий элемент контактирует с ограничителем в первом положении и втором положении, причем угол поворота второго генерирующего элемента между первым и вторым положениями составляет, например, менее 45 градусов.
Для всех примеров можно использовать различные алгоритмы управления, предназначенные управления малыми движениями. В примерах, ТЭГом можно управлять с целью периодического чередования контактного режима, во время которого элементы генератора вводятся в контакт, порождая состояние зарядки, и бесконтактного режима, во время которого пластины генератора отделяются друг от друга, а посредством электростатической индукции генерируется электрическая энергия. Тактированием и продолжительностью контактного и бесконтактного режимов можно управлять посредством контроллера или посредством команд потребителя, в зависимости от состояния заряда элементов генератора. Таким образом, управление элементами таково, что они вступают в контакт только тогда, когда поверхностный заряд падает ниже определенного уровня и необходима подзарядка. Поэтому время контакта между элементами можно минимизировать, тем самым минимизируя производимый шум и износ поверхности, поддерживая при этом заданную желаемую пороговую отдаваемую мощность.
Понятно, что, хотя самосинхронизированное генерирование мощности описано со ссылками на пример, проиллюстрированный посредством фиг.6B, его можно использовать с любым из вышеописанных примеров.
Понятно, что во всех вышеупомянутых примерах речь шла о конструкции для малых возвратно-поступательных движений с малой амплитудой, например, о колебательных движениях поворота, качения, наклона или качания с малой амплитудой и - предпочтительно - малой частотой.
В примерах согласно, например, фиг.1-5, угловой интервал между электродами может быть равным углу поворота или меньшим, чем он. Таким образом, отдаваемая мощность увеличивается по мере достижения полного перекрытия или отсутствия перекрытия между электродами ротора и статора.
В упомянутых примерах, первый и второй генерирующие элементы, как правило, включают в себя электрод или крепятся к нему, создавая возможность захвата заряда.
Статор может и не быть круглым. Вместо этого, возможен статор любой другой формы, включая квадратную, овальную, и т.д.
Обращаясь к фиг.6A и 6B, отмечаем, что второй генерирующий элемент может содержать цилиндр. Этот цилиндр может быть сплошным или полым.
Возможны первый и второй генерирующий элемент из второго трибоэлектрического материала, или они могут быть покрытыми вторым трибоэлектрическим материалом.
Специалисты-практики в области заявляемого изобретения смогут понять и воплотить другие разновидности раскрытых вариантов осуществления, изучив чертежи, описание и прилагаемую формулу изобретения. В формуле изобретения, слово «содержащий (-ая, -ее, -ие)» не исключает другие элементы или этапы, а признак единственного числа не исключает множество. Тот факт, что определенные меры изложены во взаимно различных пунктах формулы изобретения, сам по себе не указывает, что нельзя с выгодой использовать совокупность этих мер.
Любые обозначения позиций чертежей в формуле изобретения не следует считать ограничивающими объем его притязаний.