Устройство для получения электрической энергии путем деформирования пьезоэлектрического материала под действием внешнего гидростатического давления

Авторы патента:

H02N2/18 - производящие электрический выходной сигнал от механического входного сигнала, например генераторы (для измерительных приборов G01)

Владельцы патента RU 2470452:

Ковалёв Вячеслав Данилович (RU)
Копылов Геннадий Алексеевич (RU)

Изобретение относится к устройствам, вырабатывающим электрическую энергию. Устройство для получения электрической энергии включает в себя жесткий корпус и две крышки по торцам, которые деформируются под действием гидростатического давления. Внутри корпуса плотно уложены пьезоэлектрические датчики, на пьезоэлектрический материал которых передается усилие от гидростатического давления через крышки. Под действием этого усилия происходит деформация пьезоэлектрического материала датчиков и выработка электрического напряжения. Часть датчиков, внутри корпуса, соединена друг с другом последовательно, для увеличения напряжения, образуя блоки, а сами блоки, для увеличения, но электрического тока, соединены друг с другом параллельно в систему (8), выходное напряжение (U₁) которой является и выходным напряжением устройства. Это напряжение подается на клеммы (7) через выключатель (6). Изобретение позволяет создать генератор электрической энергии с регулированием величины вырабатываемого электрического напряжения без дополнительных устройств. 2 ил.

Изобретение относится к устройствам, вырабатывающим электрическую энергию.

Известно устройство [1] для определения давления в сильноточном разряде (в разрядной трубке), где деформация пьезоэлектрического материала в датчике осуществляется электрическими зарядами.

Недостатком такого устройства является большой расход электрической энергии на деформацию пьезоэлектрического материала, что многократно больше, чем будет ее вырабатываться.

Известен датчик давления ДТК - 2 [2], в котором деформация пьезоэлектрического материала осуществляется давлением воздуха во впускном и выпускном коллекторах двигателя.

Недостатком этого датчика является большой расход энергии на предварительное сжатие воздуха, что значительно больше, чем будет вырабатываться электрической энергии при деформировании пьезоэлектрического материала.

Наиболее близким, по технической сущности, к заявляемому устройству является устройство, в котором интегрированные пьезоэлектрические датчики [3] располагаются между амортизатором, связывающим колесную ось с вышерасположенной над ней массой, и этой массой. Масса транспортного средства обеспечивает механическую деформацию пьезоэлектрического материала пьезодатчиков и создание электрического напряжения в этом материале.

Недостатком данного устройства является то, что деформация пьезоэлектрического материала в нем неодинаковая во времени, а следовательно, и выходное напряжение с интегрированных датчиков есть также непостоянная величина. Это объясняется тем, что при движении транспортного средства на дороге будут встречаться неровности, при переезде через которые сила тяжести от массы этого транспортного средства будет меняться. А это требует дополнительного устройства стабилизации вырабатываемого электрического напряжения. Кроме того, постоянная масса транспортного средства ограничивает величину выходного электрического напряжения и тока, вырабатываемого деформирующимся пьезоэлектрическим материалом интегрированных датчиков. Также, при постоянной массе, нет возможности изменять электрическое напряжение и ток с интегрированных датчиков, при необходимости.

Технической задачей изобретения является разработка устройства для выработки электрической энергии, в котором величина механического деформирования пьезоэлектрического материала не будет меняться во времени при выработке фиксированного значения электрического напряжения, но, при необходимости, была бы возможность изменять степень этого деформирования и, как следствие, величину вырабатываемого электрического напряжения и тока.

Технический результат изобретения достигается устройством, имеющим интегрированные пьезоэлектрические датчики, в состав которых входит пьезоэлектрический материал и в которых, в результате механической деформации пьезоэлектрического материала, создается электрическое напряжение, а само устройство содержит жесткий корпус прямоугольной, круглой или любой другой формы в плане, на торцы которого помещены крышки из материала, способного упруго деформироваться под действием внешнего гидростатического давления. Внутри же корпуса располагаются плотно уложенные интегрированные пьезоэлектрические датчики, так чтобы внешнее гидростатическое давление воды, действующее на внешнюю поверхность крышек и упруго их деформирующее, т.е. смещающее их положение внутрь корпуса, передавалось бы на эти датчики и осуществляло бы механическую деформацию пьезоэлектрического материала этих датчиков, при этом часть пьезодатчиков соединена друг с другом последовательно, образуя отдельные электрические блоки и обеспечивая требуемую величину напряжения, а сами блоки, в свою очередь, соединены друг с другом параллельно, увеличивая значение электрического тока, протекающего по электрической цепи при подключении потребителя. Внутренняя же полость корпуса и выводы из нее электрических проводов выполнены герметичными, а сам корпус подвешивается на канате, имеющем разметку при погружении в воду для обеспечения нужной величины электрического напряжения. Канат, на котором подвешивается устройство, лучше изготавливать из коррозионностойкого и прочного материала, например из капрона. Электрический двухжильный герметичный провод, связанный с блоками интегрированных пьезодатчиков внутри корпуса, лучше крепить к канату не жестко, а свободно, чтобы в нем не возникало механических напряжений, нагрузка же от массы устройства воспринимается полностью канатом. Разметка на канате обеспечивает информацию: на какую глубину опустили устройство и какое электрическое напряжение при этом получается.

Новым является то, что корпус устройства выполнен жестким и любой формы в плане, в который помещают плотно уложенные пьезоэлектрические датчики, имеющие в своем составе пьезоэлектрический материал. С торцов корпус закрывается двумя деформирующимися крышками. Внутренняя полость устройства выполнена герметичной, и выводы электрических проводов также изготовлены герметично. Само устройство подвешивается на канате, имеющем разметку в виде глубины погружения устройства в воду и величины электрического напряжения, получаемого при этом. Использование новых признаков, в совокупности с известными, и новых связей между ними обеспечивает достижение технического результата изобретения, а именно: создание источника электрической энергии с требуемыми характеристиками, который можно использовать в любых условиях при наличии водоема, например на дрейфующих в Северном ледовитом океане научных станциях, на отдаленных метеостанциях, геологических партиях кораблях и т.п.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлен разрез устройства и схема нагружения пьезоэлектрического материала в пьезоэлектрических датчиках. На фиг.2 изображена схема погружения устройства в воду и образование электрического напряжения и тока. В предлагаемом устройстве в качестве деформирующей силы используется гидростатическое давление воды «р», см. фиг.1 и фиг.2, вид «а», при погружении в нее устройства 1 с пьезоэлектрическими датчиками 9 внутри корпуса, имеющими своей составной частью пьезоэлектрический материал, на определенную глубину h. В зависимости от глубины погружения (или на h₁ или на h₂) будет действовать и давление «р»: чем глубже погружение устройства, тем больше величина «р». Это давление формирует силу Q, действующую на интегрированные датчики 9 при деформации крышек 2 от этой силы. Величина силы Q определяется по формуле

Q = p в α.

Здесь: в - длина внутренней полости устройства; α - его ширина; а произведение (в α) определяет площадь действия силы Q (давления р), где под крышками располагаются пьезоэлектрические датчики. На фиг.2, вид «г», представлена зависимость выходного напряжения U с пьезодатчика, при деформировании его пьезоэлектрического материала, от величины деформирующей силы Q (если считать эту зависимость прямопропорциональной). На этой зависимости видно, что чем больше сила Q, деформирующая пьезоэлектрический материал, тем выше напряжение U, появляющееся в этом материале. Кроме увеличения силы Q погружением на большую глубину h, для создания требуемого выходного напряжения для потребителя, используется интегрирование (объединение) пьезоэлектрических датчиков 9: часть этих датчиков соединяется друг с другом, внутри устройства, последовательно, фиг.2, вид «в», что суммирует напряжения от каждого датчика 9, обеспечивая на выходе более высокое напряжение U₁ по сравнению с напряжением U_x от каждого датчика. Совокупность датчиков, соединенных таким способом, образует блоки 10 с выходным напряжением U₁. Это напряжение будет и выходным напряжением устройства. Количество пьезоэлектрических датчиков 9 подбирается с учетом глубин водоемов использования устройства, требующейся величины напряжения U₁ и силы тока при подключении нагрузки. Можно обеспечивать фиксированную величину напряжения U₁, опуская устройство на заранее определенную глубину h. Однако во многих случаях требуется разное электрическое напряжение для разных потребителей. Например, для освещения (лампочек) безразлично, каково значение напряжения. Это может быть и 6В, и 12В, и 27В, и 220В. Но для некоторых потребителей напряжение должно быть определенным. В частности, для зарядки мотоциклетного аккумулятора требуется напряжение в 6В, для автомобильного аккумулятора 12В, для самолетного аккумулятора 27В и т.п. Тогда и требуется изменять выходное напряжение U₁. Для этого необходимо опускать устройство 1 на разные глубины: или на h₁, или на h₂ и т.д., фиг.2 «а». Чем глубже будет опущено устройство, тем больше, по величине, будет выходное напряжение U₁, т.к. больше будет гидростатическое давление р, тем больше будет сила Q, тем больше будет деформация пьезоэлектрического материала.

Устройство 1, фиг.1, включает в себя жесткий (практически не деформирующийся) корпус 4 прямоугольной (как показано на чертеже), круглой или любой другой формы в плане. Внутри корпуса имеется емкость, образованная его стенкой. По торцам корпуса установлены две крышки 2 из материала и толщиной, обеспечивающих их деформацию под действием гидростатического давления р. Между крышками и корпусом размещены прокладки 3 для обеспечения герметичности внутренней емкости корпуса. По периметру этой емкости располагается вставка 5 из диэлектрического материала. В емкости корпуса 4 располагаются интегрированные пьезоэлектрические датчики 9, составной частью которых является пьезоэлектрический материал. Датчики 9 укладываются плотно, чтобы, при деформации крышек, последние начинали бы оказывать давление на датчики. Часть датчиков 9 соединена последовательно друг с другом, образуя блоки 10, фиг.2 «в». А эти блоки соединены друг с другом параллельно, фиг.2 «б». Вывод электрических проводов из внутренней емкости устройства выполнен герметично. Клеммы 7 обеспечивают подсоединение потребителя. Выключатель 6 служит для отключения устройства 1 от потребителя без поднятия его с глубины и отсоединения нагрузки. Выходным электрическим напряжением устройства является напряжение U₁. Его можно измерять вольтметром. Но можно заранее на канате, на котором подвешивается устройство и опускается, с его помощью, в воду, сделать отметки, соответствующие, при погружении на эту глубину (длина каната соответствует глубине), получению определенного напряжения U₁. Например, глубина погружения равна 10 м, напряжение U₁ на этой глубине равно 10 В; глубина погружения равна 50 м, напряжение U₁ равно 50 В и т.д.

Устройство для деформирования пьезоэлектрического материала работает следующим образом.

В исходном положении, когда оно не погружено в воду, на него не действует гидростатическое давление р, следовательно не деформируются крышки 2, не сдавливаются пьезоэлектрические датчики 9, не образуется электрическое напряжение. При погружении в воду устройства 1 на определенную глубину h (h₁ или h₂ или …) на устройство, на всю его внешнюю поверхность начинает действовать гидростатическое давление р. Корпус 4 устройства жесткий, поэтому он практически не деформируется. Крышки же 2 деформируются, т.е. их плоскость перемещается внутрь корпуса. Сила Q обеспечивается гидростатическим давлением р и определяется формулой: Q=р в α (фиг.1). Внутренней поверхностью крышки 2 прилегают к датчикам 9. Когда их поверхности перемещаются внутрь корпуса с обеих сторон, при деформации, то они начинают сдавливать пьезоэлектрический материал датчиков 9, деформируя его. При этом появляется электрическое напряжение U₁ на выходе из устройства. При изменении глубины погружения h изменяется выходное электрическое напряжение U₁ и сила тока, которые можно использовать при подключении нагрузки.

Использование заявляемого изобретения позволяет получать электрическую энергию, не тратя на ее производство материальных средств (не считая изготовление устройства). При этом обеспечивается практически полная автономность и долговечность работы устройства, не говоря уже о полной его безвредности для человека и окружающей среды.

Источники информации

1. Сайт http://polarization.narod.ru.

2. НПП «НТС», г.Самара.

3. Патент US №20090045698 А1.

Устройство для получения электрической энергии путем деформирования пьезоэлектрического материала под действием внешнего гидростатического давления, содержащее интегрированные пьезоэлектрические датчики, в состав которых входит пьезоэлектрический материал, в которых, в результате механической деформации пьезоэлектрического материала, создается электрическое напряжение, отличающееся тем, что устройство содержит жесткий корпус прямоугольной, круглой или любой другой формы в плане, на торцы которого помещены крышки из материала, способного упруго деформироваться под действием внешнего гидростатического давления; внутри же корпуса располагаются плотно уложенные интегрированные пьезоэлектрические датчики так, чтобы внешнее гидростатическое давление воды, действующее на внешнюю поверхность крышек и упруго их деформирующее, т.е. смещающее их положение внутрь корпуса, передавалось бы на эти датчики и осуществляло бы механическую деформацию пьезоэлектрического материала этих датчиков, при этом часть пьезодатчиков соединена друг с другом последовательно, образуя отдельные электрические блоки и обеспечивая требуемую величину напряжения, а сами блоки, в свою очередь, соединены друг с другом параллельно, увеличивая значение электрического тока, протекаемого по электрической цепи при подключении потребителя; внутренняя же полость корпуса и выводы из нее электрических проводов выполнены герметичными, а сам корпус подвешивается на канате, имеющем разметку, при погружении в воду, для обеспечения нужной величины напряжения.

Похожие патенты:

Пьезоэлектрический генератор // 2446551

Изобретение относится к электрическим генераторам, преобразующим энергию внешнего переменного магнитного (электромагнитного) поля в электрическую энергию, и может быть применен в производстве альтернативных энергетических установок длительного пользования.

Способ генерации электрического тока посредством преобразования переменного статического потенциала и устройство для его осуществления // 2430448

Изобретение относится к электротехнике, к электромеханическим преобразователям энергии, именно - к преобразователям, работающим с применением пьезокерамических материалов.

Устройство сбора и накопления энергии низкочастотного магнитного поля и механических колебаний // 2425438

Изобретение относится к электромеханическим преобразователям энергии, а именно к преобразователям, работающим на основе применения пьезокерамических и магнитострикционных материалов.

Способ генерирования электрического импульса в индуктивной нагрузке взрывного пьезогенератора // 2419952

Изобретение относится к сильноточной импульсной технике и может быть использовано в системах однократного действия. .

Электрогенератор питания скважинной аппаратуры // 2417311

Изобретение относится к электрическим машинам и предназначено для генератора питания скважинной аппаратуры прибора. .

Способ генерирования электрической энергии в поршневом двигателе внутреннего сгорания и электрогенератор // 2379530

Изобретение относится к приспособлениям поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) для получения электроэнергии, питающей электрооборудование автомобиля. .

Пьезоэлектрический генератор // 2362263

Взрывной пьезогенератор // 2313891

Изобретение относится к сильноточной импульсной технике и может быть использовано в качестве исполнительного механизма в системах однократного действия. .

Генератор импульсного напряжения // 2300167

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники и может быть использовано в качестве источника импульсного электропитания различных электрофизических установок.

Взрывной пьезогенератор // 2267219

Способ получения электроэнергии от проезжающих транспортных средств // 2491704

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для получения энергии нетрадиционным способом

Пьезоэлектрический генератор постоянного тока на основе эффекта казимира // 2499350

Изобретение относится к электротехнике, к преобразователям энергии, работающим на основе применения пьезокерамических материалов. Технический результат состоит в обеспечении непрерывной выработки электрической энергии. В заявленном пьезоэлектрическом генераторе деформация пьезоэлектрических элементов возникает вследствие эффекта Казимира при модуляции расстояния между металлическими пластинами, закрепленными на роторе и пьезоэлементах статора. Генератор является открытой системой, в которой возможно извлечение полезной электроэнергии. Конструкция генератора отличается простотой и может быть выполнена на основе стандартных коммерческих деталей и компонентов. 5 ил.

Система генерирования электрической энергии и способ с использованием указанной системы // 2507672

Изобретение относится к электротехнике, к преобразованию энергии механического давления в электроэнергию, и может быть использовано для создания дополнительного источника питания для системы электроснабжения подводного судна. Технический результат состоит в повышении эффективности генерирования энергии и расширения области применения пьезоэлектрических преобразователей. Система генерирования электроэнергии содержит основание, пьезоэлектрические преобразователи, установленные на основании, и средства механического нагружения пьезоэлектрических преобразователей. Пьезоэлектрические преобразователи установлены на элементах конструкции подводного судна, жестко не связанных с его корпусом, и имеют рабочее положение, в котором возможно взаимодействие с корпусом подводного судна таким образом, что на пьезоэлектрические преобразователи через корпус подводного судна передается давление забортной воды при изменении глубины его погружения. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

Резонансный пьезоэлектрический генератор тока на основе эффекта казимира // 2577767

Изобретение относится к электротехнике, к преобразователям энергии на основе материалов с пьезоэлектрическими свойствами. Технический результат состоит в упрощении конструкции за счет использования стандартных материалов, деталей и компонентов. Резонансный пьезоэлектрический генератор тока содержит помещенные в вакуумный объем статор с закрепленными на нем пьезоэлементами с металлическими пластинами и ротор с ответными металлическими пластинам, подбором соотношения между числом металлических пластин на статоре и роторе и частотой вращения последнего. При вращении ротора, приводящем к периодическому перекрытию пластин статора и ротора, пьезоэлементы статора совершают вынужденные колебания, вызываемые эффектом Казимира между металлическими пластинами статора и ротора, происходящие на резонансной частоте пьезоэлементов. 6 ил.

Устройства использования пьезоэффекта в транспортных средствах // 2607461

Изобретение относится к электротехнике, к преобразователям энергии, работающим на основе применения пьезокерамических материалов, и может быть использовано в любой области техники в качестве источника электроэнергии. Технический результат состоит в повышении эффективности. Устройство содержит ротор, имеющий механическую связь со ступицей транспортного средства, подпружиненные ролики, имеющие возможность незначительного перемещения по направлению действующей на пьезоэлементы нагрузки. Ролики взаимодействуют с группами пьезоэлементов, расположенных в отверстиях, выполненных в изолированном статоре. Количество роликов равно количеству групп пьезоэлементов. Пьезоэлементы в группах изолированы друг от друга и расположены плоскостями перпендикулярно действующей нагрузке и электрически соединены параллельно. Механическая связь ролика с пьезоэлементами осуществляется посредством токонепроводящих поджимов, имеющих впадины, а ролики имеют ответные круговые выступы. Поджимы связаны между собой гибкими связями с впадинами, совпадающими с впадиной роликов. Количество пьезоэлементов в группе выбирается в зависимости от желаемой выходного напряжения группы. Для создания необходимого постоянного напряжения, например для подзарядки аккумулятора транспортного средства, используется высокочастотный преобразователь напряжения, содержащий входной конденсатор, на обкладки которого подается высокое напряжение и расположенная между обкладками плоскостная выходная индуктивность, с которой снимается низкое напряжение. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Пьезоэлектрический преобразователь кантилеверного типа механической энергии в электрическую // 2623445

Изобретение относится к электротехнике, к электромеханическим преобразователям энергии, работающим на основе прямого пьезоэлектрического эффекта, и может быть использовано в качестве маломощного источника тока для питания маломощных электронных систем. Технический результат состоит в повышении мощности и эффективности преобразования. Пьезоэлектрический преобразователь кантилеверного типа механической энергии в электрическую содержит кантилевер, представляющий собой консольную балку из упругого материала, на которую наклеены пьезоэлектрические элементы с одной стороны (униморф) или с двух сторон (биморф). Один конец консольной балки закреплен в основании. На свободном конце укреплена дополнительная присоединенная масса. В основании дополнительно установлены четыре пьезоэлемента, два вверху и два внизу относительно балки, имеющие противоположные направления вектора поляризации. Плоскости их электродов прижаты с помощью элементов основания к проводящим слоям тонких металлизированных с одной стороны упругих прокладок. Дополнительные пьезоэлементы могут быть выполнены многослойными и соединены параллельно или последовательно. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Устройство для преобразования движения пользователя в электрическое напряжение // 2645876

Группа изобретений относится к средствам мониторинга состояния пользователя за счет преобразования движения пользователя в электрическое напряжение. Раскрыты устройство (10) и способ преобразования движения пользователя в электрическое напряжение, устройство (90), система (100) и способ для мониторинга пользователя, датчик падения, содержащий устройство (90) для мониторинга пользователя, и способ обнаружения потенциального падения. Устройство (10) преобразования движения пользователя в электрическое напряжение содержит шейный шнур (20), пьезоэлектрический измерительный преобразователь (30) и печатную плату (40). Шейный шнур соединен с пьезоэлектрическим измерительным преобразователем и обеспечивает приложение тянущего усилия к пьезоэлектрическому измерительному преобразователю в первом направлении. Печатная плата электрически и механически соединена с пьезоэлектрическим измерительным преобразователем. Вес печатной платы является причиной приложения соответствующей силы тяжести к пьезоэлектрическому измерительному преобразователю во втором направлении, которое отличается от первого направления таким образом, что движение пользователя (5) с надетым шейным шнуром вызывает изменение формы пьезоэлектрического измерительного преобразователя, которое является причиной генерирования электрического напряжения. Такое электрическое напряжение может использоваться в качестве источника питания электрического компонента (41), установленного на ПП, или может использоваться как сигнал активации электрического компонента, такого как процессор (41) или акселерометр. Технический результат заключается в повышении достоверности мониторинга состояния пользователя при использовании пригодного для ношения устройства, преобразующего движение пользователя, который носит это устройство, в электрическое напряжение. 7 н. и 8 з.п. ф-лы, 9 ил.