PL239822B1 - Urządzenie o kwazizerowej sztywności pozyskiwania energii elektrycznej z drgających urządzeń mechanicznych - Google Patents

Abstract

Urządzenie o kwazizerowej sztywności pozyskiwania energii elektrycznej z drgających urządzeń mechanicznych charakteryzuje się tym, że składa się ze sztywnej nieodkształcalnej ramy (1) z przytwierdzoną na stałe elastyczną belką wspornikową z umieszczonym na jej powierzchni przetwornikiem piezoelektrycznym (5) z elektrodami (6), które generują ładunek elektryczny wywołany odkształceniami sprężystymi belki (3), która połączona jest ślizgowo z masą obciążającą (4) za pomocą sprężyn kompensacyjnych (12) oraz sprężyny głównej (13) za pośrednictwem przegubów (7) oraz łączników (8, 9) i prowadnic (10).

Description

PL 239 822 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie o kwazizerowej sztywności pozyskiwania energii elektrycznej z drgających urządzeń mechanicznych, mające zastosowanie w szczególności do transformacji energii mechanicznej na elektryczną.

Obecnie obserwuje się tendencję do zastępowania energii pochodzącej z węgla czy atomu źródłami odnawialnymi bazującymi na wietrze, wodzie czy promieniowaniu słonecznym. Jeżeli w określonych warunkach nie dysponuje się bezpośrednim dostępem do nich, wówczas alternatywą jest pozyskiwanie energii elektrycznej z drgających układów mechanicznych, za pośrednictwem przetworników: elektrostatycznych, elektromagnetycznych i piezoelektrycznych. Nie są to źródła energetycznie wydajne, jednak uzyskiwana w ten sposób energia jest wystarczająca do zasilania prostych układów elektronicznych, czy czujników zdalnie monitorujących pracę maszyny. Przewarzająca większość przetworników piezoeIektrycznych bazuje na układzie złożonym z elastycznej belki wspornikowej i dwóch magnesów stałych, zlokalizowanych symetrycznie w pobliżu swobodnego końca (Erturk A., Hoffmann J., Inman D. J., A piezomagnetoelastic structure for broad-band vibration energy harvesting, Appled Physics Letters 94/2009). Poprzez liczbę magnesów stałych zamocowanych w ramie przetwornika możliwe jest kształtowanie bariery potencjałów. W tym zakresie wyróżnia się układy bistabilne (BEH), tristabilne (TEH), pentastabilne (PEH). Konsekwencją zwiększenia liczby magnesów jest pojawienie się dodatkowych lokalnych barier potencjału, które przy niskich amplitudach drgań maszyn mogą ograniczać efektywność odzyskiwania energii. Spotykane są również rozwiązania, gdzie ruch dwóch podatnych belek wspornikowych sprzężono za pośrednictwem sprężyny (Granados A., Invariant manifolds and the parametrization method in coupled energu harvesting piezoelectric oscillators, Phisica D, 351-352/2017, 14-29). Inną koncepcję odzyskiwania energii elektrycznej, przedstawiono natomiast w pracy (Kim I. H., Jung H. J., Lee B. M., Jang S. J., Broadband energy-harvesting using a two degree-of-freedom vibrating body, Applied Physics Letters 98/2011), gdzie dwie belki z naklejonymi przetwornikami sprzężono bezwładnościowo, w efekcie czego na piezoelektryki oddziałują składowe wynikające ze zginania belek wspornikowych oraz wahnięć sprzęgającej masy bezwładnościowej. Rozwiązanie takie charakteryzuje się dwoma częstotliwościami rezonansowymi, przez co uzyskuje się zwiększoną szerokość pasma częstotliwości, w konsekwencji możliwe jest efektywniejsze odzyskiwanie energii elektrycznej w stosunku do rozwiązań konstrukcyjnych posiadających tylko jedną częstotliwość drgań własnych.

Celem wynalazku jest eliminacja wpływu lokalnych barier potencjału.

Urządzenie o kwazizerowej sztywności pozyskiwania energii elektrycznej z drgających urządzeń mechanicznych charakteryzuje się tym, że składa się ze sztywnej nieodkształcalnej ramy z przytwierdzoną na stale elastyczną belką wspornikową z umieszczonym na jej powierzchni przetwornikiem piezoelektrycznym z elektrodami, które generują ładunek elektryczny wywołany odkształceniami sprężystymi belki, która połączona jest ślizgowo z masą obciążającą za pomocą sprężyn kompensacyjnych oraz sprężyny głównej za pośrednictwem przegubów, łączników i prowadnic.

Korzystnie urządzenie według wynalazku ma sprężyny kompensacyjne, które połączone są z masą obciążającą układem przegubów.

Korzystnie w urządzeniu według wynalazku sprężyna główna połączona jest na sztywno z masą obciążającą i ramą.

Korzystnie w urządzeniu według wynalazku łącznik osadzony jest w otworze masy obciążającej.

Korzystnie w urządzeniu według wynalazku ruch masy obciążającej wzdłuż prowadnic jest pionowy.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest brak występowania w nim lokalnych barier potencjałów, a jego charakterystyka pomiędzy zewnętrznymi barierami potencjałów jest „praktycznie płaska”, co wynika z zastosowanego układu sprężyn.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia urządzenie o kwazizerowej sztywności pozyskiwania energii elektrycznej z drgających urządzeń mechanicznych

Konstrukcja urządzenia o kwazizerowej sztywności pozyskiwania energii elektrycznej z drgających urządzeń mechanicznych składa się z sztywnej nieodkształcalnej ramy 1 mocowanej do urządzenia drgającego śrubami 2. Do ramy 1 zamocowano na stałe elastyczną belkę wspornikową 3, na której końcu znajduje się masa obciążająca 4. Na powierzchniach belki wspornikowej 3 naklejony jest przetwornik piezoelektryczny 5, na którego elektrodach 6 generuje się ładunek elektryczny wywołany od-

Claims (5)

1. PL 239 822 B1 kształceniami sprężystymi belki wspornikowej 3. W celu zapewnienia pionowego ruchu masy obciążającej 4 belkę wspornikową 3 połączono ślizgowo za pośrednictwem przegubów 7, łączników 8 i 9 oraz prowadnic 10. Łącznik 9 prowadzony jest w otworze 11. masy obciążającej 4. Płaska bariera potencjałów zapewniona jest przez układ połączeń sprężyn kompensacyjnych 12 oraz sprężyny głównej 13. Sprężyny kompensacyjne 12 połączone są z masą obciążającą 4 układem przegubów 14, natomiast sprężyna główna 13 połączona jest na sztywno z masą obciążającą 4 i ramą 1.

   Działanie urządzenia o kwazizerowej sztywności pozyskiwania energii elektrycznej z drgających urządzeń mechanicznych polega na tym, że drgania mechaniczne urządzenia, przenoszone przez zamocowaną śrubami 2 sztywną nieodkształcalną ramę 1, wywołują odkształcenie sprężyste belki wspornikowej 3 w efekcie czego na elektrodach 6 przetwornika piezoelektrycznego 5 indukuje się ładunek elektryczny. Odkształcenie belki wspornikowej 3 poprzez układ łączników 8 i 9 oraz przegubów 7 i otworu 11, wywołuje przemieszczenie pionowe ustalone prowadnicami 10 masy obciążającej 4. W wyniku cyklicznego przemieszczenia masy obciążającej 4 sprężyny kompensacyjne 12 oraz sprężyna główna 13 podlegają ściskaniu lub rozciąganiu. Przeguby 14 zastosowano, aby wyeliminować możliwość zablokowania sprężyn kompensacyjnych 12.

   Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie o kwazizerowej sztywności pozyskiwania energii elektrycznej z drgających urządzeń mechanicznych, znamienne tym, że składa się ze sztywnej nieodkształcalnej ramy 1 z przytwierdzoną na stałe elastyczną belką wspornikową 3 z umieszczonym na jej powierzchni przetwornikiem piezoelektrycznym 5 z elektrodami 6, które generują ładunek elektryczny wywołany odkształceniami sprężystymi belki 3, która połączona jest ślizgowo z masą obciążającą 4 za pomocą sprężyn kompensacyjnych 12 oraz sprężyny głównej 13 za pośrednictwem przegubów 7 oraz łączników 8, 9 i prowadnic 10.
2. 2. Urządzenie o kwazizerowej sztywności według zastrz. 1, znamienne tym, że sprężyny kompensacyjne 12 połączone są z masą obciążającą 4 układem przegubów 14.
3. 3. Urządzenie o kwazizerowej sztywności według zastrz. 1, znamienne tym, że sprężyna główna 13 połączona jest na sztywno z masą obciążającą 4 i ramą 1.
4. 4. Urządzenie o kwazizerowej sztywności według zastrz. 1, znamienne tym, że łącznik 9 osadzony jest w otworze 11 masy obciążającej 4.
5. 5. Urządzenie o kwazizerowej sztywności według zastrz. 1, znamienne tym, że ruch masy obciążającej 4 wzdłuż prowadnic 10 jest pionowy.