ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР
PIEZOELECTRIC GENERATOR

Изобретение относится к электрическим генераторам, преобразующим энергию внешнего переменного магнитного (электромагнитного) поля в электрическую энергию, и может быть применено в производстве источников электрического тока для питания различных микро- или наноустройств, а также в производстве альтернативных энергетических установок длительного пользования.
Известен пьезоэлектрический генератор - пьезоэлектрический преобразователь [1], содержащий изготовленные из пьезоэлектрика отдельные или объединенные в группы, электрически и механические связанные друг с другом пьезоэлементы (стержни, пластинки, диски), на поверхности которых нанесены электроды.
Такой пьезоэлектрический генератор способен вырабатывать электрический ток только при механическом воздействии на его пьезоэлементы. Недостатками указанного пьезоэлектрического генератора являются малая удельная электропроизводительность на единицу объема и неспособность производить электрический ток под действием внешнего переменного магнитного (электромагнитного) поля.
Известен пьезоэлектрический генератор - прототип [2], содержащий диэлектрическую подложку, поверхность которой последовательно покрыта катализирующими наночастицами, а также пленкой и вертикальными наноразмерными столбиками из пьезоэлектрика-полупроводника, перпендикулярными подложке, при этом между рядами наноразмерных столбиков в зонах их оснований на поверхности пленки проложены наноразмерные токосъемные проволочные электроды, контактирующие со столбиками.
Такой пьезоэлектрический генератор обладает более высокой электропроизводительностью на единицу объема, способен вырабатывать электрический ток под действием текущей жидкой или газовой среды, однако он также не способен производить электрический ток под действием внешнего переменного магнитного (электромагнитного) поля.
Задачей изобретения является обеспечение выработки пьезоэлектрическим генератором электроэнергии при воздействии на него внешнего переменного магнитного (электромагнитного) поля.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей пьезоэлектрического генератора.
Технический результат достигается тем, что в известном пьезоэлектрическом генераторе, содержащем диэлектрическую подложку, наноразмерные столбики из пьезоэлектрика-полупроводника, перпендикулярные подложке и наноразмерные токосъемные проволочные электроды, проложенные между рядами вертикальных наноразмерных столбиков и контактирующие с ними в зонах их оснований, в отличие от прототипа наноразмерные столбики жестко вмонтированы в диэлектрическую подложку, а наноразмерные токосъемные проволочные электроды проложены на подложке с обеих сторон столбиков, причем между каждыми двумя электродами, проложенными между соседними рядами столбиков, имеется зазор, а сами электроды заключены в слой упругопластичного изолятора, высота которого соответствует диаметру электродов, при этом в пьезоэлектрический генератор введены постоянные наноразмерные магнитные элементы, жестко связанные с вершинами наноразмерных столбиков, причем магнитные оси всех постоянных магнитных элементов перпендикулярны электродам, параллельны друг другу и поверхности подложки, а полюса всех магнитных элементов одинаково ориентированы. Кроме того, в вершину каждого наноразмерного столбика заселен один или более постоянных наноразмерных магнитных элементов. Кроме того, один или более постоянных наноразмерных магнитных элементов погружены в каплевидные наноразмерные элементы, при этом в каждый каплевидный наноразмерный элемент заключено по одной или более вершин соседних в любом направлении наноразмерных столбиков. Кроме того, в каждый постоянный наноразмерный магнитный элемент заключено по одной или более вершин соседних в любом направлении наноразмерных столбиков.
В таком пьезоэлектрическом генераторе под воздействием внешнего переменного магнитного (электромагнитного) поля наноразмерные постоянные магнитные элементы совершают возвратно-поступательные движения, которые передаются наноразмерным столбикам, заставляя их раскачиваться. При качании наноразмерных столбиков за счет возникновения пьезоэффекта на их поверхностях, перпендикулярных плоскости качания, создается разность потенциалов, которая передается наноразмерным токосъемным проволочным электродам. При замыкании наноразмерных токосъемных проволочных электродов на нагрузку, в них начинает течь электрический ток. Таким образом, пьезоэлектрический генератор вырабатывает электроэнергию при воздействии внешнего переменного магнитного (электромагнитного) поля.
Совокупность всех указанных существенных признаков пьезоэлектрического генератора позволяет ему вырабатывать электрическую энергию при воздействии внешнего переменного магнитного (электромагнитного) поля.
Так как заявленная совокупность существенных признаков позволяет решить поставленную задачу, то заявленный пьезоэлектрический генератор соответствует критерию "изобретательский уровень".
Заявленный пьезоэлектрический генератор иллюстрируется конструкционной схемой, изображающей пьезоэлектрический генератор в разрезе.
Пьезоэлектрический генератор содержит диэлектрическую подложку 1, вертикальные наноразмерные столбики из пьезоэлектрика-полупроводника 2, перпендикулярные подложке 1, а также наноразмерные токосъемные проволочные электроды 3, проложенные между рядами вертикальных наноразмерных столбиков 2 и контактирующие с ними в зонах их оснований. Вертикальные наноразмерные столбики 2, выполненные, например, из оксида цинка (пьезоэлектрик и полупроводник), своими основаниями жестко вмонтированы в диэлектрическую подложку 1 так, что оси столбиков 2 перпендикулярны подложке 1. Подложка 1 может быть выполнена из какого-либо жесткого диэлектрического полимеризующегося пластика.
Раздельное заключение оснований вертикальных наноразмерных столбиков 2 в подложку 1 необходимо для устранения паразитных электрических связей между ними в процессе работы пьезоэлектрического генератора и, как следствие, повышения выработки электрического тока. Наноразмерные токосъемные проволочные электроды 3 (выполненные, например, из золота) проложены на подложке 1 с обеих сторон вертикальных наноразмерных столбиков 2, причем между каждыми двумя наноразмерными токосъемными проволочными электродами 3, проложенными между соседними рядами столбиков 2, имеется зазор 6, а сами электроды заключены в слой упругопластичного изолятора, высота которого соответствует диаметру электродов 3. Наноразмерные токосъемные проволочные электроды могут быть изготовлены, например, по технологии, изложенной в [3]. Постоянные наноразмерные магнитные элементы 5 жестко связаны с вершинами наноразмерных столбиков 2 (например, приклеяны к ним), причем магнитные оси всех постоянных наноразмерных магнитных элементов 5 перпендикулярны наноразмерными токосъемным проволочным электродам 3, параллельны друг другу и поверхности подложки 1, а полюса всех постоянных наноразмерных магнитных элементов 5 одинаково ориентированы. Кроме того, в вершину каждого наноразмерного столбика 2 заселен один или более постоянных наноразмерных магнитных элементов 5. Кроме того, один или более постоянных наноразмерных магнитных элементов 5 погружены в каплевидные наноразмерные элементы 7, выполненные, например, из отвердевающего после полимеризации пластика (какого-либо полимеризующегося клея), при этом в каждый каплевидный наноразмерный элемент 7 заключено по одной или более вершин соседних в любом направлении наноразмерных столбиков 2. Кроме того, в каждый постоянный наноразмерный магнитный элемент 5 заключено по одной или более вершин соседних в любом направлении наноразмерных столбиков 2.
Требования по одинаковой ориентации полюсов всех постоянных наноразмерных магнитных элементов 5, по перпендикулярности магнитных осей всех постоянных наноразмерных магнитных элементов 5 наноразмерным токосъемным проволочным электродам 3, а также по параллельности магнитных осей всех постоянных наноразмерных магнитных элементов 5 друг другу и поверхности подложки 1, необходимы для обеспечения максимальной амплитуды и синхронности качания наноразмерных столбиков 2 и выработки за счет этого максимального электрического тока.
Заключение токосъемных проволочных электродов 3, проложенных между соседними рядами столбиков 2, в слой упругопластичного изолятора 4, высота которого соответствует диаметру электродов 3, выполненного из, например, полимеризующегося диэлектрического пластика, необходимо для обеспечения гарантированного зазора 6 между ними, обеспечения постоянного прижимного контакта между столбиками 2 и электродами 3, а также для фиксации электродов 3 в зоне подложки 1 при качании столбиков 2 в процессе работы.
Наноразмерные постоянные магнитные элементы 5 могут быть выращены, например, с помощью бактерий, поглощающих железо и редкоземельные металлы (самарий, кобальт, никель и другие), а потом заселены в вершины наноразмерных столбиков 2 в процессе выращивания последних или погружены в каплевидные наноразмерные элементы 7 в процессе сборки. Кроме этого наноразмерные постоянные магнитные элементы 5 могут быть выращены в состоянии погружения в них вершин постоянных наноразмерных магнитных элементов 5. Намагничивание всех постоянных наноразмерных магнитных элементов 5 может быть осуществлено в полностью собранном пьезоэлектрическом генераторе путем, например, выдержки его в постоянном магнитном поле.
Работа пьезоэлектрического генератора осуществляется следующим образом. При воздействии внешнего переменного магнитного (электромагнитного) поля на пьезоэлектрический генератор его наноразмерные постоянные магнитные элементы 5, жестко соединенные с вершинами наноразмерных столбиков 2 (или заселенные в вершины наноразмерных столбиков 2 или погруженные в каплевидные элементы 7), совершают колебательные движения, которые в виде моментов, приложенных к вершинам наноразмерных столбиков 2, передаются им, в результате чего наноразмерные столбики 2 начинают качаться или изгибаться в плоскостях, перпендикулярных подложке 1. При качании или изгибании наноразмерных столбиков 2 за счет возникновения пьезоэффекта на их поверхностях, контактирующих с токосъемными проволочными электродами 3, создается разность потенциалов, которая и передается токосъемным проволочным электродам 3. При замыкании наноразмерных токосъемных проволочных электродов 3 на нагрузку в них начинает протекать электрический ток.
Наибольший эффект выработки электроэнергии в таком пьезоэлектрическом генераторе достигается тогда, когда оси постоянных магнитных элементов совпадают с направлением изменения внешнего переменного магнитного (электромагнитного) поля, а собственная частота колебательной системы «постоянный наноразмерный магнитный элемент - наноразмерный столбик» (или «постоянные наноразмерные магнитные элементы - наноразмерный столбик» или «постоянный наноразмерный магнитный элемент - наноразмерный каплевидный элемент - наноразмерный столбик» или «постоянные наноразмерные магнитные элементы - наноразмерный каплевидный элемент - наноразмерные столбики» или «постоянный наноразмерный магнитный элемент - наноразмерные столбики») совпадает с частотой какой-либо из гармоник внешнего переменного магнитного (электромагнитного) поля, т.е. когда возникает явление резонанса.
Поскольку собственная частота указанных выше колебательных систем зависит от большого количества факторов, таких как размеры, конфигурация, материал и степень намагниченности постоянных наноразмерных магнитных элементов, размер, конфигурация и материал наноразмерных столбиков, частота колебаний внешнего магнитного (электромагнитного) поля и т.д., выбор основных параметров элементов такого пьезоэлектрического генератора является предметом оптимизации под конкретное техническое задание.
Таким образом, заявленный пьезоэлектрический генератор, способный вырабатывать электроэнергию при воздействии на него внешнего переменного магнитного (электромагнитного) поля, может быть применен в качестве источника питания для разнообразных микро- и наноустройств, а также для создания портативных источников, постоянно генерирующих электрическую энергию за счет энергии колебаний внешнего магнитного поля (в том числе колебаний магнитного поля Земли) или энергии фонового электромагнитного излучения.
Литература
1. Пьезоэлектрические преобразователи. Физическая энциклопедия. / Гл. ред. А.М.Прохоров. Ред. кол. Д.И.Алексеев, А.М.Балдин, А.М.Бонч-Бруевич, А.С.Боровик-Романов и др. М., Большая Российская энциклопедия, т.4 Пойтинга-Робертсона - Стримеры. 1994. Стр.191.
2. X.D.Wang, J.H.Song, J.Liu and Z.L.Wang, J.H.Song "Direct-Current Nanogenerator Driven by Ultrasonic Waves," Science, 316, (2007), 102-105. - Прототип.
3. Тянем-потянем. Изобретатель и рационализатор №8, 2007 г., стр.6-7.