УСТРОЙСТВО СБОРА И НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ НИЗКОЧАСТОТНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ И МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
DEVICE TO COLLECT AND ACCUMULATE ENERGY OF LOW-FREQUENCY MAGNETIC FIELD AND MECHANICAL OSCILLATIONS

Изобретение относится к области возобновляемых источников энергии, а именно к источникам, основанным на применении композиционных материалов.
Предлагаемое изобретение может использоваться в качестве маломощного источника питания для работы в составе автономных устройств с приводом от энергии ветра, пара, волнения/колебаний воды в реках, морях и океанах, мускульной силы и др. Данное устройство можно будет использовать в различных областях, где необходимо обеспечивать питанием маломощные устройства, особенно если применение обычных источников питания невозможно или затруднено из-за их обслуживания и замены.
В настоящее время исследования в области возобновляемых источников энергии очень актуальны, в том числе в области преобразователей, основанных на композиционных материалах. Предлагаются различные варианты устройств, преобразующих энергию колебаний в электрическую энергию. Также существуют варианты устройств, позволяющих преобразовывать как энергию колебаний, так и переменное магнитное поле. Эти устройства предлагается использовать в составе маломощных устройств в качестве источников питания. Для использования преобразователей в качестве источников напряжения разрабатываются модули к преобразователям, которые позволяют выпрямлять и накапливать напряжение, получаемое от преобразователей энергии.
Наиболее близким аналогом данного изобретения является система сбора и накопления энергии механических колебаний и магнитного поля (Shuxiang Dong, a_Junyi Zhai, J.F. Li, D. Viehland, and S. Priya. Multimodal system for harvesting magnetic and mechanical energy // Applied Physics Letters V.93, 2008. P.103511 (1-3) - прототип. Основой данного устройства является слоистая структура, состоящая из скрепленных между собой магнитострикционного и пьезоэлектрического слоев, которая благодаря существованию в указанной структуре магнитоэлектрического эффекта обеспечивает преобразование энергии магнитного поля в электрическую энергию. Кроме того, наличие пьезоэлектрической компоненты обеспечивает преобразование механической энергии в электрическую.
Недостатком прототипа является большое значение резонансной частоты - более 300 кГц - при длине слоистой структуры 1 см. Это препятствует использованию преобразователя для сбора энергии низкочастотных магнитных полей и механических колебаний. Также недостатком является то, что на выходе устройства можно получать только переменное напряжение, что значительно ограничивает область применения или вынуждает использовать устройство совместно с платами, позволяющими выпрямлять переменное напряжение, получаемое на выходе устройства.
Задачей изобретения является преобразование энергии магнитного поля и механических колебаний со значением резонансной частоты в области инфразвука и получение на выходе постоянного напряжения без использования дополнительных модулей выпрямления.
Для решения данной задачи предложено устройство для сбора и накопления энергии низкочастотного магнитного поля и механических колебаний, основой которого является слоистая структура, состоящая из скрепленных между собой магнитострикционного и пьезоэлектрического слоев, в котором структура выполнена асимметричной и снабжена тонкопленочным выпрямителем. Выпрямитель состоит из выпрямительного диода, выполненного из p и n полупроводниковых слоев, и конденсатора, состоящего из двух металлических и одного диэлектрического слоев, выполненных непосредственно на структуре в одном технологическом цикле вместе с подложкой.
За счет использования асимметричной структуры, состоящей из слоя пьезоэлектрического и магнитострикционного материала, возможна эффективная работа устройства на частоте изгибной моды электромеханического резонанса в области инфразвука. Это позволяет эффективно использовать устройство в условиях внешних колебаний, большая часть которых занимает диапазон низких частот. Сформированная на пластине структура, состоящая из выпрямительного диода и конденсатора, позволяет получать на выходе постоянное стабильное напряжение. Данные особенности структуры позволяют использовать устройство в качестве готового миниатюрного источника питания, что является одним из решающих факторов при эксплуатации различных автономных устройств.
На фиг.1 изображен общий вид устройства сбора и накопления энергии низкочастотного магнитного поля и механических колебаний. На фиг.2 изображена схема данного тонкопленочного выпрямителя.
Устройство состоит из пьезоэлектрического слоя 1, магнитострикционного слоя 2, двух электродов 3, держателя 4, постоянного магнита (в виде пленки) 5, полупроводниковых слоев n и p типа 6, 7, разделяющего диэлектрика 8, нижней обкладки конденсатора 9, диэлектрика конденсатора 10, верхней обкладки конденсатора 11, проводника 12, внешних проводников 13. Элементы конструкции поз. 6-12 составляют тонкопленочный выпрямитель.
Устройство работает следующим образом: внешнее переменное магнитное поле, воздействующее на магнитострикционно-пьезоэлектрическую структуру, состоящую из поляризованного пьезоэлектрического слоя 1 и магнитострикционного слоя 2, индуцирует на электродах 3 электрическое напряжение, что обусловлено магнитоэлектрическим взаимодействием. Вся структура закреплена с одной стороны в держателе 4, который, в свою очередь, закрепляется на внешнем объекте, подверженном низкочастотным колебаниям, с помощью винтов или других элементов. Благодаря пьезоэлектрическому эффекту внешнее механическое давление также приводит к появлению на электродах пьезоэлектрика электрического напряжения. В результате индуцируемое напряжение оказывается пропорциональным как внешнему переменному магнитному полю, так и внешнему механическому давлению. При этом величина выходного напряжения максимальна, если частота внешних воздействий совпадает с частотой электромеханического резонанса. Значение резонансной частоты определяется размерами двухслойной структуры и может изменяться в широких пределах. Для выбора рабочей точки используется постоянный магнит, который может быть выполнен в виде тонкой магнитной пленки 5. Снимаемое с электродов переменное напряжение выпрямляется с помощью тонкопленочного выпрямителя, состоящего из диода поз.6-7 и конденсатора поз.9-11, выполненных в виде слоев. Проводник 12 служит для соединения нижнего электрода структуры 3 с электродом конденсатора 11. Постоянное напряжение, полученное после выпрямителя, подается потребителю энергии по проводникам 13, которые соединяются с электродами 11 и 9.
Предлагаемое изобретение позволяет получить следующий технический результат: собирать энергию механических колебаний и переменного магнитного поля в области инфразвука, производить выпрямление индуцированного переменного напряжения и накопление за счет использования конденсаторов. При этом структура устройства, выполненного в виде слоев, позволяет получить малые габариты прибора. Возможность использования устройства в диапазоне низких частот и его малые габариты являются основными техническими преимуществами, которые выгодно отличают его от аналогичных изобретений.