BG67559B1 - Хибриден, електромагнитен, пиезоелектричен, трибоелектричен и термо наногенератор - Google Patents

Abstract

Изобретението се отнася до хибриден електромагнитен, пиезоелектричен, трибоелектричен и термо наногенератор за преобразуване на механична енергия, създавана от човешкото тяло, вятър, вибрации от автомобили, автобуси, влакове, самолети, земетресения, в електрическа енергия. Устройството се прилага навсякъде, където е необходимо ефективно преобразуване на кинетичната енергия в електрическа енергия. Хибридният наногенератор се състои от еластична пластина (6), която е закрепена неподвижно в единия си край към подложка в края на носеща плоча (4), която заедно с капак (2) образуват корпус (1) на устройството. Другият край на еластичната пластина (6) е свободен, излиза извън корпуса (1) на разстояние 1/3 от дължината й, през направен отвор (3) в капака (4), и при въздействие върху него с импулс на сила F може свободно да вибрира в рамките на отвора (3), като при това превръща еластичните колебания в променливо напрежение посредством пиезоелектричен наногенератор (8), трибоелектричен наногенератор (17), електромагнитен наногенератор (14), както и постоянно напрежение чрез термо наногенератор (20), създадени в корпуса (1).

Description

Област на техниката

Настоящото изобретение се отнася до хибриден електромагнитен, пиезоелектричен, трибоелектричен и термо наногенератор, предназначен за преобразуване на механична енергия в електрическа енергия и може да намери приложение в промишлеността и/или бита, където е необходимо ефективно преобразуване на кинетичната енергия в електрическа енергия, включително такава от възобновяеми източници, в захранвания на електронни устройства, за натрупване на енергия в суперкондензатори и др.

Предшестващо състояние на техниката

Механичната енергия, като една от най-лесно достъпните енергии в ежедневието има много предимства, като наличност, непрекъснатост и независимост, но заради разпръснатата й форма, малка енергийна плътност и ниска честота, често е пренебрегвана и недостатъчно използвана.

В резултат на напредъка на технологиите, включително нанотехнологиите, вече е възможно да се реализира събирането и акумулирането на механична енергия, предизвикана от нискочестотни или високочестотни механизми и процеси.

За тази цел напоследък се прилагат няколко вида наногенератори, които работят на различен принцип, например: хибриден (HNG), електромагнитен (EMNG), пиезоелектричен (PENG), трибоелектричен (TENG) и термо наногенератор (THENG).

Електромагнитните наногенератори са едни от основните преобразуватели на механична енергия, като конструктивното им изпълнение използва относителното движение на магнити и намотки за промяна на магнитния поток през намотките и генериране на индуцирана електродвижеща сила по закона за електромагнитната индукция на Фарадей. Електромагнитните наногенератори се отличават с ниско изходящо съпротивление, голям ток и относително ниско напрежение.

Пиезоелектричните генератори работят на базата на пиезоелектричния ефект, който е тясно свързан с появата на електрически диполни моменти в твърди тела. Когато диполите са близо един до друг, те са склонни да бъдат групирани в региони, наречени домейни на Вайс. Домейните обикновено са произволно ориентирани, но могат да бъдат подравнени, използвайки силно електрическо поле. От решаващо значение за пиезоелектричния ефект е промяната на вектора на поляризацията Р при прилагане на механична енергия.

Промяната в поляризацията Р се проявява като вариация на повърхностната плътност на заряда върху кристалните повърхности, т.е. като вариация на електрическото поле, простиращо се между границите и причинена от промяна в диполната плътност в общия обем. Това може да бъде причинено или от преконфигуриране на домейните или от преориентацията им под въздействието на външния стрес.

Тогава пиезоелектричността може да се прояви във вариация на поляризационната сила. Тя зависи от ориентацията на вектора на поляризацията Р в кристала, кристалната симетрия и приложеното механично напрежение.

Трибоелектричните наногенератори работят на базата на трибоелектричния ефект (известен също като трибоелектрично зареждане), представляваща по същество вид контактна електрификация, при която някои материали се зареждат електрически, след като са отделени от материала, с който са били в контакт. Триенето на двата материала един с друг увеличава контакта между техните повърхности, а оттам и големината на трибоелектричния ефект. Полярността и плътността на произведените заряди се различават в зависимост от материалите, морфологията на повърхността, температурата, деформацията и други свойства.

Трибоелектричният ефект е свързан с явлението адхезия, където два материала, съставени от различни молекули, са склонни да се слепват поради привличането между различните молекули. Въпреки, че адхезията не е химическа връзка между атомите, има обмен на електрони, йони, неутрални молекули между различните видове материали, което води до електростатично привличане между молекулите, които ги държат заедно. Физическото разделяне на материалите, които са слепени заедно, води до електронен трансфер, което е доминиращият механизъм за трибоелектрификация.

След като два атома са разделени, прехвърлените електрони остават където са, тъй като е необходима енергия за електроните да се прехвърлят обратно. Ето защо се образуват противоположни електростатични заряди върху повърхностите на материалите. Например найлон и стъкло, се зареждат винаги положително, а поливинилхлорид (PVC) и тефлон се зареждат винаги отрицателно.

Термо наногенераторът се основава на ефекта на Зеебек, чрез който температурните разлики директно се преобразуват в постоянно електрическо напрежение. При наличието на температурна разлика между два различни метала или полупроводници се създава напрежение или термоелектрична електродвижеща сила. Тази термоелектрична електродвижеща сила се създава между топлия край (този, който се нагрява) и студения край (този, който не се нагрява). Това предизвиква протичането на постоянен ток в контура. Създаденото напрежение е от 1 до 70 микроволта за 1°С температурна разлика. С термо наногенераторите се постига високо изходящо съпротивление, малък ток и високо напрежение.

Известни са патентни публикации, в които са описани термо наногенератори, като например US 9790928, US 10367431, US 10630206, GB 2582627 A. Освен това, по-подробно, настоящото състояние и перспективите за технологично и техническо развитие на TENG и PENG, както и техните приложения са представени в обзорни публикации:

• „Progress in TENG technology - A journey from energyharvesting to nanoenergy and nanosystem”, Jianxiong Zhu, Minglu Zhu, Qiongfeng Shi, Feng Wen, Long Liu, Bowei Dong, Ahmed Haroun, Yanqin Yang, Philippe Vachon, Xinge Guo, Tianyiyi He, Chengkuo Lee, EcoMat. 2020; 2:e12058;

• „Quantifying the triboelectric series”, Haiyang Zou, Ying Zhang, Litong Guo, Peihong Wang, Xu He, Guozhang Dai, Haiwu Zheng, Chaoyu Chen, Aurelia Chi Wang, Cheng Xu & Zhong Lin Wang, NATURE COMMUNICATIONS | (2019) 10:1427;

• „Development, applications, and future directions of triboelectric nanogenerators”, Mingyuan Ma, Zhuo Kang, Qingliang Liao, Qian Zhang, Fangfang Gao, Xuan Zhao, Zheng Zhang and Yue Zhang, Nano Research 2018, 11(6): 2951-2969;

• „Piezoelectric nanogenerators - a review of nanostructured piezoelectric energy harvesters”, Joe Briscoe Steve Dun, Nano Energy Volume 14, May 2015, Pages 15-29;

• „Piezoelectric nanogenerators - Harvesting ambient mechanical energy at the nanometer scale”, Xudong Wang, Nano Energy (2012) 1, 13-2.

В сравнение c единичен тип наногенератор, хибридните наногенератори (комбинация от повече от един тип наногенератори) имат по-висока изходна мощност, по-висока машинно-електрическа ефективност на преобразуване на енергията и по-добра адаптивност към околната среда. Благодарение на тези свойства хибридните наногенератори могат да решат проблема с електрозахранването на някои електронни устройства, които изискват по-голяма мощност, както и някои индустриални приложения. Хибридните наногенератори на енергия се отличават с това, че имат свойството да подобряват значително производителността, чрез интегриране и синергия на различни методи за обмен на енергия.

Настоящото състояние, както и бъдещето развитие на различните видове хибридни наногенератори (TENG&PENG, TENG&EMG, TENG&Thermal energy, TENG&Solar cell, TENG&Hydro energy), включително c техни примерни приложения са представени в технически обзор за хибридни наногенератори: „Hybrid Triboelectric Nanogenerators: From Energy Complementation to Integration”, Lingjie Xie, Ningning Zhai, Yina Liu, Zhen Wen and Xuhui Sun, AAAS Research Volume 2021, Article ID 9143762, 23 pages, и * „Hybrid energy harvesting technology: From materials, structural design, system integration to applications”, Huicong Liu, Hailing Fu, Lining Sun, Chengkuo Lee, Eric M. Yeatman.

Допълнително са известни още и други литературни обзорни публикации като например: Renewable and Sustainable Energy Reviews, Elsevier, са представени работите: Rahman MT, Salauddin M, Maharjan P, Rasel MS, Cho H, Park JY. „Natural wind-driven ultra-compact and highly efficient hybridized nanogenerator for self-sustained wireless environmental monitoring system”, Nano Energy 2019; 57: 256-68; Koh KH, Shi Q, Cao S, Ma D, Tan HY, Guo Z, et al.

* „A self-powered 3D activity inertial sensor using hybrid sensing mechanisms”, Nano Energy 2019; 56: 651-61; He J, Wen T, Qian S, Zhang Z, Tian Z, Zhu J, et al.; „Triboelectric-piezoelectric-electromagnetic hybrid nanogenerator for high-efficient vibration energy harvesting and self-powered wireless monitoring system”, Nano Energy 2018, 43, 326-39; He X, Wen Q, Sun Y, Wen Z. „А low-frequency piezoelectric-electromagnetictriboelectric hybrid broadband vibration energy harvester”, Nano Energy 2017; 40: 300-7, в които са представени технически решения, свързани с решаването на проблеми при извличането на кинетична енергия от хибридни наногенератори.

Основните недостатъци на известните хибридни наногенератори са свързани със специфичните, конкретни технически решения, като например:

* в публикацията на Rahman MT et al. е описано как се постига ефективна работа на устройството при вятър с определени параметри, иницииран от движение на влак;

* в разработката на Koh КН еt al., събирането на вибрационна енергия се реализира чрез резонансни окачени конструкции за самозахранващ се сензор и чрез нерезонансни магнитни търкалящи се топчета, разположени в куха, многослойна полимерна обвивка;

* в изследването на He J et al., се използват конвенционални механични конструкции на окачване, каквито са пружини или конзоли, приложени в хибридизиран генератор, като се използва магнитна плаваща/висяща структура с по-висока вибрационна чувствителност. Под 20 Hz, с електромагнитната част

BG 67559 Bl на хибридния наногенератор се произвежда пикова мощност до 38 mW, с пиезогенераторната част до 122 mW, а с термо наногенераторната част само 78 pW.

* В техническата разработка на He X са представени изследвания на нискочестотен хибриден широколентов вибрационен комбайн за енергия чрез използване на три слоя структури с пружинна маса. В средния слой е прикрепен магнит с положен филм от полимер, за предпочитане поливинилденфлоурид, за да генерира електричество въз основа на пиезоелектрическите и електромагнитните механизми. Горният и долен окачени слоеве, за предпочитане от полидиметилсилоксанови (PDMS-силициев полимер) се използват за генериране на електричество чрез периодично разделяне на контакта с меден (Си) електрод въз основа на трибоелектричен ефект.

Недостатък на тази конструкция е прекият контакт на полимерните слоеве с металния контакт, което води до износване и кратък живот.

Известна е публикация “Design and optimisation of magnetically tunable hybrid piezoelectric triboelectric energy Harvester” Satish Rao Ganapathy, Hanim Salleh & Mohammad Khairul Azwan Azhar, Scientific Reports (2021) 11:4458, https://doi.org/10.1038/s41598-021-83776-y, в която е описан един от ключовите проблеми, свързани с генериране на електрическа енергия от вибрационни източници, а именно - постигане на максимална пикова мощност само когато честотата на устройството съвпада с честотата на източника, за да генерира ниска използваема мощност.

Описан е хибриден пиезоелектрически-трибоелектричен комбайн за енергия (МТ-НРТЕН), магнитно регулируем, в който обект на изследване са конструктивни признаци, каквито са разположение на масата, трибоелектричната повърхност, дължина на удължение и магнитна твърдост, чието взаимодействие е свързано с генериране на напрежение от пиезоелектричните и трибоелектрическите механизми, което в случая се определя индивидуално, за да се определи техническият ефект от всеки конструктивен признак върху механизмите.

Недостатък на известния магнитно регулируем хибриден пиезоелектрически-трибоелектричен комбайн за енергия е ограниченото му приложение, доколкото е подходящ в по-голяма степен за изследователска работа. Хибридният наногенератор работи само при резонансни честоти, като се наблюдава и остаряване на електродите при разтягането им. Освен това конструктивното решение е организирано така, че съществува зависимост на трибоенергията от стойността и масата на постоянните магнити.

Известна е патентна публикация CN 106056904 А, където е описан самоуправляващ се безжичен детектор, предназначен за определяне потока на трафика на преминали коли. Описаният детектор е базиран на хибриден наногенератор и се състои от електромагнитен наногенератор и триещ се наногенератор, интегрирани в един корпус. Електрическите сигнали на електромагнитния генератор и триещия се наногенератор се извеждат и конвертират заедно чрез схема за управление на мощността за захранване на безжичното предавателно устройство, в случая - вятърната енергия, генерирана при преминаване на превозни средства, от което генераторите се въртят така, че да произвеждат импулсен ток, при което безжичното предавателно устройство предава електрическите сигнали на приемащото устройство, което брои електрическите сигнали.

Необходимата енергия се получава от вятъра, чрез вятърно задвижвано колело, към оста на което шарнирно са свързани триещи се пластмасови плочи, осигуряващи трибоелектричество. От едната страна на една от триещите се плочи е прикрепена намотка, а към /същата или обратната страна/ на втората плоча е закрепен магнит. При относителното движение на плочите една спрямо друга се получава електродвижещо напрежение. Описаният хибриден наногенератор значително намалява разходите, като същевременно поддържа добра полезна изходна мощност, в сравнение с конвенционален турбинен вятърен генератор, който има висока цена, голям обем и маса.

Недостатък на описания хибриден наногенератор е това, че съставните елементи на електромагнитния генератор - намотки и магнит са закрепени върху триещите се плочи на трибоелектричния наногенератор. При продължителна работа на устройството, от триенето между плочите се отделя топлина, която променя работата и ефективността на хибридния генератор. Едновременно с това триещите елементи на съоръжението се износват сравнително бързо.

При замърсен въздух от прахови частици последните навлизат между триещите се плочи и намаляват ефективността на термо наногенератора, представляващ част от хибридния наногенератор. Описаният хибриден наногенератор работи само при определени параметри на вятърната енергия.

Известна е патентна публикация CN 111711380 A, в която е описан хибриден наногенератор, предназначен за електрозахранване на безжични комуникационни електронни устройства. Изобретението се отнася до електромагнитно-триещ се композитен наногенератор въз основа на триенето при търкаляне. Композитният наногенератор с електромагнитно триене се състои от а/ блок за генериране на електроенергия от нанотриене, б/ блок за генериране на мощност от електромагнитна индукция от бобина и в/ механичен блок за улавяне на мощността.

Всяка единица за генериране на електроенергия от триещи нанометри включва решетка с ролкови електроди и решетка от електрически материал от триене, залепени към външната повърхност на централния валяк. Електромагнитната индукционна единица за генериране на мощност от бобина включва бобина и постоянен магнит, разположен в централен валяк.

Механичният блок за улавяне на мощност включва централен барабан, вал и външен елемент за събиране на енергия. Съгласно изобретението централният валяк и ролковият електрод се задвижват, за да се въртят чрез входно преобразуване на външната енергия на флуида или енергията на въртене, при което под контакта на ролковия електрод и триещ се електрически материал и действието на електромагнитната индукция се генерира променлив ток, който трябва да бъде подаден към товар, а събирането на външната енергия на флуида или енергията на въртене се постига и преобразува в налична електрическа енергия.

Недостатък на хибридния генератор е усложнената му конструкция, доколкото конструктивно е постигнато по-малко триене при търкаляне за сметка на триенето при плъзгане. Освен това конструктивно не може да се осъществи еднаквост в триенето на всички периферни валове и в резултат - генерираната енергия, вследствие на нееднаквото триене е различна. Това води също и до бързо износване на трибоелектричното покритие или на централния валяк или на някой от периферните такива, резултиращо в потенциална повреда на целия наногенератор. Също така при замърсен въздух от прахови частици последните навлизат между триещите се валяци и намаляват ефективността от работата на термочастта от хибридния наногенератор.

Известна е патентна публикация CN 211908680 U, отнасяща се до хибриден наногенератор, предназначен за събиране на енергия, генерирана от вибрации. Състои се от термо наногенератор и електромагнитен наногенератор. Термо наногенераторът включва корпус, в двата края на който са закрепени неподвижно намотки, като е предвидена и направляваща шина, която контактува с блок с трибометрични наноматериали. Едновременно с това в плъзгащия блок е вграден постоянен магнит, който заедно с намотките формира електромагнитния наногенератор. Споменатият блок се плъзга във вътрешната част на корпуса и чрез триене предизвиква трибоелектризация.

Същевременно при движението на блока в намотките се генерира електродвижещо напрежение. Външните вибрации са източникът на енергията, която се използва от устройството.

Недостатък на описания хибриден генератор е това, че подвижният блок може да се задвижва само от вибрации, характеризиращи се до определена честотна граница, съответно - да предизвикат трибоелектрификация и електродвижещо напрежение. Освен това с течение на времето параметрите на трибоелектричните слоеве се променят в резултат от триенето и генерираната топлина от него.

Известна е патентна публикация Wo 2014012403 A1, където е описан хибриден наногенератор, състоящ се от пиезоелектрически и трибоелектричен наногенератор. Съставният пиезоелектричен наногенератор е изпълнен като сандвич от пиезоелектричен материал с нанесени върху него метални слоеве, който е закрепен от едната страна на високомолекулен полимерен изолационен слой. Съставният трибоелектричен наногенератор е изграден от идентичен високомолекулен полимерен изолационен слой, към едната страна на който е нанесен метален слой, а върху другата му страна е нанесен междинен филм с изградена микро-наноструктура от трибоелектричен материал.

Структурираният междинен филм на трибоелектричния наногенератор е залепен към другата страна на високомолекулния полимерен изолационен слой на пиезонаногенератора. Двата наногенератора са свързани електрически паралелно, изграждайки общ хибриден наногенератор, който се отличава с поефективно действие.

Недостатък на този хибриден генератор е, че в сравнение с описаните по-горе известни хибридни наногенератори изходящото му съпротивление е голямо, а токовете са малки. Също така смесеният филм, изграден от трибоелектрични и пиезоелектрични материали едновременно и служещ като преходен слой между пиезоелектричния и трибоелектричния наногенератор се явява като паразитно съпротивление при работата на хибридния наногенератор и намалява ефективността му.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се предложи хибриден електромагнитен, пиезоелектричен и термоелектричен наногенератор (HEPTTNG), който да се отличава с ефективна конструкция, осигуряваща пълно преобразуване на механичната енергия в електрическа, като едновременно с това да е с малки размери, лесен за поддържане, с ниска себестойност и достъпен за масовия потребител.

Задачата се решава с хибриден електромагнитен, пиезоелектричен, трибоелектричен и термоелектричен наногенератор, който се състои от корпус, с организирани в него пиезоелектричен наногенератор и трибоелектричен наногенератор, като трибоелектричния наногенератор е изпълнен с първи полимерен изолационен слой, и междинен тънък филм с микро-наноструктура от едната му странична в контакт с втора странична повърхност на първия високомолекулен полимерен изолационен слой и едната страна на междинния тънък филм.

Съгласно изобретението в корпус, който се състои от носещата плоча и капак, върху подложка с височина ½ от височината на капака, свързана в единия край на носещата плоча е закрепен неподвижно успоредно на носещата плоча единия край на еластична пластина, на която другия край излиза извън корпуса през направен отвор в капака, като при това остава свободен и при въздействие върху него с импулс на сила може свободно да вибрира в рамките на отвора на капака, при което от горната страна на еластичната пластина неподвижно върху тампон е закрепен пиезонаногенератор, състоящ се от долен електрод, пиезоматериал и горен електрод, както е залепена и плоска термодвойка с топъл край, ориентиран към свободния край на еластичната пластина, а от долната й страна неподвижно един до друг са закрепени последователно проводникова намотка и отрицателно наелектризируем трибоелектричен материал с метален контактен слой, залепен към пластината, като при това неподвижно към дънната плоча на корпуса е закрепен постоянен магнит, разположен точно под намотката и положително наелектризируем трибоелектричен материал с метален контактен слой, закрепен към плочата точно под отрицателно наелектризируемия трибоелектричен материал, закрепен към еластичната пластина.

Съгласно едно предпочитано изпълнение еластичната пластина е направена от едностранно медно фолиран стъклотекстолит с дебелина 0,5 до 1 mm, а дължината й е определена така, че 1/3 от дължината й е разположена извън корпуса.

За предпочитане е долният електрод на пиезоелектричния наногенератор да е изпълнен от месингова ламарина с дебелина 0.5 mm, а горният електрод е изпълнен от сребро.

Отрицателно наелектризируемият трибоелектричен материал е от групата на нанокомпозити от политетрафлуоретилен (тефлонова) матрица с внедрен в матрицата графен.

Положително наелектризируемият трибоелектричен материал е от групата на полиамидните влакна (найлон) като матрица с внедрен в матрицата графен.

На горната, нефолирана страна на пластината, близо до неподвижната й част е закрепен пиезонаногенератор, където върху долния му месингов електрод е отложен чрез нискотемпературна синтеровка неорганичен материал като оловен цирконат титанат (PZT), а горният електрод е сребърен, нанесен чрез термично изпарение във вакуум.

Към свободния край на еластичната пластина е закрепен термо наногенератор, представляващ планарна термодвойка от мед-константан с топъл край близо до свободния край на еластичната пластина и изводи откъм неподвижния край на еластичната пластина.

Върху долната фолирана с мед страна на еластичната пластина чрез фотолитография и ецване е формирана спирална проводникова намотка, която заедно с постоянния неодимов плосък магнит, монтиран на дънната плоча на корпуса образуват електромагнитен наногенератор.

Също така върху долната фолирана с мед страна на еластичната пластина чрез ецване на медта е формиран меден електрод, върху който е залепен тефлон за създаване на отрицателни заряди след контакт с полиетиленов слой и последващото му разделяне, като полиетиленовия слой създава положителни заряди след контакт с тефлона и последващото им разделяне, като при това той е залепен върху меден електрод на дънната плоча точно под тефлоновия слой.

Хибридният електромагнитен, пиезоелектричен, трибоелектричен и термо наногенератор (HEPTTNG) се отличава с висока ефективност на преобразуване на механична енергия, създавана от различни източници, в това число - от човешкото тяло, вятър, гравитачно падане на вода, морски вълни, вибрации от движение на автомобили, автобуси, влакове, самолети, земетресения, налягане, от работа на стругове, фрези, тъкачни станове, сондажни дейности, движение на пясъци и насипни материали.

В едно предпочитано изпълнение хибридният наногенератор е изпълнен като портативно и преносимо устройство, като конструктивното решение позволява лесно изпълнение и на други мащабируеми изпълнения, например с оглед на приложението на устройството за извличане на кинетичната енергия от морски и речни вълни, навсякъде където има движение на течни маси и насипни материали.

Подходящи са и други вариантни изпълнения за целите на приложение на хибридния наногенератор в самозахранваща се сензорика, за захранване на електронни устройства, за натрупване на енергия в суперкондензатори и акумулатори, за GSM комуникации, интернет приложения, медицински датчици и устройства, зъболекарски кабинети, проследяващи устройства, приложения за умни домове и умни градове и т.н.

Пояснение на приложените фигури

По-нататък в описанието, с помощта на придружаващите описанието чертежи е представено по детайлно едно примерно изпълнение на хибриден наногенератор съгласно изобретението, където:

фигура 1 представя принципна схема на хибриден наногенератор (HEPTTNG) съгласно изобретението;

фигура 2 - електрическа схема на свързване на хибридния наногенератор;

фигура 3 - графики на получените сигнали от генератора.

Примерно изпълнение на изобретението

Хибридният електромагнитен, пиезоелектричен, трибоелектричен и термо наногенератор, съгласно изобретението, е предназначен за получаване на електрическа енергия чрез преобразуване на механична енергия.

Хибридният електромагнитен, пиезоелектричен, трибоелектричен и термо наногенератор, представен чрез едно примерно изпълнение на фиг. 1 се състои от корпус 1, с капак 2, който е оформен с отвор 3, оформен между корпуса 1 и капака 2. В долния край на корпуса 1 е оформена носеща плоча 4, изпълнена с подложка 5, към която е закрепен единият край на еластична пластина 6, другият край на която е свободен и излиза извън корпуса 1.

Дължината на еластичната пластина 6 е определена така, че 1/3 от дължината й е разположена извън корпуса 1 и при въздействие върху свободния й край с импулсна сила F може свободно да вибрира в рамките на отвора 3.

По горната повърхност на еластичната пластина 6, в близост до неподвижния й край, неподвижно върху тампон 7, изготвен от еластичен материал е закрепен неподвижно пиезонаногенератор 8, състоящ от долен електрод 9, слой пиезоматериал 10 и горен електрод 11. Долният електрод 9 за предпочитане е изпълнен от месингова ламарина с дебелина 0.5 mm, като по горната му повърхност е отложен пиезоматериалът 10, за предпочитане отлагането е чрез прилагане на нискотемпературна синтеровка на оловен цирконат титанат (PZT). Горният електрод 11 e изпълнен от сребро, нанесено върху пиезоелектричния материал 10 чрез термично изпарение във вакуум.

По долната повърхност на еластичната пластина 6 е формирана проводникова намотка 12, а срещу нея, върху носещата плоча 4 е разположен постоянен магнит 13, при което намотката 12 и магнитът 13 образуват електромагнитен наногенератор 14. За предпочитане проводниковата намотка 12 е формирана чрез фолиране върху долната повърхност на еластичната пластина 6 на меден слой с последващо ецване.

В близост до отвора 3, между корпуса 1 и долната повърхност на еластичната пластина 6 е разположен трибоелектричен наногенератор 15, състоящ се от горен контактен слой 16, закрепен неподвижно към долната повърхност на еластичната пластина 6 и свързан с него отрицателно наелектризируем трибоелектричен материал 17.

Към вътрешната повърхност на корпуса 1, по-специално върху носещата плоча 4 е монтиран долен контактен слой 18, към който е закрепен неподвижно положително наелектризируем материал 19.

В близост до свободния край на еластична пластина 6, разположен извън корпуса 1 е закрепен термо наногенератор 20, представляващ планарна термодвойка, изготвена от мед и константан, като топлата й част е разположена близо до свободния край на еластичната пластина 5, а студената й част е изведена към неподвижната й част.

Хибридният наногенератор работи по следния начин. При прилагане на импулсна сила F вибрациите от движенията на еластичната пластина 6 създават променливи електрически напрежения в пиезонаногенератора 8, в електромагнитния наногенератор 14 и в трибоелектричен наногенератор 15, които се подават към диодни мостове 21 с кондензатори за изправяне /фиг. 2/ и се извеждат за използване, а отделената в свободния край топлина от многократните еластични изменения се превръща в термо електродвижещо напрежение в термо наногенератора 20, като се извежда директно за ползване съгласно фиг. 2.

Измерени са параметрите на хибридния наногенератор, при преобразуване на механична енергия в електрическа енергия, по-специално по отношение на възникващото електрическо напрежение и неговата амплитуда във времето. На фиг. 3 са показани две графики: червената графика показва възникналото електрическо напрежение в хибридния наногенератор без товар в електрическата верига, при прилагане на единичен импулс със сила F върху еластичната пластина 6. Зелената графика показва възникналото електрическо напрежение в хибридния наногенератор с товар от светодиод 1W в електрическата верига, при прилагане на същия единичен импулс със сила F върху еластичната пластина 6.

По-добрият технически ефект в предложения хибриден наногенератор се постига чрез увеличаване на коефициента на полезно действие на преобразуване на механичната енергия в електрическа енергия в резултат на едновременната работа на неговите четири наногенератора. Освен това паралелното свързване на изходите на пиезоелектричния наногенератор 8, електромагнитния наногенератор 14, трибоелектричният наногенератор 15 и термо наногенератора 20 постига по-голям работен ток и съответно по-голяма изходяща мощност спрямо другите видове хибридни наногенератори.

Claims (1)

1. Хибриден електромагнитен, пиезоелектричен, трибоелектричен и термо наногенератор, състоящ се от пиезоелектричен наногенератор и трибоелектричен наногенератор, характеризиращ се с това, че трибоелектричният наногенератор е поместен в корпус, с оформена в долния му край носеща плоча (4) с подложка (5) и капак (2), при което в единия край на корпуса (1) е оформен отвор (3), а върху подложката (5) е закрепен неподвижно единият край на еластична пластина (6), по горната повърхност на която е разположен пиезоелектричният наногенератор (8), а другият й край преминава през отвора (3) и е разположен извън корпуса (1), като във вътрешността на корпуса (1) е разположен електромагнитен наногенератор (14), състоящ се от проводникова намотка (12), поместена по долната повърхност на еластичната пластина (6), а срещу нея, върху носещата плоча (4) е разположен постоянен магнит (13), при което трибоелектричният наногенератор (15) се състои от горен контактен слой (16), закрепен неподвижно към долната повърхност на еластичната пластина (6) и свързан с него отрицателно наелектризируем трибоелектричен материал (17), а към вътрешната повърхност на корпуса (1), поспециално върху носещата плоча (4) е монтиран долен контактен слой (18), към който е закрепен неподвижно положително наелектризируем материал (19), и в близост до свободния край на еластичната пластина (6), разположен извън корпуса (1) е закрепен термо наногенератор (20), представляващ планарна термодвойка, изготвена от мед и константан.