СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА ПОСРЕДСТВОМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО СТАТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ELECTRIC CURRENT GENERATION BY CONVERSION OF VARIABLE STATIC POTENTIAL AND DEVICE TO THIS END

Область применения
Изобретение относится к области энергетики, к электромеханическим преобразователям энергии, именно - к преобразователям, работающим с применением пьезокерамических материалов.
Уровень техники
Развитие технического прогресса обуславливает поиск перспективных разработок в области энергетики для создания нового поколения способов и устройств, предназначенных для получения электрической энергии, не загрязняя окружающую среду.
В настоящее время существуют различные разработки, реализованные на основе решения фундаментальных задач классической электродинамики, гидродинамики и механики.
Из уровня техники известны различные устройства и способы, реализованные на данной основе.
Из уровня техники известен пьезогенератор (патент RU 2264687), содержащий биморфное пьезокерамическое кольцо с электродами на главных поверхностях, ролики, отличающийся тем, что соосно с биморфным пьезокерамическим кольцом внутри него установлено второе биморфное пьезокерамическое кольцо, ролики размещены между кольцами, на торцах колец установлены сепараторы с вырезами, в которых размещены пружины, с помощью которых ролики через размещенные на их оси стержни прижаты к одному из колец или к обоим кольцам в шахматном порядке, при этом внутреннее или наружное кольцо имеет возможность вращения.
Основными недостатками данного устройства в сравнении с предлагаемым являются: высокая сложность изготовления кольцевых элементов из пьезокерамики радиальной поляризации (пьезокристалл - ортотропный материал и работает только в одном направлении); малый КПД по причине взаимной компенсации генерируемого потенциала, который имеет различный знак при нагружении и разгрузке пьезоэлемента.
Например, известен способ генерации постоянного тока (патент RU 2113757) посредством изгибной деформации биморфного дискового элемента из двухслойной пьезокерамики с помощью деформирующих роликов, вращающихся на роторе, приводящем генератор в движение.
Основными недостатками данного способа в сравнении с предлагаемым являются: относительная сложность изготовления биморфного дискового элемента, требующего особенную - радиальную поляризацию пьезокерамики; недолговечность клееной двухслойной конструкции дискового элемента, работающего под циклическим знакопеременным изгибом; относительно малый КПД дискового элемента, работающего под изгибной нагрузкой, верхний предел которой определяет весьма незначительная гибкость пьезокерамики.
Несмотря на все многообразие способов и устройств для получения ЭДС заявленный способ является новым, перспективным, дающим результаты, невозможные получить иными способами.
Технический результат данного изобретения состоит в генерации переменного электрического тока посредством преобразования переменного статического потенциала, получаемого от пьезокерамического элемента, нагружаемого и разгружаемого посредством движения сжимающей нагрузки по его поверхности.
Реализация изобретения
Заявленный технический результат достигается за счет того, что способ генерации электрического тока, характеризующийся тем, что в электрический ток преобразуют переменный статический потенциал, получаемый использованием пьезокерамического элемента, отличающийся тем, что используют пьезокерамический элемент, нагруженный подвижной сжимающей нагрузкой и имеющей на поверхности противоположной стороны от нагрузки снимающий потенциал металлический слой, разрезанный на участки перпендикулярно движению нагрузки, на каждом из которых, вследствие периодического нагружения и разгружения участка пьезокерамики движущейся нагрузкой, возникает переменный статический потенциал, который собирают с одноименных по фазе секторов и направляют в устройство преобразования, представляющее собой понижающий трансформатор с заземленной первичной обмоткой.
Устройство для генерации электрического тока, представляющее собой кольцевой пьезокерамический элемент, отличающееся тем, что кольцевой пьезокерамический элемент выполнен со снимающим потенциал металлическим слоем с одной из сторон, разрезанным на равные по ширине участки, перпендикулярные окружности кольца, на другой стороне которого расположены стальные шарики (ролики), связанные с пружиной (массой пригруза), имеющие возможность движения по окружности кольца, и расстояния между центрами шариков (роликов) равны удвоенному размеру участка.
Осуществление изобретения
Способ основан на том, что производят преобразование в переменный электрический ток переменного статического потенциала, достигаемого тем, что снимающий потенциал слой металла с одной из сторон элемента, противоположной поверхности движения нагрузки, будет не сплошной, но разрезанный на участки, перпендикулярные движению нагрузки, от каждого из которых будет производится самостоятельный отбор потенциала, генерируемого при нагружении и разгрузке участка пьезокерамического элемента, с которого снимается потенциал.
Способ основан на возможности организации периодической системы загружения и разгрузки участков пьезокерамического элемента, что позволит снимать с соответствующих участков металлического слоя синусоидальной формы переменный статический потенциал, с возможностью преобразования посредством трансформатора с заземленной первичной обмоткой и подключенным ко вторичной обмотке потребителем в переменный электрический ток.
Отличительной особенностью способа является то, что в качестве формы исходной энергии используется переменный статический потенциал, позволяющий преобразование в переменный электрический ток с минимальными потерями, в сравнении с импульсной и постоянной формами генерируемого потенциала.
Сущность устройства заключается в организации процесса получения переменного статического потенциала. Устройство представляет кольцевой пьезокерамический элемент, на обоих сторонах в плоскости кольца которого нанесен путем напыления слой металла, с которого происходит снятие статического потенциала. На одной из сторон слой выполнен не сплошной, но нарезанный на равной ширины участки, перпендикулярные окружности кольца. На другой стороне кольца находится группа шариков (роликов), связанных с пружиной или грузом, передающим посредством шариков (роликов) нагрузку от пружины или груза на пьезокерамический элемент. Шарики (ролики) имеют возможность качения по окружности кольца, перемещая нагрузку по окружности, нагружая и разгружая т.о. различные участки пьезокерамического элемента. При качении на участках металлического слоя, соответствующих нагружаемым и разгружаемым участкам пьезокерамического элемента, появляется статический потенциал, меняющий знак при нагружении и снятии нагрузки от шарика (ролика), что при отношении расстояний между шариками (роликами) и шириной участков металлического слоя 2:1 дает правильную синусоидальную форму переменного статического потенциала на каждом отдельном участке.
Потенциал собирают со всех одноименных по фазе участков металлического слоя, следующих на кольцевом пьезокерамическом элементе через один, посредством приваренных или припаянных к ним проводов, в две общие шины противоположной фазы и направляют в устройство преобразования, представляющее собой спаренный понижающий трансформатор с заземленной первичной обмоткой, на второй конец которой подают переменный статический потенциал. На вторичной обмотке, подключенной к потребителю, появляется переменный электрический ток частотой, соответствующей частоте переменного статического потенциала, соответствующей скорости движения шариков (роликов) относительно участков металлического слоя. Отличительной особенностью устройства является изменение нагрузки качением, представляющее наиболее эффективный вид переноса нагрузки (коэффициент трения шариковых подшипников 0.003, роликовых 0.005), позволяющий добиться максимального КПД преобразования.
Ниже приведен ряд устройств, посредством которых может быть реализован предлагаемый способ:
На фиг.1 изображен вариант устройства гравитационного типа, с наличием рабочей массы в виде цилиндра, под которым расположен генератор в виде упорного шарикового подшипника с обкладками в виде кольцевого пьезокерамического элемента, где 1 - рабочая масса, 2 - шарики подшипника, 3 - обкладки подшипника из пьезокерамики, 4 - ось вращения, 5 - неподвижное основание (фундамент), 6 - направление вращения.
На фиг.2 изображено устройство генератора, представляющего два кольцевых пьезокерамических элемента с нанесенными методом напыления снимающими потенциал металлическими слоями, внешний из которых разрезают поперек движения шариков. От каждого участка разрезного слоя отводят собственный переменный статический потенциал. Внутренний металлический слой, по которому движутся шарики, сплошной, его может не быть в случае отбора «нулевой» фазы непосредственно с шариков либо с обоймы подшипника. На фиг.2: 7 - внутренняя (сплошная) шина, 8 - обойма подшипника, обеспечивающая постоянные расстояния между шариками, 9 - снимающие потенциал участки разрезного металлического слоя, 10 - призма давления. Участки, снимающие одинаковую фазу статического потенциала, располагаются на внешней поверхности пьезокерамического элемента через один, их объединяют с помощью приваренных или припаянных к ним проводов в две шины 7, в каждой из которых получают переменный статический потенциал со смещением фазы на 180°. Шины 7 подключают к преобразователю статического потенциала, представляющему собой спаренный трансформатор с заземленной первичной обмоткой. Подключение может быть выполнено по одной из следующих схем (фиг.3).
Устройство работает следующим образом:
При качении шарика 2, связанного с грузом 1, по поверхности пьезокерамического элемента 3 происходит нагружение участка элемента 10, соответствующего некоторому участку разрезного металлического слоя 9. На участке металлического слоя 9 появляется статический потенциал, соответствующий скорости нагружения (скорости движения шарика 2). При дальнейшем движении шарика 2 происходят разгрузка и упругое восстановление участка пьезокерамического элемента 10, в результате чего на секторе 9 возникает статический потенциал противоположного знака, соответствующий скорости разгрузки, равной скорости нагружения (скорости движения шарика 2). Так на каждом отдельном участке 9 получим полный цикл изменений статического потенциала. После полного снятия с участка элемента 10 давления одного шарика, к нему подходит другой, и цикл повторяется; так получим непрерывную генерацию переменного статического потенциала.
Потенциал с каждого отдельного участка разрезного слоя 9 направляют посредством проводов в две общие шины противоположной фазы и далее в преобразователь переменного статического потенциала, где он, двигаясь по проводнику в катушке трансформатора, возбуждает в нем переменный электрический ток соответствующей статическому потенциалу частоты, преобразуемый трансформатором в нужную потребителю амплитуду. Амплитуда будет зависеть от электрической нагрузки потребителя.
Другой вариант, уже автономного генератора, изображен на фиг.4, его разрез на фиг.5, где 11 - плоская пружина. Корпус 5 устройства выполнен в виде двух неподвижных дисков, стянутых металлическими шпильками, между которыми располагается упорный подшипник, сжимаемый пружиной 11.
Для повышения эффективности подшипник из пьезокерамики здесь выполнен многорядным и многоярусным. Вал 4 приводит во вращение средний ярус подшипника, верхний и нижний ярусы остаются неподвижными. Роль груза выполняет плоская стальная пружина 11, воздействующая на подшипник посредством упора в верхнюю крышку корпуса 5.