НЕЛИНЕЙНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к электромеханическим преобразователям энергии, а именно к преобразователям, работающим на основе применения пьезокерамических материалов, и может быть использована в любой области техники в качестве источника тока.
Известен пьезоэлектрический генератор постоянного тока, например RU 2113757, содержащий пьезоэлемент, выполненный в виде плоского биморфного диска, закрепленного в центре диска, и деформируемого в осевом направлении двумя установленными на роторе роликами через гибкую изолирующую прокладку. Пьезоэлемент может содержать множество пьезокерамических дисков для увеличения мощности. При вращении ротора от внешнего источника механической энергии ролики, которые установлены относительно дисковых элементов таким образом, что обеспечивается их деформация, прокатываются по прокладке, деформируя пьезоэлементы. При деформации пьезоэлементов на электродах вследствие прямого пьезоэффекта возникают заряды, при этом на внешних электродах пьезоэлемента - заряды противоположного знака, которые составляют разности потенциалов.
При вращении ротора и круговой деформации пьезоэлемента на электродах возникает постоянная разность потенциалов, соответствующая величине деформации.
К недостаткам этого генератора относится то, что он приводится во вращение внешним источником энергии, например ветра или воды, т.е. требует дополнительного устройства преобразования энергии. Кроме того, в силу своей конструкции, пьезоэлементы работают в линейной области пьезоэффекта, и, следовательно, в генераторе реализуется линейный пьезоэффект. Известно (Цаплев В.М. Нелинейные свойства и ползучесть пьезокерамики. С.-Пб, СЗТУ, 2003), что в нелинейной области пьезомодуль в несколько раз (обычно в 2-3 раза) выше, чем в линейной области. Вырабатываемая в результате пьезоэффекта электрическая энергия пропорциональна квадрату пьезомодуля, поэтому генератор, работающий в нелинейном режиме, может производить электрическую энергию, на порядок больше, чем такой же генератор, использующий линейный пьезоэффект.
Генератор также ограничен размерами пьезоэлемента, и, следовательно, генерируемая энергия также ограничена. Отсутствует накопитель электрической энергии.
Известен также пьезоэлектрический генератор, например US №5801475, содержащий консольно закрепленный биморфный пьезоэлемент, который под действием внешних вибраций колеблется, вследствие чего на его обкладках благодаря прямому пьезоэффекту возникает переменная разность потенциалов, резистор, выпрямительный элемент, накопительный конденсатор и выходную регулирующую электронную цепь.
Рассмотренное решение наиболее близко по совокупности существенных признаков к предлагаемому решению.
К недостаткам этого генератора относятся его малые размеры и консольное закрепление пьезоэлемента, как следствие, малая выходная мощность и повышенная хрупкость. Кроме того, этот генератор также использует пьезопреобразователи, работающие в линейном режиме. Эти недостатки ограничивают использование такого генератора лишь устройствами микроэлектроники.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является создание пьезогенератора с увеличенной, по сравнению с существующими аналогами, электрической мощностью, а также использование даровой энергии вибрации различных промышленных, строительных, дорожных и бытовых конструкций.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемая полезная модель так же, как и известный пьезоэлектрический генератор, содержит пьезоэлектрический преобразователь, параллельно которому включены резистор, выпрямитель, накопительный конденсатор и выходная регулирующая электронная цепь. Но, в отличие от известного, предлагаемый генератор снабжен рычагом и выполнен в виде секционированного преобразователя, секции которого электрически соединены друг с другом, а каждая секция состоит из одного или более пьезоэлементов, склеенных друг с другом и электрически соединенных друг с другом.
Достигаемым техническим результатом является увеличение мощности пьезоэлектрического генератора и возможность использования даровой энергии.
Совокупность признаков, сформулированных в п. 2 формулы полезной модели, характеризует пьезоэлектрический генератор, в котором преобразователи в каждой секции соединены последовательно.
Достигаемым техническим результатом является увеличение выходного напряжения пьезоэлектрического генератора и снижение собственной электрической емкости генератора.
Совокупность признаков, сформулированных в п. 3 формулы полезной модели, характеризует пьезоэлектрический генератор, в котором преобразователи в каждой секции соединены параллельно.
Достигаемым техническим результатом является увеличение электрического заряда, вырабатываемого пьезоэлектрическим генератором.
Пьезоэлектрический преобразователь выполнен секционированным, причем секции механически соединены друг с другом последовательно, поэтому все секции подвержены одинаковому усилию, а каждая секция состоит из одного или более пьезоэлементов, склеенных друг с другом и электрически соединенных друг с другом последовательно или параллельно, в зависимости от того, какое выходное напряжение и какое выходное сопротивление генератора необходимо получить.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где:
на фиг. 1 показана схема пьезоэлектрического генератора;
на фиг. 2 схематично изображен пример выполнения составной части пьезоэлектрического генератора - рычага, увеличивающего усилие на преобразователе;
на фиг. 3 изображены схемы параллельного (а) и последовательного (б) соединения пьезоэлементов преобразователя; стрелками обозначены направления векторов поляризации в каждом пьезоэлементе;
Пьезоэлектрический генератор (фиг. 1) содержит пьезопреобразователь 1, резистор 2, выпрямитель 3, накопительный конденсатор 4, схему, управляющую зарядом аккумулятора 5 и аккумулятор 6.
2
2
Пьезоэлектрический преобразователь 1 выполнен в виде секционированной стопы, состоящей из набора поляризованных прямоугольных пьезоэлементов, объединенных в секции. Конструктивно пьезоэлементы соединены последовательно, так что каждый пьезоэлемент находится под одной и той же нагрузкой, и механическое напряжение сжатия в каждом пьезоэлементе - одинаковое. Механическая нагрузка на преобразователь превышает внешнее усилие (например, веса человека или автомобиля) F в отношение плеч рычага 7 (на рисунке приведен пример, при котором это отношение равно 10. Механическое напряжение в пьезоэлементе (в Паскалях) равно отношению нагрузки в Ньютонах к площади поперечного сечения в м. Середина области нелинейности для пьезокерамики, например типа ЦТС-19, по порядку величины составляет 100 МПа. Поэтому, для достижения такого напряжения при внешнем усилии F, равном, например, 100 кГс (т.е. около 1000 Н), при соотношении плеч рычага, равном 1:10, поперечное сечение пьезоэлемента должно быть равным примерно 1 см.
Пьезоэлементы внутри каждой секции, а также секции между собой электрически соединяются последовательно, либо параллельно, в зависимости от того, какое напряжение и какую мощность требуется получить от преобразователя. Преобразователь в целом плотно лежит на основании 8 (фиг. 2). Таким образом, преобразователь может выдерживать без разрушения большие статические и динамические нагрузки.
Выходное напряжение преобразователя через согласующий резистор 2 поступает на вход выпрямителя 3, а затем выпрямленное напряжение поступает на вход накопительного конденсатора 4. После накопительного конденсатора через электронную схему регулирования 5 напряжение поступает на вход аккумулятора 6.
Генератор работает следующим образом.
Преобразователь 1 прикрепляется к вибрирующему элементу строительной, промышленной, бытовой или дорожной конструкции. Преобразователь может располагаться на основании 8 (фиг. 2), которое может либо плотно прилегать, например, к элементу строительной конструкции, либо к полу, либо к дорожному полотну, либо к вибрирующей поверхности. В результате статического внешнего воздействия на пьезоэлемент, либо при вибрации, в результате прямого пьезоэффекта на выходе преобразователя возникает переменное напряжение, которое поступает на резистор 2, а затем на выпрямитель 3. После выпрямления электрический заряд накапливается на накопительном конденсаторе 4, затем поступает на схему 5, управляющую зарядом аккумулятора. Энергия заряженного аккумулятора используется потребителем. Таким образом, используется даровая энергия внешнего воздействия, либо вибрации различных объектов.
Достигаемый технический результат:
1. Увеличение мощности пьезоэлектрического генератора;
2. Использование даровой энергии внешнего воздействия, либо вибрации различных промышленных, строительных, дорожных и бытовых конструкций для получения электроэнергии;
3. Экономия электрической энергии или ее получение в тех местах, где она отсутствует.