RU136937U1

RU136937U1 - PIEZOELECTRIC GENERATOR

Info

Publication number: RU136937U1
Application number: RU2013137682/07U
Authority: RU
Inventors: Константин Евгеньевич Аббакумов; Валерий Михайлович Цаплев; Николай Вадимович Степаненко; Альфия Ильфатовна Ахметшина; Анастасия Олеговна Белякина; Роман Сергеевич Коновалов
Priority date: 2013-08-12
Filing date: 2013-08-12
Publication date: 2014-01-20

Abstract

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. A piezoelectric generator relates to electromechanical energy converters, namely, converters operating on the basis of the use of piezoelectric materials, and can be used in any field of technology as a current source. The generator contains a piezoelectric transducer made in the form of a flat bimorph sectional plate, consisting of a set of polarized rectangular piezoelectric elements combined in sections. The piezoelectric elements inside each section, as well as the sections between themselves, are electrically connected in series or in parallel. The generator contains a resistor, a rectifier, a storage capacitor, a circuit that controls the charge of the capacitor and a battery. The transducer is attached to objects subject to vibration, and the generator generates electrical energy due to the vibration energy of the object to which it is attached. Technical result achieved: the use of free vibration energy to generate electricity; increasing the power of the piezoelectric generator; saving of electric energy or its receipt in those places where it is absent.

Description

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.The utility model relates to electromechanical energy converters, namely to converters operating on the basis of the use of piezoceramic materials, and can be used in any field of technology as a current source.

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.A known piezoelectric direct current generator, for example RU 2113757, containing a piezoelectric element made in the form of a flat bimorph disk mounted in the center of the disk, and axially deformed by two rollers mounted on the rotor through a flexible insulating gasket. The piezoelectric element may contain many piezoceramic discs to increase power. When the rotor rotates from an external source of mechanical energy, the rollers that are mounted relative to the disk elements in such a way that their deformation is ensured are rolled along the gasket, deforming the piezoelectric elements. When the piezoelectric elements are deformed on the electrodes due to the direct piezoelectric effect, charges arise, while on the external electrodes of the piezoelectric element - charges of the opposite sign, which make up the potential difference.

При вращении ротора и круговой деформации пьезоэлемента на электродах возникает постоянная разность потенциалов, соответствующая величине деформации.During the rotation of the rotor and the circular deformation of the piezoelectric element on the electrodes, a constant potential difference arises, corresponding to the strain value.

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.The disadvantages of this generator are that it is driven by an external energy source, such as wind or water, i.e. requires an additional energy conversion device. In addition, by virtue of its design, it is limited by the size of the piezoelectric element, and therefore, the generated energy is also limited. There is no electrical energy storage.

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.A piezoelectric generator is also known, for example, US Pat. No. 5,801,475, which contains a cantilever-mounted bimorph piezoelectric element that oscillates under the influence of external vibrations, as a result of which a variable potential difference, a resistor, a rectifier element, a storage capacitor, and an output regulating electronic circuit are generated on its plates by a direct piezoelectric effect.

Рассмотренное решение наиболее близко по совокупности существенных признаков к предлагаемому решению.The considered solution is the closest in the aggregate of essential features to the proposed solution.

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.The disadvantages of this generator include its small size and cantilever fixing of the piezoelectric element, as a result, low output power and increased fragility. These disadvantages limit the use of such a generator only to microelectronic devices.

Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является увеличение электрической мощности пьезогенератора, а также использование даровой энергии вибрации различных промышленных, строительных, дорожных и бытовых конструкций.The problem solved by the proposed utility model is to increase the electric power of the piezoelectric generator, as well as the use of free vibration energy of various industrial, construction, road and household structures.

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.The problem is solved due to the fact that the proposed utility model, like the well-known piezoelectric generator, contains a piezoelectric transducer, in parallel with which is included a resistor, a rectifier, a storage capacitor and an output regulatory electronic circuit. But, unlike the known one, in the proposed generator the piezoelectric transducer is made in the form of a flat sectioned transducer, the sections of which are electrically connected to each other, and each section consists of one or more piezoelectric elements glued to each other and electrically connected to each other.

Достигаемым техническим результатом является увеличение мощности пьезоэлектрического генератора и возможность использования даровой энергии.Achievable technical result is an increase in the power of the piezoelectric generator and the possibility of using free energy.

Совокупность признаков, сформулированных в п. 2 формулы полезной модели, характеризует пьезоэлектрический генератор в котором преобразователи в каждой секции соединены последовательно.The set of features formulated in paragraph 2 of the utility model formula characterizes a piezoelectric generator in which the transducers in each section are connected in series.

Достигаемым техническим результатом является увеличение выходного напряжения пьезоэлектрического генератора и снижение собственной электрической емкости генератора.The technical result achieved is an increase in the output voltage of the piezoelectric generator and a decrease in the generator’s own electric capacity.

Совокупность признаков, сформулированных в п. 3 формулы полезной модели, характеризует пьезоэлектрический генератор в котором преобразователи в каждой секции соединены параллельно.The set of features formulated in paragraph 3 of the utility model formula characterizes a piezoelectric generator in which the transducers in each section are connected in parallel.

Достигаемым техническим результатом является увеличение электрического заряда, вырабатываемого пьезоэлектрическим генератором.The technical result achieved is an increase in the electric charge generated by the piezoelectric generator.

Полезная модель иллюстрируется чертежами, где:The utility model is illustrated by drawings, where:

на фиг. 1 показана схема пьезоэлектрического генератора;in FIG. 1 shows a diagram of a piezoelectric generator;

на фиг. 2 изображен схематически пример выполнения составной части пьезоэлектрического генератора - биморфного преобразователя;in FIG. 2 is a schematic illustration of an embodiment of a component of a piezoelectric generator — a bimorph transducer;

на фиг. 3 и 4 приведены примеры установки преобразователя.in FIG. 3 and 4 are examples of installation of the converter.

Пьезоэлектрический генератор (фиг. 1) имеет биморфный пьезопреобразователь 1, резистор 2, выпрямитель 3, накопительный конденсатор 4, схему, управляющую зарядом аккумулятора 5 и аккумулятор 6.The piezoelectric generator (Fig. 1) has a bimorph piezoelectric transducer 1, a resistor 2, a rectifier 3, a storage capacitor 4, a circuit that controls the charge of the battery 5 and the battery 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.The piezoelectric transducer 1 (Fig. 2) is made in the form of a flat bimorph sectional plate, consisting of a set of polarized rectangular piezoelectric elements combined in sections 7-12. The piezoelectric elements inside each section, as well as the sections between themselves, are electrically connected in series or in parallel, depending on what voltage and what power is required from the converter. In the above example, the converter (Fig. 2), the upper part consists of six sections 7-12 with five elements in each, connected in series. All sections are connected in parallel. A similar device has a lower part, which also consists of six sections of five elements each. The leads 13, 14 are soldered to the electrodes of the upper and lower parts, from which the alternating voltage is removed and then goes to the rectifier. The upper and lower parts to increase strength can be glued to the base metal elastic plate 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.The converter as a whole can rely on supports 16 located at its ends (i.e., at the nodes of the displacements of the oscillating plate) (Fig. 3), or lie tightly on the oscillating plane 17 (Fig. 4). Thus, a bimorph converter can withstand large static and dynamic loads without breaking.

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.The output voltage of the converter through the matching resistor 2 is fed to the input of the rectifier 3, and then the rectified voltage is fed to the input of the storage capacitor 4. After the storage capacitor through the electronic control circuit 5, the voltage is supplied to the input of the battery 6.

Указанные признаки полезной модели являются существенными, т.е. влияющими непосредственно на результат, который может быть получен при осуществлении изобретения.The indicated features of the utility model are significant, i.e. directly affecting the result that can be obtained by carrying out the invention.

Генератор работает следующим образом.The generator operates as follows.

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.The bimorph converter 1 is attached to a vibrating element of a building, industrial, domestic or road construction. The transducer can be mounted either on supports 16 (Fig. 3), which are placed at the ends of the transducer, in nodal sections, or fit snugly against a vibrating surface (17), for example, to an element of a building structure, or to the floor, or to the roadway. In the first case, the converter can oscillate at the frequency of the main bending resonance under the action of an external exciting force f. The amplitude of the alternating voltage at the output of the converter in this case is maximum. In the second case, the transducer may oscillate at a frequency of the vibrating element, which may not coincide with the resonance frequency of the transducer. In this case, a slightly lower voltage is generated at the output of the converter, but due to close contact with the vibrating surface, a significantly greater converter strength is achieved compared to the previous case. During vibration, as a result of the direct piezoelectric effect, an alternating voltage arises at the output of the converter, which is supplied to resistor 2, and then to rectifier 3. After rectification, the electric charge is accumulated on the storage capacitor 4, then fed to circuit 5, which controls the battery charge. The energy of a charged battery is used by the consumer. Thus, the free energy of vibration of various objects is used.

Достигаемый технический результат:Technical result achieved:

1. Использование даровой энергии вибрации для получения электроэнергии;1. The use of free vibration energy to generate electricity;

2. Увеличение мощности пьезоэлектрического генератора;2. An increase in the power of the piezoelectric generator;

3. Экономия электрической энергии или ее получение в тех местах, где она отсутствует.3. Saving electric energy or its receipt in those places where it is absent.

Claims

1. A piezoelectric generator containing a piezoelectric transducer, in parallel with which is connected a resistor, a rectifier, a storage capacitor and a battery with a charge current regulator, characterized in that the piezoelectric transducer is made in the form of a flat sectioned transducer, the sections of which are electrically connected to each other, and each section consists of from one or more piezoelectric elements glued together and electrically connected to each other.

2. The piezoelectric generator according to claim 1, characterized in that the transducers in each section are connected in series.

3. The piezoelectric generator according to claim 1, characterized in that the transducers in each section are connected in parallel.