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

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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 .

Здесь: в - длина внутренней полости устройства; - его ширина; а произведение (в ) 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 U ₁ 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 h ₁, 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 U ₁. 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 (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.