ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА Российский патент 1997 года по МПК H02N2/18 H01L41/113 

Изобретение относится к энергетике, а именно к использованию и применению возобновляемых источников энергии, в частности разности и изменения температуры воздуха.

В настоящее время среди нетрадиционных источников добывания электрической энергии наиболее доступными и разработанными являются солнце и ветер (В. С. Дверняков. Солнце, жизнь, энергия. Киев: Наукова думка, 1986, с.106, рис. 42; А. Дэвис, Р. Шуберт. Альтернативные природные источники энергии в строительном проектировании М. СИ 1983 с.90-134).

Однако основными недостатками использования солнца в средней полосе является малое количество солнечных дней. Применение ветра также ограничено из-за капризов природы.

Для средней полосы наиболее оптимальным является использование в качестве источника энергии разности и колебаний температуры наружного воздуха: дневных от вечерних, а также сезонных (зима лето, весна осень).

Известен физический эффект Зеебека, где электродвижущая сила (ЭДС) создается в последовательно соединенных разнородных проводниках, контакты между которыми имеют различные температуры (Калашников С.Г. Электричество. М. Наука, 1964, с.502-506).

Неудобство такого устройства состоит в том, что необходимо создавать одновременно разнотемпературные условия, что в натурных природных условиях трудно и почти невозможно. Поэтому такие устройства не нашли широкого применения.

Известны также различные устройства с твердыми керамическими пьезоэлементами, позволяющие получать электрический ток за счет сильного удара по пьезоэлементу (а.с. NN 579445, 554415, 603766, 907290 и др.) Здесь для выработки нужен дополнительный источник энергии ударный механизм.

Прототипом изобретения является источник электрического тока, выполненный в виде каркасно-пленочной теплицы с центральной вытяжной башней высотой 200 м (ФРГ) (Экспресс-информация, ВНИИИС. Госстрой СССР. сер. 8, М. 1986, вып. 14, с.11-14).

В данной конструкции теплый воздух под пленочной теплицей устремляется к вытяжной башне. За счет разности температур нижнего нагретого и верхнего (200 м) холодного воздуха создается тяга. Сила тяги начинает вращать лопасти ветроэлектрогенератора, установленного у основания вытяжной трубы.

Недостатки такого устройства следующие.

1. Устройство ночью работает хуже, т.к. уменьшается разность температур нижнего и верхнего слоев воздуха.

2. Необходимость больших участков земли (около 250x250 м).

3. Наличие вращающихся частей у ветроэлектрогенератора.

4. Устройство высотной вытяжной башни (200 и более м).

5. Дороговизна всего устройства более 20 млн. нем. марок.

Техническая задача заключается в создании источника электрического тока, лишенного указанных недостатков, работающего и днем и ночью, занимающего мало места и без вращающихся деталей, относительно недорогого.

Указанная задача решается выполнением источника электрического тока в виде конструкции с пленочными покрытием, выполненной в виде жесткого каркаса из пластмассы с установленными на нем термочувствительными элементами из сплава с "эффектом памяти формы" (МПФ) или из сплава с "обратным эффектом памяти формы" (ЭОПФ), настроенным на различные температуры срабатывания (от -40 до 40^oC, с интервалом 0,5 1^oC), причем на каркасе закреплена пьезопленка, например, из поливинилиденфторида. Для увеличения съема тока пьезопленка может быть выполнена многослойной через электроизоляционную пленку, например полиэтилен.

В случае применение в качестве термочувствительного элемента сплава с ЭОПФ его длина напрямую зависит от окружающей температуры (а.с. N 962369, кл. D 05 B 85/02). При одной температуре элемент удлиняется, а при изменении температуры сокращается.

Электрический ток получают при срабатывании термочувствительных элементов с ЭПФ или ЭОПФ, при этом резко и сильно натягивается пьезопленка, рождая в ней ЭДС. Тип применяемой пленки поливинилиденфторид (ПВДФ) ( Лущейкин Г.А. Полимерные пьезоэлектрики. М. Химия, 1990, с.85-112). Съем тока осуществляется с помощью металлических контактов, напыленных на пьезопленку заранее.

На фиг. 1 4 представлен источник электрического тока, который может быть выполнен в различных модификациях: в виде призмы или цилиндра (фиг.1 и 3); различные варианты исполнения термочувствительного элемента (варианты А и Б) показаны на фиг.2 и 4.

Различные варианты термочувствительного элемента являются взаимозаменяемыми и могут быть установлены как на призме, так и на цилиндре.

Предлагаемый источник содержит пьезопленку 1, прикрепленную к каркасу 2 из твердой и жесткой пластмассы, термочувствительные элементы 3 из сплава с ЭПФ или ЭОПФ, также установленные на каркасе 2, элементы крепления 4 пьезопленки 1, шток 5 термочувствительного элемента, толкающий пьезопленку из ПВДФ. В случае исполнения термочувствительного элемента по варианту А спираль 6 сплава с ЭПФ и возвратная пружина 7 установлены в пластмассовом корпусе 8.

Для получения переменного тока конструкцию изобретения необходимо включить в цепь колебательного контура, состоящего из катушки индуктивности и конденсатора. Чтобы возникающие колебания не закорачивались, съем тока нужно производить через дроссельные катушки (Калашников С.Г. Электричество. М. Наука, 1964, с.530, рис. 443).

Для получения постоянного тока необходим выпрямитель, выполненный по мостовой схеме со сглаживающим фильтром из конденсатора с катушкой индуктивности.

По расчетам автора устройство в виде прямоугольной призмы размером 40x50 см и высотой 30 см с двумя слоями (на разных сторонах пьезопленки) или цилиндрическое Ф 35 см и высотой 40 см с одним слоем пленки сможет дать ток напряжением до 1000 В, мощностью 30-40 Вт.

Конструкция работает следующим образом.

В зависимости от изменения температуры наружного воздуха срабатывает один из термочувствительных элементов 3, выдвигая (вариант А) или удлиняя шток 5, что резко натягивает пьезопленку 1 из ПВДФ. Это создает на разных сторонах пьезопленки 1 поляризованные разноименные заряды, создающие ЭДС. Эти заряды снимают с помощью напыленных на пьезопленку 1 металлических контактов, создавая электрический ток. Для увеличения снимаемого тока пьезопленку 1 можно уложить в несколько слоев через электроизоляционный материал, например ПЭ пленка.

В варианте А термочувствительный элемент выполнен в виде механизма с толкателем из сплава с ЭПФ в виде спирали 6 с возвратной пружиной 7, а в варианте Б термочувствительный элемент выполнен в виде стержня (штока) 5 из ЭОПФ. (В обоих случаях шток 5 снабжен шаровым наконечником во избежание разрыва и прокола пьезопленки). Термочувствительный элемент из ЭОПФ обладает тем свойством, что он при одной температуре, например при 20^oC, удлиняется, а при изменении температуры, например при 25^oC, сокращается. Такое свойство ему придают в заводских условиях за счет состава и особой термообработки.

Технико-экономические преимущества предлагаемой конструкции состоят в следующем:
надежный источник тока, дающий энергию непрозрачно в течение 20 лет, что определяется долговечностью ПВДФ пленки;
возможность увеличения съема тока за счет многослойности пьезопленки;
возможность размещения как на открытом воздухе, так и внутри помещений с перепадами температур, например в холодных складах, ангарах, а также в частных дачах для аккумуляции электроэнергии зимой;
в случае соединения через зарядное устройство возможность питания аккумуляторов;
круглосуточная работа;
увеличение съема тока во время резких порывов ветра, что сильнее растягивает пьезопленку и соответственно увеличивает ЭДС.

Использование: в энергетике. Сущность изобретения: пленочная конструкция источника электрической энергии работает за счет изменения наружной температуры. Термочувствительные элементы из сплавов с эффектом памяти формы, настроенные на различные температуры, растягивают пьезопленку из поливинилиденфторида. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Источник электрического тока, содержащий каркас с закрепленным на нем пленочным покрытием, отличающийся тем, что он содержит термочувствительные элементы из сплава с эффектом памяти, формы или из сплава с обратимым эффектом памяти формы, настроенные на разные температуры срабатывания и установленные на жестком каркасе из пластмассы с возможностью механического воздействия на пленочное покрытие, выполненное из пьезоэлектрической пленки. 2. Источник по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлектрическая пленка выполнены из поливинилиденфторида. 3. Источник по п.1 или 2, отличающийся тем, что пьезоэлектрическая пленка выполнена многослойной.