Пьезоэлектрический генератор с пьезоэлектрическим преобразователем

Пьезоэлектрический генератор относится к электромеханическим преобразователям энергии, а именно к преобразователям, работающим на основе применения пьезокерамических материалов, и может быть использовано в любой области техники в качестве источника тока. Генератор содержит пьезоэлектрический преобразователь, выполненный в виде плоской биморфной секционированной пластины, состоящей из набора поляризованных прямоугольных пьезоэлементов, объединенных в секции. Пьезоэлементы внутри каждой секции, а также секции между собой электрически соединяются последовательно, либо параллельно. Генератор содержит резистор, выпрямитель, накопительный конденсатор, схему, управляющую зарядом конденсатора и аккумулятор. Преобразователь крепится к объектам, подверженным вибрации, и генератор вырабатывает электрическую энергию за счет энергии вибрации объекта, к которому он прикреплен. Достигаемый технический результат: использование даровой энергии вибрации для получения электроэнергии; увеличение мощности пьезоэлектрического генератора; экономия электрической энергии или ее получение в тех местах, где она отсутствует.

Полезная модель относится к электромеханическим преобразователям энергии, а именно к преобразователям, работающим на основе применения пьезокерамических материалов, и может быть использован 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 он 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. Эти недостатки ограничивают использование такого генератора лишь устройствами микроэлектроники.

Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является увеличение электрической мощности пьезогенератора, 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 включен резистор, выпрямитель, накопительный конденсатор и выходную регулирующую электронную цепь. Но, в отличие от известного, в предлагаемом генераторе пьезоэлектрический преобразователь выполнен в виде плоского 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.

Полезная модель иллюстрируется чертежами, где:

на фиг. 1 показана схема пьезоэлектрического генератора;

на фиг. 2 изображен схематически пример выполнения составной части пьезоэлектрического генератора - биморфного преобразователя;

на фиг. 3 и 4 приведены примеры установки преобразователя.

Пьезоэлектрический генератор (фиг. 1) имеет биморфный пьезопреобразователь 1, резистор 2, выпрямитель 3, накопительный конденсатор 4, схему, управляющую зарядом аккумулятора 5 и аккумулятор 6.

Пьезоэлектрический преобразователь 1 (фиг. 2) выполнен в виде плоской биморфной секционированной пластины, состоящей из набора поляризованных прямоугольных пьезоэлементов, объединенных в секции 7-12. 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. В приведенном примере выполнения преобразователя (фиг. 2) верхняя часть состоит из шести секций 7-12 по пяти элементов в каждой, соединенных последовательно. Все секции соединены параллельно. Аналогичное устройство имеет нижняя часть, которая также состоит из шести секций по пяти элементов в каждой. К электродам верхней и нижней частей припаяны выводы 13, 14, с которых снимается переменное напряжение и поступает дальше на выпрямитель. Верхняя и нижняя части для увеличения прочности могут быть наклеены на базовую металлическую упругую пластину 15.

Преобразователь в целом может опираться на опоры 16, расположенные по ее концам (т.е. в узлах смещений колеблющейся пластины) (фиг. 3), либо плотно лежать на колеблющейся плоскости 17 (фиг. 4). Таким образом, биморфный 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.

Указанные признаки полезной модели являются существенными, т.е. влияющими непосредственно на результат, который может быть получен при осуществлении изобретения.

Генератор работает следующим образом.

Биморфный преобразователь 1 прикрепляется к вибрирующему элементу строительной, промышленной, бытовой или дорожной конструкции. Преобразователь может крепиться либо на опорах 16 (фиг. 3), которые размещаются по концам преобразователя, в узловых сечениях, либо плотно прилегать к вибрирующей поверхности (17), например, к элементу строительной конструкции, либо к полу, либо к дорожному полотну. В первом случае, преобразователь может колебаться на частоте основного изгибного резонанса под действием внешней возбуждающей силы f. Амплитуда переменного напряжения на выходе преобразователя в этом случае максимальна. Во втором случае преобразователь может колебаться на частоте вибрирующего элемента, которая может не совпадать с частотой резонанса преобразователя. В этом случае на выходе преобразователя вырабатывается несколько меньшее напряжение, но за счет плотного контакта с вибрирующей поверхностью достигается значительно большая прочность преобразователя по сравнению с предыдущим случаем. 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 вибрации различных объектов.

Достигаемый технический результат:

1. Использование даровой энергии вибрации для получения электроэнергии;

2. Увеличение мощности пьезоэлектрического генератора;

3. Экономия электрической энергии или ее получение в тех местах, где она отсутствует.

1. Пьезоэлектрический генератор, содержащий пьезоэлектрический преобразователь, параллельно которому включен резистор, выпрямитель, накопительный конденсатор и аккумулятор с регулятором зарядного тока, отличающийся тем, что пьезоэлектрический преобразователь выполнен в виде плоского 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.

2. Пьезоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что преобразователи в каждой секции соединены последовательно.

3. Пьезоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что преобразователи в каждой секции соединены параллельно.