ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ "ДОСТИЯРИ"

Область техники. Полезная модель относится к пьезоэлектрическим преобразователям механической энергии в электрическую энергию, конкретно к пьезоэлектрическим источникам электрической энергии для транспортного средства, например для гибридного автомобиля, использующего бортовой источник электрической энергии для подзарядки силовых аккумуляторов электрического привода колес автомобиля и электропитания бортовой аппаратуры транспортного средства.
Уровень техники. Известны пьезоэлектрические источники электрической энергии, пригодные для зарядки аккумуляторных батарей транспортного средства [1÷9], содержащие не менее одного биморфного пьезоэлемента, электрические выводы которых соединены с накопителем электрической энергии и устройство механической нагрузки пьезоэлемента.
Так пьезокерамический генератор постоянного тока [1], пригодный для преобразования энергии инерции вращения маховика и валов автомобиля в электрическую энергию, содержит цилиндрический тонкостенный пьезоэлемент, два деформирующих ролика и два токосъемника. При деформации роликами поляризованного в радиальном направлении пьезоэлемента на электродах, которыми являются металлизированные поверхности, возникают вследствие прямого пьезоэффекта заряды, которые передаются в виде напряжения потребителю через токосъемные ролики.
Недостатками этого пьезоэлектрического источника электрической энергии являются малая надежность вследствие того, что тонкослойное покрытие - электроды пьезоэлемента - быстро будет выведено из строя катящимися нажимными и токосъемными роликами; сложность конструкции; малая эффективность преобразования вследствие того, что при деформации цилиндра в нем имеются зоны сжатия и расширения, в которых при односторонней радиальной поляризации будут возникать одновременно положительные и отрицательные заряды на одном электроде, что приведет к их частичному суммированию, при этом снижается эффективность преобразования.
Указанные недостатки устранены в пьезоэлектрическом генераторе постоянного тока [2], содержащем статор, на котором закреплен пьезоэлемент, имеющий форму тела вращения, и ротор, выполненный в виде вала, на котором закреплены два деформирующих пьезоэлемент ролика, отличающийся тем, что в нем пьезоэлемент выполнен в виде закрепленного в центре биморфного диска, по краю которого, в зоне контакта с деформирующими роликами, имеется гибкая изолирующая прокладка. При этом на статоре соосно установлены дополнительные один или несколько биморфных дисковых пьезоэлементов, закрепленных в центре с возможностью поворота и отделенных друг от друга в центре изолирующими шайбами, а по краю гибкими изолирующими прокладками.
Недостатком этого пьезоэлектрического источника электрической энергии для транспортного средства является недостаточная выходная мощность электрической энергии, связанная с переработкой только части механической энергии потерь автомобиля, а именно только энергии инерции вращения кинематических элементов и узлов автомобиля.
Известен пьезоэлектрический источник электрической энергии [3], пригодный для преобразования энергии качения, вибрации и инерции вращения колес автомобиля в электрическую энергию и содержащий колесо с трансформацией энергии механической деформации в электрическую. Колесо содержит электрически изолированные секции цилиндра, выполненные из пьезоэлектрического материала и закрепленные на цилиндрической подложке на стенке полости, расположенной вдоль обода колеса и ограниченной концентрическими эластичными своими двумя стенками, являющимися телами вращения, жесткие нажимные устройства, расположенные на противоположной стенке полости и постоянно контактирующие с выпуклыми сторонами секций, а также устройство съема электрического напряжения с секций. При этом полость колеса образована концентрически расположенными и герметично соединенными цилиндрическими внешним и внутренним ободами колеса и выполнена в виде ряда сообщающихся полостей, образованных коаксиально установленными полыми цилиндрами, и заполнена выбранной жидкостью, каждая секция выполнена из выбранного пьезоэлектрического материала с тангенциальной поляризацией, снабжена эластичной подложкой и закреплена по своим крайним образующим на соответствующем полом цилиндре, включая ободы, так, чтобы с жидкостью контактировала выпуклая сторона секции, на внешнем ободе колеса вне полости расположены нажимные устройства, каждое из которых снабжено нажимным штоком с возможностью радиального перемещения его в полость и из полости без нарушения герметичности и без механического контакта с секциями, подложками и коаксиальными полыми цилиндрами внутри полости.
Недостатком известного пьезоэлектрического источника электрической энергии для транспортного средства является недостаточная выходная мощность электрической энергии, связанная с переработкой только части механической энергии потерь автомобиля, а именно только энергии качения, вибрации и инерции вращения колес автомобиля в электрическую энергию.
Известен пьезоэлектрический источник электрической энергии для транспортного средства [4], включающий блок электромагнитных и блок пьезоэлектрических преобразователей энергии механических колебаний транспортного средства в электрическую энергию, соединенный через линию передачи энергии с накопителем электрической энергии, причем каждый пьезоэлектрический преобразователь содержит не менее одного пьезоэлемента, снабженного токосъемниками для вывода электрической энергии с его токопроводящих покрытий. При этом источник электрической энергии выполнен двойного назначения, а именно - с функцией демпфирования колебаний транспортного средства и выработки электрической энергии, а его блок пьезоэлектрических преобразователей энергии демпфирования механических колебаний транспортного средства в электрическую энергию содержит не менее одного керамического пьезоэлемента на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС) для установки между рамой и подвеской транспортного средства.
Недостатком известного пьезоэлектрического источника электрической энергии для транспортного средства, принятого за прототип, является недостаточная выходная мощность электрической энергии, связанная с недостаточной переработкой механической энергии потерь автомобиля, а именно использованием только части этой энергии - энергии гашения вибрации подвески транспортного средства и его элементов относительно его рамы.
Постановка задачи. Задачей полезной модели является повышение выходной мощности пьезоэлектрического источника электрической энергии для транспортного средства.
Техническим результатом, обеспечивающим решение поставленной задачи, - повышение КПД преобразования механической энергии потерь транспортного средства в электрическую за счет увеличения видов преобразования механической энергии потерь автомобиля в электрическую энергию и увеличения количества мест съема этой энергии на автомобиле.
Достижение заявленного технического результата и, как следствие, решение поставленной технической задачи обеспечиваются тем, что пьезоэлектрический источник электрической энергии для транспортных средств, включающий блок пьезоэлектрических преобразователей энергии механических колебаний транспортного средства в электрическую энергию, соединенный через линию передачи энергии с накопителем электрической энергии, причем каждый пьезоэлектрический преобразователь содержит не менее одного пьезоэлемента, снабженного токосъемниками для вывода электрической энергии с его токопроводящих покрытий, согласно полезной модели он дополнительно содержит блок пьезоэлектрических преобразователей кинетической энергии подшипников качения транспортного средства в электрическую энергию, блок пьезоэлектрических преобразователей энергии торможения транспортного средства в электрическую энергию и/или блок пьезоэлектрических преобразователей энергии встречного ветра в электрическую энергию, соединенных через линию передачи энергии с накопителем электрической энергии.
При этом линия передачи энергии выполнена проводной и/или беспроводной. Беспроводная линия передачи энергии выполнена индукционной или радиочастотной. Блок пьезоэлектрических преобразователей кинетической энергии подшипников качения транспортного средства в электрическую энергию содержит не менее одного пьезоэлемента, установленного между элементами качения (шариками или роликами) и внешней стороной внутренней обоймы и/или внутренней стороной внешней обоймы подшипника. Блок пьезоэлектрических преобразователей энергии торможения транспортного средства в электрическую энергию содержит не менее одного пьезоэлемента, установленного непосредственно на средствах торможения транспортного средства, а также между сочленениями их кинематических узлов и/или сами устройства торможения выполнены двойного функционального назначения из твердого пьезоматериала и снабжены соответствующими токопроводящими покрытиями и токосъемниками для вывода электрической энергии и для пьезопреобразования энергии торможения в электрическую энергию с одновременным выполнением прямого функционального назначения. Средства торможения двойного функционального назначения включают детали механического напряжения электрической системы торможения и/или детали механического и гидравлического напряжения гидравлической системы торможения. Детали механического напряжения электрической системы торможения включают корпуса электромагнитов и элементы их подвески. Детали механического напряжения гидравлической системы торможения включают тормозной цилиндр и его элементы и/или тормоза колес и его элементы, а гидравлического напряжения - гидропроводы. Блок пьезоэлектрических преобразователей энергии встречного ветра в электрическую энергию содержит не менее одного пьезоэлемента в виде пленки из эластичного светопроницаемого пьезоматериала, снабженной с одной из сторон самоклеющейся пленкой для установки на поверхности кузова транспортного средства и/или на его стеклах. Блок пьезоэлектрических преобразователей энергии механических колебаний транспортного средства в электрическую энергию, содержит не менее одного пьезоэлемента, установленного в местах сжатия, растяжения, сдвига, изгиба и/или кручения корпуса и узлов транспортного средства и/или сам корпус транспортного средства и/или его узлы выполнены с двойным функциональным назначением из твердого пьезоматериала, снабженного соответствующими токопроводящими покрытиями и токосъемниками для вывода электрической энергии и для пьезопреобразования энергии механических колебаний транспортного средства и его узлов в электрическую энергию с одновременным выполнением прямого функционального назначения. Корпус транспортного средства включает кузов, раму и/или подрамник. Узлы двойного функционального назначения для гашения и пьезопреобразования энергии механических колебаний в электрическую энергию включают средства подвески, амортизации и/или кинематики. Средства подвески включают шаровые опоры, эластичные подушки, рулевые наконечники и/или прокладки. Средства амортизации включают стабилизатор поперечной устойчивости, эластичные рулевые наконечники, амортизаторы, пружины и/или рессоры. Средства кинематики включают рулевой механизм, шарниры, сайлент-блоки, рулевые тяги, дифференциал, редуктор, раздаточный механизм, шины, диски колес, задний и/или передний мосты. Пьезоэлементы пьезоэлектрических преобразователей выполнены из керамики на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС) и/или из полимерного материала на основе поливинилиденфторида (ПВДФ).
Доказательство достижения технического результата и решения поставленной технической задачи. Дополнительное введение блока пьезоэлектрических преобразователей кинетической энергии подшипников качения транспортного средства в электрическую энергию, блока пьезоэлектрических преобразователей энергии торможения транспортного средства в электрическую энергию, блока пьезоэлектрических преобразователей энергии встречного ветра в электрическую энергию, а также, установка пьезоэлементов блока пьезоэлектрических преобразователей энергии механических колебаний транспортного средства в электрическую энергию в местах сжатия, растяжения, сдвига, изгиба и/или кручения корпуса и узлов транспортного средства и/или выполнение корпуса транспортного средства и/или его узлов из твердого пьезоматериала, снабженного соответствующими токопроводящими покрытиями и токосъемниками для вывода электрической энергии и для пьезопреобразования энергии механических колебаний транспортного средства и его узлов в электрическую энергию с одновременным выполнением прямого функционального назначения позволяют повысить КПД преобразования механической энергии потерь транспортного средства в электрическую энергию за счет увеличения видов преобразования механической энергии потерь автомобиля в электрическую энергию, за счет увеличения количества мест съема этой энергии на транспортном средстве. Следствием этого является повышение выходной мощности пьезоэлектрического источника электрической энергии для транспортного средства и решение поставленной технической задачи.
Ссылка на чертежи. На фиг.1 представлена функциональная схема пьезоэлектрического источникам электрической энергии для транспортного средства, на фиг.2 - пример конструкции пьезопреобразователя энергии качения подшипников колес транспортного средства в электрическую энергию, на фиг.3 - пример конструкции пьезопреобразователя энергии демпфирования эластичной подушки транспортного средства в электрическую энергию.
Описание в статике. Пьезоэлектрический источник электрической энергии для транспортного средства включает средства 1 преобразования энергии паразитных потерь транспортного средства, возникающих при движении автомобиля и мешающих его движению, в электрическую энергию. Средства 1 по выходному электрическому напряжению соединены с накопителем 2 электрической энергии через линию 3 передачи энергии электрического тока. Линия 3 передачи энергии выполнена проводной и/или беспроводной. При этом беспроводная линия 3 передачи энергии выполнена индукционной или радиочастотной. Радиочастотная линия 3 выполнена типа «Блютуз» или «Вай-Фай» в выделенном диапазоне частот из условия ее радиосовместимости со средствами 1 и исключения радиопомех внешним средствам связи. Средства 1 преобразования энергии паразитных потерь транспортного средства в электрическую энергию включают блок 4 пьезоэлектрических преобразователей кинетической энергии подшипников качения транспортного средства в электрическую энергию, блок 5 пьезоэлектрических преобразователей энергии торможения транспортного средства в электрическую энергию, блок 6 пьезоэлектрических преобразователей энергии встречного ветра в электрическую энергию и/или блок 7 пьезоэлектрических преобразователей энергии механических колебаний транспортного средства в электрическую энергию.
Пьезоэлементы пьезоэлектрических преобразователей блоков 4÷7 выполнены из керамики на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС) и/или из полимерного материала на основе поливинилиденфторида (ПВДФ) и снабжены соответствующими токопроводящими покрытиями и токосъемниками для вывода электрической энергии. Блок 4 пьезоэлектрических преобразователей кинетической энергии подшипников качения транспортного средства в электрическую энергию содержит (фиг.2) не менее одного пьезоэлемента 4.1, установленного между элементами 4.2 качения (шариками или роликами) и внутренней стороной внешней обоймы 4.3 подшипника и/или внешней стороной внутренней обоймы 4.4. Пьезоэлементы 4.1 снабжены соответствующими токопроводящими покрытиями 4.5, гибкими износоустойчивыми изолирующими прокладками 4.6 и токосъемниками 4.7 для вывода электрической энергии. Блок 5 пьезоэлектрических преобразователей энергии торможения транспортного средства в электрическую энергию содержит не менее одного пьезоэлемента, установленного непосредственно на средствах торможения транспортного средства, а также между сочленениями их кинематических узлов и/или сами устройства торможения выполнены двойного функционального назначения из твердого пьезоматериала и снабжены соответствующими токопроводящими покрытиями и токосъемниками для вывода электрической энергии и для пьезопреобразования энергии торможения в электрическую энергию с одновременным выполнением прямого функционального назначения. Средства торможения двойного функционального назначения включают детали механического напряжения электрической системы торможения и/или детали механического и гидравлического напряжения гидравлической системы торможения. Детали механического напряжения электрической системы торможения включают корпуса электромагнитов и элементы их подвески. Детали механического напряжения гидравлической системы торможения включают тормозной цилиндр и его элементы и/или тормоза колес и его элементы, а гидравлического напряжения - гидропроводы (на фигурах не показано). Блок 6 пьезоэлектрических преобразователей энергии встречного ветра в электрическую энергию содержит не менее одного пьезоэлемента в виде пленки, например из эластичного светопроницаемого пьезоматериала, снабженной соответствующими токопроводящими покрытиями микронной толщины и токосъемниками для вывода электрической энергии. Указанный пьезоэлемент с одной из сторон снабжен самоклеющейся пленкой для установки на поверхности кузова транспортного средства и/или на его стеклах. Блок 7 пьезоэлектрических преобразователей энергии механических колебаний транспортного средства в электрическую энергию, содержит не менее одного пьезоэлемента 7.1, установленного в местах сжатия, растяжения, сдвига, изгиба и/или кручения корпуса и узлов транспортного средства и/или сам корпус транспортного средства и/или его узлы выполнены с двойным функциональным назначением из эластичного пьезоматериала 7.1, снабженного соответствующими токопроводящими покрытиями 7.2 и токосъемниками 7.3 для вывода электрической энергии и для пьезопреобразования энергии механических колебаний транспортного средства и его узлов в электрическую энергию с одновременным выполнением прямого функционального назначения - демпфирования. Корпус транспортного средства двойного назначения может быть полностью выполнен из пьезоматериала или из него могут быть выполнены отдельные элементы кузова, рама и/или подрамник. Узлы двойного функционального назначения для гашения и пьезопреобразования энергии механических колебаний в электрическую энергию включают средства подвески, амортизации и/или кинематики. Указанные средства подвески двойного функционального назначения включают шаровые опоры, эластичные подушки, рулевые наконечники и/или прокладки. Средства амортизации включают стабилизатор поперечной устойчивости, эластичные рулевые наконечники, амортизаторы, пружины и/или рессоры. Средства кинематики включают рулевой механизм, шарниры, сайлент-блоки, рулевые тяги, дифференциал, редуктор, раздаточный механизм, шины, диски колес задний и/или передний мосты. Электрические выходы блоков 4÷7 соединены с накопителем 2 электрической энергии. Накопитель 2 выполнен в виде химического и/или конденсаторного аккумулятора и снабжен преобразователем напряжений, соединенным по входам с токосъемниками пьезоэлементов блоков 4÷7, а по выходу - с электрическими выводами аккумуляторов накопителя 2.
Указанное изобретение не ограничивается вышеприведенными примерами его исполнения. В рамках данного изобретения возможны и другие варианты исполнения пьезоэлектрического источника электрической энергии для транспортного средства. Так сложные кинематические узлы, как коробка передач транспортного средства, а также коленчатый вал, шатуны двигателя внутреннего сгорания могут быть полностью изготовлены из твердого пьезоматериала с соответствующими токопроводящими покрытиями сторон и снабжены токосъемниками для вывода с них электрической энергии.
Описание в динамике. Пьезоэлектрический источник электрической энергии для транспортного средства работает следующим образом. При движении транспорта пьезоэлементы пьезоэлектрических преобразователей блоков 4÷7 средств 1 преобразуют механическую энергию потерь соответствующего вида в электрическую энергию. Электрическое напряжение с блоков 4÷7 передается через линию 3 на входы накопителя 2. Преобразователь напряжений накопителя 2 преобразует импульсы постоянного тока в постоянное напряжение, суммирует указанные напряжения и подзаряжает соответствующий аккумулятор накопителя 2. Этим обеспечивается утилизация и преобразование теряемой энергии механических колебаний растяжения, сжатия, растяжения, сдвига, изгиба, кручения, а также других видов паразитной динамической деформации транспортного средства в электрическую энергию. Одновременно обеспечивается утилизация и преобразование теряемой кинетической энергии качения, паразитной энергии встречного ветра, и преобразовании их в электрическую энергию, пригодную для подзарядки аккумуляторов транспортного средства, электропитания ее бортовой аппаратуры и контроля работы соответствующих механизмов транспортного средства, на которых установлены пьезоэлементы блоков 4÷7.
Полезная модель разработана на уровне технического предложения, и опытного образца пьезоэлектрического преобразователя энергии вибрации подвески автомобиля ГАЗ-31 в электрическую энергию.
Источники информации:
1. Генератор постоянного тока. RU 699590, МПК: H02N 2/18, H01L 41/113, 1979.
2. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА. RU 2113757, H02N 2/18, 1998
3. КОЛЕСО С ТРАНСФОРМАЦИЕЙ ЭНЕРГИИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ. RU 95106708, 1997.
4. ДЕМПФЕР МАШИНЫ (ВАРИАНТЫ) И СИСТЕМА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВИБРАЦИИ, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКОЙ ДЕМПФЕР. RU 2421629, МПК: F03G 7/08, Н02К 35/04, 2010.
5. ВИБРАЦИОННОЕ ГЕНЕРИРОВАНИЕ ЭНЕРГИИ. RU 2009109195, 2010.
6. СИСТЕМА С ВЫСОКИМ ИМПЕДАНСОМ ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ И СПОСОБ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ. RU 2008121962, 2009.
7. УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЕ ПОЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ. RU 2008116682, 2009.
9. Микропьезоэлектрический генератор. H01L 41/00, RU 2006113266, 2007.
9. Energy harvester with adjustable resonant frequency. WO 2006046937, МПК: B60C 23/04, H01L 41/053, H01L 41/113, 2009.