[LT] Išradimas priskiriamas prietaisų sričiai, konkrečiai elektros energijos generavimo įrenginiams, naudojantiems pjezoelektrinį efektą. Išradimo tikslas - vibracinio pjezoelektrinio elektros energijos generatoriaus generuojamos įtampos padidinimas, keitiklį žadinant aukštadažniu arba atsitiktiniu signalu. Nurodytas tikslas pasiekiamas tuo, kad pjezoelektriniame generatoriuje aukštadažnių virpesių konvertavimui į elektros energiją susidedančiame iš korpuse įtvirtinto pjezoelektrinio stačiakampės gembės tipo keitiklio ir standžios atramos, pjezoelektrinio stačiakampės gembės tipo keitiklio pagrindo skerspjūvis iš apačios ir iš viršaus yra ovaliai pastorintas L ilgio gembės vietoje 0,24L, pjezoelektriniais sluoksniais yra padengta viršutinė keitiklio pagrindo dalis, išskyrus pastorinto skerspjūvio vietą, o standi atramą, į kurią sužadintas keitiklis smūgiuoja, yra pritvirtinta korpuso horizontalioje plokštumoje atstumu 0,78 L nuo keitiklio pagrindo tvirtinimo vietos.
[EN] The invention relates to devices for electric power generation using the piezoelectric effect. The invention aims – to increase by vibratory piezoelectric electrical energy generator generated voltage, wherein high frequency transducer is excited by high frequency or random signal. The said purpose is achieved when the high-frequency vibration generator piezoelectric conversion into electrical energy comprises in a frame arranged rectangular piezoelectric bracket shaped transducer and a rigid support, the piezoelectric rectangular bracket-type base cross-section at the bottom and the top is oval-rimmed length L brackets instead of 0,24L, piezoelectric layers are cover the upper heat-sink base, other than the cross-sections of the bold, and rigid support to which excited transducer struck, is attached to in the horizontal plane at distance of 0,78 L from the fixing place of transducer base.
[0001] Technikos sritis
[0002] Išradimas priskiriamas prietaisų sričiai, konkrečiai elektros energijos generavimo įrenginiams, naudojantiems pjezoelektrinį efektą.
[0003] Tai "energijos surinkimo" (angl. "energy harvesting") principu veikiantis vibracinis pjezoelektrinis elektros energijos generatorius. Aplinkos virpesiams sužadinus generatorių, pjezoelektriniai generatoriaus sluoksniai deformuojami ir generuoja elektros energiją.
[0004] Technikos lygis
[0005] Yra žinomas vibracinis generatorius, susidedantis iš bato pade įmontuoto pjezoelektrinio keitiklio, prijungto prie elektros energijos apdorojimo ir kaupimo grandinės. Generatoriaus pjezoelementas sužadinamas žmogui pradėjus eiti; žmogaus pėdos generuojamai jėgai pasiekus tam tikrą lygį, pjezoelektrinis gembės tipo keitiklis pradeda vibruoti smūgiuodamas į standžią atramą, o deformuojamas keitiklio pjezosluoksnis gaminti elektros energiją (žiūr. US20060021261 A1, A43 B5/10, H02N 2/18, 2006).
[0006] Yra žinomas vibracinis generatorius, susidedantis iš pjezoelektrinio dvisluoksnio gembės tipo (su koncentruota mase pritvirtinta gembės gale) keitiklio, ir standžios atramos į kurią sužadintas keitiklis smūgiuoja (žiūr. K.H. Mak et al. "Performance of a cantilever piezoelectric energy harvester imapacting a bump stop", Journal fo Sound and Vibration, 330, 2011).
[0007] Nurodyto prietaiso gembės skerspjūvis yra pastovus, nepritaikytas aukštadažnių virpesių konvertavimui į elektros energiją. Prietaiso savieji dažniai reguliuojami pritaisius gembės gale koncentruotą masę, kuri riboja prietaiso minimizavimo galimybes. Atramos, į kurią keitiklis smūgiuoja, vieta parinkta atsitiktinai, energijos generavimui neišnaudojamos aukštesnės virpesių formos.
[0008] Išradimo esmė
[0009] Išradimo tikslas - vibracinio pjezoelektrinio elektros energijos generatoriaus generuojamos įtampos padidinimas, keitiklį žadinant aukštadažniu arba atsitiktiniu signalu.
[0010] Nurodytas tikslas pasiekiamas tuo, kad pjezoelektriniame generatoriuje aukštadažnių virpesių konvertavimui į elektros energiją susidedančiame iš korpuse įtvirtinto pjezoelektrinio stačiakampės gembės tipo keitiklio ir standžios atramos, pjezoelektrinio stačiakampės gembės tipo keitiklio pagrindo skerspjūvis iš apačios ir iš viršaus yra ovaliai pastorintas L ilgio gembės vietoje 0,24L, pjezoelektriniais sluoksniais yra padengta viršutinė keitiklio pagrindo dalis, išskyrus pastorinto skerspjūvio vietą, o standi atramą, į kurią sužadintas keitiklis smūgiuoja, yra pritvirtinta korpuso horizontalioje plokštumoje atstumu 0,78 L nuo keitiklio pagrindo tvirtinimo vietos .
[0011] Trumpas brėžinių aprašymas
[0012] Išradimas paaiškintas figūrose.
[0013] 1 fig. Pjezoelektrinio generatoriaus aukštadažnių virpesių konvertavimui į elektros energiją principinė schema.
[0014] 2 fig. a) Antrajam savųjų virpesių dažniui optimizuota pjezoelektrinio keitiklio konstrukcija, kur maksimalus gembės skerspjūvis taške x/L = 0,24; b) Racionali pjezoelektrinio keitiklio konstrukcija, kur maksimalus gembės skerspjūvis taške x/L = 0,24.
[0015] Pjezoelektrinis generatorius aukštadažnių virpesių konvertavimui į elektros energiją susideda iš korpuse 1 įtvirtinto gembės tipo pjezoelektrinio keitiklio 2, susidedančio iš L ilgio stačiakampės formos pagrindo 3, kurio skerspjūvis iš apačios ir viršaus yra ovaliai pastorintas 0,24L vietoje, kur pagrindo 3 viršutinė dalis, išskyrus ovaliai pastorintas vietas, padengta, pjezoelektriniais sluoksniais 4, 5 su elektrodais 6, 7, 8, 9 ir standžios atramos 10 pritvirtinta atstumu 0,78 L nuo pagrindo 3 tvirtinimo vietos .
[0016] Išradimo realizavimas
[0017] Prietaisas veikia taip.
[0018] Sužadintas racionalios (2b fig.) geometrijos pjezoelektrinis keitiklis 2, sudarytas iš pagrindo 3 ir pjezoelektrinių sluoksnių 4, 5, iš abiejų pusių tolygiai padengtų elektrodais 6,7,8,9, smūgiuoja į standžią atramą 10, įtvirtintą keitiklio 2 antrosios virpesių formos mazginiame taške 0,78L. Deformuojamuose keitiklio 2 pjezoelektriniuose sluoksniuose 4,5, atsiranda potencialų skirtumas - t.y., įtampa - kuri perduodama į elektros energijos grandinę.
[0019] Optimalios pjezoelektrinio keitiklio 2 pagrindo 3 geometrinės konfigūracijos nustatomos taikant žemiau pateiktą tikslo funkciją:
[0020] Φ(A)=min ρa (A1 + A2 + ...+ Am),
[0021] kur Ai- sistemos komponentų i=1, 2, m skerspjūvis. Taikant netiesinio programavimo metodą apribojimai aprašomi žemiau pateiktomis nelygybėmis.
[0022] fm(A) = 1-Am/Ai ≤ 0,
[0023] fm+1(ω) = 1- ω/ω* ≤ 0,
[0024] kur ω*- užduotas sistemos virpesių dažnis.
[0025] Taikant gradientų projekcijos būsenų erdvėje metodą gauta optimali pjezoelektrinio elektros energijos generatoriaus geometrinė konfigūracija antrajam sumažintam savųjų virpesių dažniui (fig. 2, a). Šios konfigūracijos maksimalus skerspjūvis yra 0,24L atstumu nuo tvirtinimo vietos. Kadangi tokią pjezoelektrinio keitiklio geometrinę konfigūraciją pagaminti sudėtinga, be to, ant tokios konfigūracijos pagrindo sunku suformuoti pjezoelektrinės medžiagos sluoksnį, sistema racionalizuota kaip nurodyta (fig. 2,b). Racionaliai konstrukcijai smūgiuojant į standžią atramą, išstatytą antrosios virpesių formos mazginiame taške 0,78L galima sužadinti aukštesnes generatoriaus virpesių formas ir jas išnaudoti generatoriaus generuojamoms įtampoms padidinti.
[0026] Pramoninis pritaikomumas
[0027] Palyginus su prototipu, nauja konstruktyvinių elementų visuma leidžia išlaikyti pjezoelektrinį elektros energijos generatorių paskirstytųjų parametrų sistema ir susižadinti aukštesnėms veikiančio keitiklio virpesių formoms nepriklausomai nuo išorinio keitiklio, dėka ko yra galimas vibracinio pjezoelektrinio elektros energijos generatoriaus generuojamos įtampos padidinimas, keitiklį žadinant aukštadažniu arba atsitiktiniu signalu.
Pjezoelektrinis generatorius aukštadažnių virpesių konvertavimui į elektros energiją susidedantis iš korpuse įtvirtinto pjezoelektrinio stačiakampės gembės tipo keitiklio ir standžios atramos, besiskiriantis tuo, kad pjezoelektrinio stačiakampės gembės tipo keitiklio pagrindo skerspjūvis iš apačios ir iš viršaus yra ovaliai pastorintas L ilgio gembės vietoje 0,24L, pjezoelektriniais sluoksniais yra padengta viršutinė keitiklio pagrindo dalis, išskyrus pastorinto skerspjūvio vietą, o standi atramą, į kurią sužadintas keitiklis smūgiuoja, yra pritvirtinta korpuso horizontalioje plokštumoje atstumu 0,78 L nuo keitiklio pagrindo tvirtinimo vietos.