СИСТЕМА И СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ Российский патент 2020 года по МПК H02N1/04 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Данное изобретение относится к генератору электрической энергии для преобразования механической энергии в электрическую энергию и способам генерации энергии.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Одним примером такой системы, посредством которой механическая энергия может быть преобразована в электрическую энергию, является трибоэлектрическая система генерации энергии. Трибоэлектрический эффект (также известный как трибоэлектризация) представляет собой контактную электризацию, при которой материал становится электрически заряженным после его контакта с другим материалом посредством трения. Трибоэлектрическая генерация основана на преобразовании механической энергии в электрическую с помощью способов, которые объединяют трибоэлектрический эффект с электростатической индукцией. Было предложено применить трибоэлектрическую генерацию для питания мобильных переносных устройств, таких как датчики и смартфоны, путем применения теряемой в противном случае механической энергии от таких источников, как ходьба, случайные движения тела, ветер, вибрация или океанские волны. В качестве примера можно обратиться к статье: Wang, Sihong, Long Lin Wang, «Triboelectric nanogenerators as self-power active sensors», Nano Energy 11 (2015): 436-462.

[0003] Трибоэлектрический эффект основан на ряде, в котором различные материалы распределены в соответствии с их тенденцией к получению электронов (становиться отрицательно заряженным) или отдавать электроны (становиться положительно заряженными). Эта последовательность, например, описана в статье A.F. Diaz и R.M.Felix-Navarro, «A semi-quantitative tribo-electric series for polymeric materials: the influence of chemical structure and properties, Journal of Electrostatics 62 (2004) 277-290. Лучшими сочетаниями материалов для создания статического электричества является комбинация из одного материала из списка материалов с положительнм зарядом и одного материала из списка материалов с отрицательным зарядом (например, политетрафторэтилена (ПТФЭ) и меди, или фторированного этилен-пропилена (ФЭП) и алюминия. Трение стекла о шерсть или расчески о волосы являются хорошо известными примерами трибоэлектричества.

[0004] В его простейшем виде в трибоэлектрическом генераторе, таким образом, используются два листа из различного материала, один в качестве донора электронов, другой в качестве акцептора электронов. Один или более материалов могут являться изоляторами. Другие возможные материалы могут включать в себя полупроводниковые материалы, например, кремний, содержащий слой естественного оксида. Когда материалы приводятся в контакт, происходит обмен электронами от одного материала к другому. Это является простым трибоэлектрическим эффектом. Если листы затем разделены, каждый лист несет электрический заряд (различной полярности), изолированы зазором между ними, то появляется электрический потенциал. Если электрическую нагрузку присоединить между электродами, наложенными/расположенными на задней стороне поверхностей двух материалов, любое дальнейшее смещение листов, как в сторону, так и перпендикулярно, приведет к прохождению тока между двумя электродами. Это является простым примером электростатической индукции. При увеличении расстояния между соответствующими центрами распределенного заряда двух пластин притягивающее электрическое поле между ними, направленное поперек зазора, ослабевает, что приводит к увеличению разности потенциалов между двумя внешними электродами, так как электрическое притяжение зарядов через нагрузку начинает превосходить электростатическую силу притяжения через зазор.

[0005] Таким образом, трибоэлектрические генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую энергию посредством соединения двух основных физических механизмов: контактной электризации (трибоэлектризации) и электростатической индукции.

[0006] Посредством циклического увеличения и уменьшения взаимного разделения между центрами заряда пластин, в ответ может индуцироваться ток, протекающий в прямом и обратном направлениях между пластинами, тем самым генерируя переменный ток на нагрузке. Таким образом, устройства с трибоэлектрическим генератором можно считать зарядовыми насосами.

[0007] Выходная мощность может быть увеличена путем применения структур микронного масштаба на полимерных листах. Структурирование увеличивает площадь контакта и тем самым увеличивает эффективность переноса зарядов.

[0008] Недавно была разработана передовая технология в области материалов для генерации мощности (сбора энергии) и преобразования мощности, в которой применяется данный эффект, что раскрыто в статье Wang, Z. L., "Triboelectric nanogenerators as new energy technology for self-powered systems and as active mechanical and chemical sensors.", ACS nano 7.11 (2013): 9533-9557. На основе этого эффекта были разработаны несколько конфигураций устройств для так называемых трибоэлектрических наногенераторов («ТЭНГ»).

[0009] После их первой публикации в 2012 году, плотность выходной мощности ТЭНГ была существенно увеличена. Объемная плотность мощности может достигать более чем 400 киловатт на кубический метр, и была продемонстрирована эффективность ~60% (в том же источнике). В дополнение к высоким значениям выходных показателей, технология ТЭНГ обладает многочисленными другими преимуществами, такими как низкая стоимость производства, высокая надежность и прочность, и низкое воздействие на окружающую среду.

[0010] ТЭНГ может использоваться как генератор электрической мощности, т.е. осуществлять сбор энергии из, например, вибрации, ветра, воды или случайных движений тела, или даже преобразование доступной механической мощности в электричество. Генерируемое напряжение является силовым сигналом.

[0011] ТЭНГ можно условно разделить на четыре основных класса по типу работы, в одном из которых работа происходит в так называемом режиме линейного скольжения, при котором заряженные пластины индуцируются, чтобы вращаться линейно относительно друг друга для изменения перекрываемой области между ними. Между платинами возникает разность потенциалов, которая имеет мгновенное значение, пропорциональное скорости изменения общей перекрываемой области. Посредством повторяемого перемещения пластин таким образом, чтобы они друг друга периодически перекрывали, можно получить переменный ток, проходящий через нагрузку, подключенную между пластинами.

[0012] Один конкретный разработанный вид ТЭНГ, работающих в режиме линейного скольжения, представляют собой ТЭНГ с вращающимся диском, которые могут работать как в контактном режиме (т.е. с непрерывной трибоэлектризацией и электростатической индукцией), так и бесконтактном режиме (т.е. только электростатическая индукция после первичной контактной электризации). ТЭНГ с вращающимся диском обычно состоят из по меньшей мере одного ротора и одного статора, каждый из которых сформирован в виде набора разделенных между собой круговых секторов (сегментов). Сектора перекрываются и затем разделяются когда два диска вращаются относительно друг друга. Как описано выше, ток может быть индуцирован между двумя скользящими в продольных плоскостях - противоположно заряженными - слоями, с величиной, пропорциональной скорости изменения области перекрытия. При перемещении каждого последующего отдельного сектора ротора, при котором он сначала перекрывает, а потом перестает перекрывать данный сектор статора, индуцируется ток между пластинами двух секторов, сначала в прямом направлении, когда пластины увеличивают перекрытие, а затем в противоположном направлении, когда пластины уменьшают перекрытие.

[0013] Ограничения ранних версий ТЭНГ с дисками сегментированной структуры (статья Long Lin et al., Segmentally Structured Disk Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Rotational Mechanical Energy, Nano Lett., 2013, 13 (6), pp 2916-2923) заключались в том, что вращающиеся и стационарные трибоэлектрические слои требуют нанесения металлических электродов и соединения с электрическими выводами, что приводит к затруднению в работе вращающейся части. Кроме того, плотный контакт необходим для достижения эффективной генерации электричества, что приводит к возможному износу материала, возникновению частиц при износе, нестабильной выдаче, и в целом ограниченному сроку службы ТЭНГ.

[0014] ТЭНГ с диском с обеими группами структурированных электродов, прикрепленных на стационарный диск, вместе с отдельным трибоэлектрическим слоем на вращающемся диске, может решить эти проблемы, что раскрыто в статье Long Lin et al., Noncontact Free-Rotating Disk Triboelectric Nanogenerator as a Sustainable Energy Harvester and Self-Powered Mechanical Sensor. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6 (4), pp 3031-3038.

[0015] При такой структуре нет необходимости в нанесении электрода или электрическом соединении для вращающейся части, что существенно улучшает рабочие характеристики блока сбора энергии.

[0016] ТЭНГ с вращающимся диском, и, на самом деле, ТЭНГ в режиме линейного скольжения, в общем, могут работать как в контактном режиме, так и в бесконтактном режиме. Хотя контакт и желателен для трибоэлектризации пластин (как изначально, так и в последствии, для предотвращения утечек), сам процесс электростатической индукции (с помощью которого электрическая энергия и генерируется) не требует контакта между пластин, и хорошо работает при небольшом разделении пластин (например, на примерно 0,5 мм).

[0017] Работа в контактном режиме - при котором пластины поддерживаются в постоянном контакте с трением - дает в результате большую выходную мощность, поскольку пластины непрерывно заряжаются, и, следовательно, постоянно поддерживается одна и та же теоретическая максимальная зарядная емкость (определяемая емкостью системы из двух пластин) посредством непрерывной замены потерь заряда, связанных с утечками и т.п. Чем больше заряд, который может поддерживаться на пластинах, тем больший электростатический индуктивный выход может быть сгенерирован, так как естественным образом более высокая плотность заряда индуцирует большую электростатическую силу между электронами в пластинах.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0018] Осуществление работы трибогенератора в контактном режиме влечет за собой различные трудности, в том числе излишнюю шумопроизводительность и износ материалов устройства за счет поверхностного истирания.

[0019] Таким образом, изобретатели осознали, что, в идеале, генератор должен работать в контактном режиме только периодически, для того чтобы восполнить заряд на пластинах в случае необходимости, а остальное время работать в бесконтактном режиме, при котором электрическая энергия может генерироваться посредством электростатической индукции.

[0020] При реализации такого двухрежимного принципа работы механизмы для управления переходом между контактным и бесконтактным режимами и для точного управления высотой зазора между пластинами являются двумя ключевыми проблемами. Более того, точное управление высотой зазора является важной проблемой не только для трибоэлектрических генераторов, а для всего разнообразия индукционных генераторов, например, поскольку разделяющее расстояние в процессе электростатической индукции, оказывает значительное влияние на генерируемое напряжение и выходную мощность. Способность аккуратно управлять разделяющим расстоянием между пластинами индукционного генератора, является существенным преимуществом, даже в случаях, когда не подразумевается их использование при двухрежимной эксплуатации.

[0021] В качестве иллюстрации, фигура 1 изображает график, отображающий измеренное отношение между разделением пластин в мм (x-ось 10) и пиковой выходной мощностью в мВт (y-ось 12) для примерного ТЭНГ с вращающейся пластиной, содержащего ПТФЭ ротор. Как обсуждалось выше, выходная мощность является наибольшей, когда пластины контактируют (т.е. при нулевом разделении пластин), достигая пиковой выходной мощности для примерного ротора, измеренной для фигуры 1, равной примерно 0,5 мВт. При увеличении разделения, пиковая выходная мощность крайне быстро уменьшается, при разделении всего порядка 0,5 мм претерпевает уменьшение порядка 80% по выходной мощности, при этом пиковая выходная мощность падает до всего 0,1 мВт. Для конкретного типа устройства ТЭНГ с вращающимся диском при разделении в 2 мм выходная мощность упала практически до нуля.

[0022] Аналогично, фигура 2 изображает отношение, для того же примерного ТЭНГ, между разделением пластин, в мм (x-ось 16) и амплитуды пик-пик выходного напряжения в В (y-ось 18). Опять же, резкое уменьшение наблюдается в ответ на увеличение разделения пластин, с зазором в 0,5 мм приводит к уменьшению амплитуды пик-пик напряжения на, примерно, 75% (от ~140В до ~35В).

[0023] Эта сильная взаимосвязь между разделяющим расстоянием пластин и пиковой выходной мощностью характерна не только для примерных ТЭНГ генераторов, представленных на графиках с фигур 1 и 2, но и также для всего разнообразия электрических генераторов, которые генерирую мощность согласно аналогичным принципам электростатической индукции. Следовательно, желательно иметь возможность управлять расстоянием зазора пластины с высокой степенью точности, не только для того чтобы стабильно администрировать переходы между контактным и бесконтактным режимами ТЭНГ на двухрежимном принципе работы, но также чтобы эффективно администрировать, управлять и регулировать выходную мощность и/или выходное напряжение индукционных генераторов, включительно ТЭНГ, в общем.

[0024] Кроме того, желательно, для легкого внедрения таких генераторов в маленькие электронные устройства потребителей, чтобы механизмы для управления разделением пластин были настолько компактными, эффективными и простыми, насколько это возможно - в идеале не требовали тяжелых или сложных мехатронных приводных элементов.

[0025] Следовательно, существует потребность в системах электрических генераторов, содержащих элементы, заряжающиеся за счет взаимного вращения, для генерации электрической мощности, которые дополнительно содержат простые, компактные и эффективные приводные механизмы для точного управления разделяющим расстоянием между указанными взаимно вращающимися элементами, которые также осуществляют это без добавления существенного размера, веса или сложности к работе устройства.

[0026] Изобретение нацелено на предоставление путей решения описанной выше проблемы с помощью устройства и способа в соответствии с независимыми пунктами формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения предоставляют преимущественные варианты осуществления вариаций.

[0027] Таким образом, в соответствии с изобретением, предоставляется система, содержащая:

- генератор электрической мощности для генерации электрической мощности, причем генератор мощности содержит:

- первый элемент и второй элемент, причем по меньшей мере один из них сконфигурирован содержать электрический заряд, причем первый и второй элементы дополнительно сконфигурированы способными вращаться относительно друг друга для генерации посредством этого электрической мощности, когда по меньшей мере один из первого и второго элементов содержит электрический заряд,

причем система дополнительно содержит:

- механизм, сконфигурированный для управления расстоянием между первым элементом и вторым элементом таким образом, чтобы расстояние управлялось в зависимости от относительной скорости вращения между первым элементом и вторым элементом.

[0028] Таким образом, варианты осуществления изобретения предоставляют генератор с пластинами, заряжающимися за счет взаимного вращения, имеющий связанный с ним приводной механизм для точного управления разделением пластин. Управление расстоянием между элементами может содержать индуктирование или генерирование разделения между элементами, поддержание заданного разделения между элементами и/или изменение величины разделения между элементами. Расстояние между первым и вторым элементами, управляемое механизмом, является разделяющим расстоянием вдоль направления, параллельного оси взаимного вращения элементов. В случаях, , например, когда элементы содержат плоские вращающиеся элементы, имеющие плоские поверхности, направленные друг на друга, управляемое расстояние является расстоянием вдоль направления, параллельного направлению нормали к одной или обеим поверхностям.

[0029] Элементы могут, в соответствии с некоторыми примерами, содержать круглые дисковые элементы, например, такие как круглые дисковые пластины трибоэлектрического генератора с вращающимся диском, или круглые дисковые пластины нетрибоэлектрического индукционного генератора, или круглые дисковые пластины неиндукционного генератора. В соответствии с другими примерами, однако, элементы могут содержать пластины генераторов различной формы, или могут не содержать плоские элементы в форме пластин вообще, а обозначения «диски» или «пластины» в последующих описаниях относительно элементов генератора не следует понимать ограничивающими относительно этих или любых других вариантов осуществления.

[0030] Поскольку разделяющее расстояние управляется в зависимости от относительной скорости вращения элементов, варианты осуществления предоставляют простой встроенный механизм для управления и регулирования разделения пластин, причем скорость пластин сама по себе обеспечивает параметр управления для изменения высоты зазора между вращающимися элементами.

[0031] В соответствии с некоторыми примерами могут быть предоставлены вращающиеся элементы, которые сами обладают встроенными особенностями или свойствами, которые естественным образом генерируют разделяющую силу, такую как подъемную силу, между элементами в ответ на вращение. Таким образом, вращение элементов может само естественным образом обеспечить подшипник (неразъемного или гидравлический), с помощью которого элементы могут поддерживаться в разделенном состоянии. Более того, упомянутый подшипник обеспечивает разделение между элементами с величиной, пропорциональной скорости вращения элементов, тем самым обеспечивая простой и встроенный механизм для точного управления степенью разделения элементов.

[0032] Кроме того, некоторые варианты осуществления изобретения могут сделать возможным генератор, который, по меньшей мере, частично является саморегулирующимся относительно администрирования разделяющего расстояния между взаимно вращающимися элементами (расстояния, разделяющего ротор и статор). Это становится возможным на основании того факта, что разделяющее расстояние между элементами управляется в зависимости от встроенного рабочего параметра самого генератора (т.е. относительной скорости вращения). В зависимости от того, как скорость вращения генератора сама управляется и регулируется, саморегулирование разделяющего расстояния может функционировать в соответствии с любым числом возможных схем.

[0033] В качестве всего одного неограничивающего примера, скорость вращения пластин может, например, управляться таким образом, чтобы быть пропорциональной выходному напряжению генератора. В этом конкретном случае, когда выходное напряжение начнет уменьшаться, разделяющее расстояние пластин должно сужаться, а когда выходное напряжение начнет увеличиваться, разделяющее расстояние пластин должно расширяться. Данная схема саморегулирования может являться преимущественной, например, при управлении фазами с зарядкой и отсутствием зарядки двухрежимного ТЭНГ, относящегося к типу, описанному выше.

[0034] Хотя варианты осуществления и позволяют генератору работать в режиме с саморегулированием, это не является существенным. Варианты осуществления изобретения могут, например, предоставлять генератор, который регулируется вручную в отношении разделения элементов, посредством ручного управления скоростью относительного вращения элементов друг относительно друга.

[0035] Приводной механизм может в некоторых случаях быть интегрированным в структуру самой пластины (т.е. элемента), обеспечивая точное управление разделяющим расстоянием пластин без необходимости внешней мехатронике задействовать движение пластин, тем самым избегая дополнительного объема, удорожания и сложности работы, которым обычно могут подвергаться такие системы и элементы.

[0036] Например, в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления, плоская поверхность по меньшей мере одного из первого элемента и второго элемента может содержать канавки для генерации гидродинамической силы между первым элементом и вторым элементом в ответ на относительную скорость вращения. Структура, сформированная канавками, обладает такими свойствами, что при вращении элементов относительно друг друга внутри текучей среды генерируется насосное действие в текучей среде, так что элементы отталкиваются друг от друга с величиной силы, зависящей от относительной скорости вращения. Если элементы, например, подвержены действию какой-либо малой предварительной нагрузки с силой, толкающей элементы друг к другу, то увеличение скорости вращения приведет в пропорциональному (или соответствующему другой зависимости) увеличению разделения между элементами. Последующее замедление элементов приведет в результате к сужению пространства между пластинами.

[0037] Канавки могут быть, например, загнуты внутрь в сторону центра вращения первого и второго элементов, например, в форме спиральной структуры. С помощью таких вариантов осуществления, таким образом, предоставляется генератор, содержащий интегрированный опорный подшипник со спиралевидными канавками (ПСК): самоподдерживающий подшипник, собственное вращение которого создает гидродинамическое давление (подъем), необходимое для поддержания пластин генератора в разделенном состоянии.

[0038] Канавки могут иметь площадь поперечного сечения, которая увеличивается как функция от радиального расстояния при измерении от центра вращения. Внутренний изгиб канавок означает, что при вращении примерный газ вгоняется внутрь, что приводит к последовательному увеличению гидродинамического давления. Это давление генерирует силу, действующую на поверхность противоположной пластины, тем самым обеспечивая подъемную силу между двумя пластинами.

[0039] В соответствии с одним или более альтернативными вариантами осуществления, первый элемент или второй элемент могут содержать две или более радиально проходящих канавок, каждая из которых имеет глубину, которая уменьшается как функция от радиального расстояния при измерении от центра вращения между первым и вторым элементами. В этих вариантах осуществления может быть дополнительно предоставлен по меньшей мере один радиально подвижный элемент массы, расположенный внутри каждой радиально проходящей канавки.

[0040] При вращении пластины радиально подвижные элементы массы будут в ответ выталкиваться радиально из-за воздействия на них системы центробежной силы. Так как канавки имеют глубину, которая сужается в направлении крайних точек, элементы массы будут действовать так, чтобы отталкивать пластины друг от друга, когда они перемещаются в направлении от них. Более того, так как канавки постепенно сужаются в направлении от центра пластины к ее краю, большая скорость вращения приведет к большей степени разделения пластин, так как элементы массы выталкиваются еще дальше увеличивающейся центробежной силой.

[0041] Такая компоновка, таким образом, предоставляет центробежный регулятор массы, интегрированный внутрь структуры элементов, который действует, чтобы идуцировать разделение между элементами на величину, пропорциональную скорости вращения.

[0042] В соответствии с любым из описанных выше вариантов осуществления предоставленные канавки могут, по меньшей мере, частично разграничить части трибоэлектрически активного материала плоской поверхности соответствующего элемента. Как обсуждалось выше, трибоэлектрические генераторы с вращающимся диском генерируют мощность посредством последовательного пересечения с последующим разделением отделенных областей трибоэлектрического материала. В соответствии с некоторыми примерами данного изобретения канавки могут быть использованы для обеспечения естественного разделения между соседними частями областей трибоэлектрически активного материала.

[0043] В некоторых примерах изобретения плоская поверхность по меньшей мере одного из первого элемента и второго элемента может содержать первую и вторую кольцевые области, где первая кольцевая область содержит структуру канавок, а вторая кольцевая область содержит множество областей трибоэлектрически активной поверхности. В соответствии с этими примерами, элемент(ы) предоставляет(ют) пластину, подходящую для использования внутри трибоэлектрического генератора, и при этом структура канавок предоставлена на отдельной области пластины, используемой для генерации энергии. Например, разделенные (отдельные) сектора трибоэлектрического материала могут быть сформированы вокруг внешнего кольца элемента в форме диска, например, в то время как центральная область указанного диска предназначена для канавок (и, в некоторых случаях, для элементов массы) для генерирования подъема.

[0044] В соответствии с другим рядом вариантов осуществления изобретения по меньшей мере один из элементов содержит радиально разъединенные элементы лопастей ротора. В частности, лопасти ротора могут содержать, например, лопасти воздушного винта или крыловидные лопасти (аэродинамического профиля). В этих случаях подъем создается в ответ на вращение за счет разности давлений, возникающей между верхней и нижней поверхностями лопастей аэродинамического профиля. Лопасти могут в некоторых примерах, например, содержать один или более слои трибоэлектрического материала, таким образом, чтобы вращение лопасти относительно противоположного дискового элемента, также содержащего области трибоэлектрического материала - расположенные в соответствии с расположением лопастей ротора - производило известный электростатический эффект стандартных ТЭНГ с вращающимся диском.

[0045] В соответствии с дополнительным аспектом изобретения предоставляется способ, содержащий:

предоставление генератора электрической мощности для генерации электрической мощности, причем генератор мощности содержит:

- первый элемент и второй элемент, причем по меньшей мере один из них содержит электрический заряд, причем первый и второй элементы дополнительно сконфигурированы способными вращаться относительно друг друга для генерации посредством этого электрической мощности, когда по меньшей мере один из первого и второго элементов содержит электрический заряд,

- вращение первого и второго элемента относительно друг друга; и

- управление расстоянием между первым элементом и вторым элементом путем управления относительной скоростью вращения первого элемента относительно второго.

[0046] Как объяснено выше, внутренняя зависимость разделяющего расстояния от скорости вращения, при которой первое управляется за счет изменения последней, делает возможным частично саморегулируемый режим работы генератора относительно упомянутого разделяющего расстояния, причем «внутренние» параметры генератора сами обеспечивают основу для схемы регулирования.

[0047] В соответствии с всего одним примерным вариантом реализации этого, вращение первого элемента и второго элемента содержит вращение с относительной скоростью вращения, которая является функцией от выходного напряжения генератора электрической мощности. Такой способ может являться преимущественным, например, при управлении фазами зарядки и отсутствия зарядки двухрежимного ТЭНГ, относящегося к типу, описанному в предыдущем разделе.

[0048] Варианты осуществления изобретения также позволяют осуществлять «ручное» регулирование разделением элементов посредством ручного регулирования относительной скорости вращения между элементами. Относительно, опять же, конкретного примера трибоэлектрических генераторов с вращающимся диском, ручное управление скоростью вращения может быть также преимущественно применено при управлении уровнем заряда одной или обеих пластин.

[0049] В соответствии с некоторыми примерами, например, относительная скорость вращения может управляться таким образом, чтобы периодически переключать первый и второй элемент между фазой зарядки, при которой элементы взаимно контактируют, и фазой генерации мощности, при которой элементы не имеют взаимного контакта. Таким образом, здесь два относительно устойчивых режимов работы могут чередоваться между собой, с помощью интегрированного приводного механизма, применяемого для переключения между этими режимами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0050] Примеры по изобретению будут далее подробно раскрыты со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

Фигура 1 изображает график, отображающий отношение между пиковой выходной мощностью и разделением пластин для примерного трибоэлектрического генератора с вращающимся диском;

Фигура 2 изображает график, отображающий отношение между выходным напряжением пик-пик и разделением пластин для примерного трибоэлектрического генератора с вращающимся диском;

Фигура 3 изображает первую примерную структуру канавок для опорного подшипника со спиралевидными канавками;

Фигура 4 изображает вторую примерную структуру канавок для опорного подшипника со спиралевидными канавками;

Фигура 5 изображает третью примерную структуру канавок для опорного подшипника со спиралеобразными канавками;

Фигура 6 изображает первый пример вращающегося дискового элемента, содержащего структуру со спиралевидными канавками;

Фигура 7 изображает график, отображающий нагрузочную способность подшипника как функцию от разделения пластин, при различных скоростях вращения, первого примерного подшипника со спиралеобразными канавками;

Фигура 8 изображает график, отображающий нагрузочную способность подшипника как функцию от разделения пластин, при различных скоростях вращения, второго примерного подшипника со спиралеобразными канавками;

Фигура 9 изображает второй пример вращающегося дискового элемента, содержащего структуру со спиралеобразными канавками;

Фигура 10 изображает третий пример вращающегося дискового элемента, содержащего структуру со спиралеобразными канавками;

Фигура 11 изображает третий пример вращающегося дискового элемента, содержащего структуру со спиралеобразными канавками;

Фигура 12 изображает четвертый пример вращающегося дискового элемента, содержащего структуру со спиралеобразными канавками;

Фигура 13 изображает пример вращающегося дискового элемента, содержащего радиально разнесенные лопасти ротора;

Фигура 14 изображает пример лопасти ротора аэродинамического профиля, которая может содержаться во вращающихся дисках генератора;

Фигуры 15а и 15b изображают пример генератора с вращающимся диском, имеющего интегрированный подшипник центробежного регулятора, для управления разделением ротора и статора.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0051] Изобретение предоставляет систему генерации энергии, содержащую генератор, имеющий взаимно заряжаемые, взаимно вращающиеся элементы пластин, и содержащую интегрированный приводной механизм для точного управления разделяющим расстоянием между пластинами. Приводной механизм обеспечивает разделение, которое изменяется как функция от скорости вращения, таким образом объединяя управление разделением с естественным режимом работы устройства. Варианты осуществления предоставляют пластины, содержащие самогенерирующиеся подшипники, как гидродинамические гидравлические подшипники (с жидкостью или газом), так и неразъемные подшипники центробежного регулятора, причем подшипники обеспечивают опорную силу между пластинами с величиной, которая увеличивается с увеличением скорости вращения пластин. Варианты осуществления делают возможными для саморегулирующихся ТЭНГ управление разделением ротора и статора и уровнем заряда пластин, причем скорость возбуждения вращения пластин связана с выходным напряжением генератора. Также предоставлены способы трибоэлектрической генерации.

[0052] Как объяснено ранее, изобретение относится в широком смысле к любой системе, содержащей генератор электрической мощности, который работает за счет взаимного вращения двух или более взаимно заряжаемых элементов, причем элементы требуют или получают преимущество от переменного относительного разделения. Одним конкретным классом генераторов, к которому изобретение может быть преимущественно применено, являются трибоэлектрические генераторы, в частности, трибоэлектрические генераторы с вращающимся диском, которые описаны выше, могут получать преимущества от точно настраиваемого зазора между ротором и статором, как для эффективного управления мощностью генератора, так и/или для выходного напряжения и (в некоторых, но не во всех случаях) для эффективного и стабильного осуществления переключений между контактным и бесконтактным режимами работы. В качестве иллюстрации концепта изобретения различные варианты осуществления освещены ниже, в которых, в частности, описаны подробные примеры реализации изобретения внутри ТЭНГ устройств и систем. В каждом случае, однако, применение в ТЭНГ генераторах и системах следует понимать как исключительно примерное, и не ограничивающее общий объем изобретения, так как существует множество других преимущественных применений. В качестве примера только одного класса, в индуктивных генераторах, которые генерируют мощность посредством электростатической индукции, но не работают посредством трибоэлектризации взаимно вращающихся пластин, могут использоваться варианты осуществления изобретения для эффективного управления выходной мощностью и выходным напряжением, например. Изобретение может быть также применено к другим примерам генераторов, в частности, к любым генераторам, которые работают за счет взаимно вращающихся или взаимно заряженных элементов.

[0053] В соответствии с первой простой группой вариантов осуществления, вращающиеся элементы сами собой могут быть предоставлены с встроенными особенностями или свойствами, которые естественным образом генерируют разделяющую силу, такую как подъемную силу, между элементами в ответ на вращение. Таким образом, предоставляется приводной механизм, который интегрирован в структуру самих вращающихся пластин, причем их вращение естественным образом обеспечивает наличие подшипника (неразъемного или гидравлического), посредством которого элементы могут поддерживаться в разделенном состоянии.

[0054] В частности, существуют различные возможные примеры так называемых самогенерирующихся опорных подшипников, которые обеспечивают поддержку подшипника с относительно низким трением между взаимно вращающимися нагрузками. Вращение самого подшипника генерирует требуемую поддерживающую силу для удержания пластин разделенными, и степень разделения может точно управляться, посредством управления скоростью вращения подшипника.

[0055] В качестве примера может быть предоставлен в одном или более вариантах осуществления данного изобретения генератор с вращающимся диском, такой как ТЭНГ с вращающимся диском, имеющий вращающиеся дисковые элементы, один или более из которых содержит структуру изогнутых чередующихся канавок с целью генерирования перпендикулярного гидродинамического подъема в ответ на вращение. В этих примерах, таким образом, предоставляется ТЭНГ или другой генератор, имеющий встроенный в один или несколько дисковых элементов так называемый опорный подшипник со спиралеобразными канавками (ПСК).

[0056] Опорные подшипники со спиралеобразными канавками являются самодействующими, «бесконтактными» гидравлическими подшипниками, собственное вращение которых (в смазывающей текучей среде) создает давление, необходимое для поддержки пластин генератора в разделенном состоянии. Подшипники генерируют требуемое давление для поддержания поверхностей пластин разделенными посредством так называемого «заклинивающего и насосного» действия: спиральная структура является такой, что, когда части подшипников вращаются относительно друг друга, спиральная структура из канавок и гребней толкает смазывающую текучую среду к центру структурированной поверхности подшипника, вызывая общий подъем давления. Этот подъем давления при достаточных скоростях вращения прилагает силу к противоположной поверхности подшипника, отталкивая две поверхности друг от друга.

[0057] В таких системах подшипника поверхности подшипника создают контакт в начале и конце вращения, но при вращении между поверхностями существует зазор, причем размер зазора зависит от конструкции подшипника, скорости вращения, вязкости текучей среды и нагрузки на подшипник. Начиная с контакта, вращение вызывает гидродинамический подъем за счет воздуха или другой текучей среды, применяемой в качестве несущей среды. Зазор, индуцируемый между пластинами, может быть очень маленьким, таким, что электростатическая связь между электродами на противоположных пластинах достаточно большая для производства значительной выходной мощности в время (бесконтактного) режима работы устройства.

[0058] Величина генерируемой гидродинамической силы зависит от скорости вращения там, что более быстрое вращение пластин индуцирует большую по величине силу. Пластины могут подвергаться воздействию некоторой (малой) внутренней предварительно нагружаемой силы (или смещению), например, таким образом, что увеличение и уменьшение скорости пластины и, следовательно, подъемной силы, приводит к стабильному увеличению и уменьшению разделения пластин. В этом случае движение пластин генератора само непосредственно возбуждает настройку разделения пластин в прямом и в обратном направлении .

[0059] Такие бесконтактные воздушные подшипники делают возможным очень точное управление высотой зазора между ротором и статором и, следовательно, могут использоваться для обеспечения точного регулирования выходного напряжения генератора, избегая каких-либо больших отклонений на выходе, например. Кроме того, этот тип подшипника существенно уменьшает силы поверхностного трения, что также существенно уменьшает производство потенциального шума, тем самым делая возможным использование ТЭНГ с вращающимся диском, например, внутри продукции или применений без требований специальных систем защиты от шума или архитектуры. Более того, «самодействующая» природа подшипника (в котором гидродинамическое давление генерируется посредством вращения самого подшипника) означает, что преимущества бесконтактного гидравлического подшипника могут быть обеспечены без использования более традиционных решений со сжатым газом или текучей средой, что привело бы к дополнительному объему за счет элементов насоса/ вакуума и т.д.

[0060] Хотя такие подшипники обычно называются подшипниками «со спиралеобразными канавками», фактически существует большое разнообразие возможных специфических структур, которые могут использоваться для генерирования гидродинамического эффекта, включая, но не ограничиваясь этим, структуры канавок в форме «елочки» и «V-образные».

[0061] Малая выборка таких структур изображена, в качестве иллюстрации, на фигурах 3-6. Фигура 3 изображает пример стандартной спиральной структуры, которая может быть реализована в генераторе для осуществления самодействующей функции гидравлического подшипника, где ось x (22) и ось y (24) представляют размеры по ширине и по длине структуры (в мм). В этом примере (фигура 3) структура изображена в применении к круглому дисковому элементу, такому как дисковый элемент, который может содержаться, например, в ТЭНГ с вращающимся диском. Канавки загнуты внутрь в направлении центрального отверстия диска, через которое текучая среда отводится или выталкивается в начале или конце процесса «насасывания». Канавки сужаются при их изгибе внутрь в направлении центра. При вращении (в направлении по часовой стрелке на фигуре 3), текучая среда заталкивается внутрь вдоль канавок со стороны более широких внешних областей к более узким внутренним областям, что приводит к последующему подъему гидродинамического давления. Это давление прикладывает силу к поверхности противоположной пластины, тем самым обеспечивая подъемную силу между двумя пластинами.

[0062] Небольшая вариация этой структуры изображена на фигуре 4 (где снова ось x (22) и ось y (24) представляют размеры по ширине и по длине структуры в мм), причем структура содержит компоновку «елочкой», с внешней областью несущего диска, содержащей круговую структуру чередующихся канавок в форме «V», каждая из которых имеет хвост, который далее закручивается внутрь в направлении центра диска. Опять же канавки сужаются, приближаясь к более центральным областям диска. В соответствии с такой конструкцией вторичное кольцо из «точек сходимости» обеспечивается вершинами V-образных форм, где при вращении (в направлении против часовой стрелки) клин из текучей среды образуется из обоих хвостов V, что приводит к увеличению давления в точке сходимости и последующей перпендикулярной подъемной силы.

[0063] Фигура 5 изображает альтернативную компоновку структуры, в которой кольцевая последовательность V-образных форм 34 сформирована вокруг внешнего кольца дискового элемента 32. Аналогично с V-образными формами «елочки» из примера с фигуры 4, вращение диска (в направлении по часовой стрелке) индуцирует скопление текучей среды в вершинах V-образных форм, так как воздух нагнетается от обоих «хвостов» в центральную точку пересечения. Это вызывает создание давления, которое прилагается перпендикулярно к поверхности диска, создавая силу, посредством которой два противоположных дисковых элемента могут удерживаться на расстоянии друг от друга.

[0064] На фигуре 6 изображен набросок возможной реализации примерной структуры со спиралеобразными канавками на вращающемся диске 32 трибоэлектрического генератора. Спираль из чередующихся канавок 35 сформирована на плоской поверхности диска 32, охватывая структуру из перемежающихся областей первого 36 и второго 38 материалов. В соответствии с некоторыми примерами перемежающиеся области первого 36 и второго 38 материалов могут содержать перемежающиеся области трибоэлектрически активного и трибоэлектрически неактивного материалов. В соответствии с другими примерами первая и вторая области могут обе содержать трибоэлектрически активные материалы, чтобы формировать структуру, например, электрически изолированных металлических электродов. Металлические электроды могут каждый содержать одинаковый трибоэлектрически активный материал, например, или области 36 и 38 могут содержать различные трибоэлектрически активные материалы. Канавки могут быть сформированы на дисковом элементе ротора трибоэлектрического генератора или на дисковом элементе статора.

[0065] В виде неограничивающего примера, структура канавок (в соответствии с любым примерным вариантом осуществления) может быть сформирована на поверхности дискового элемента посредством отпечатывания (например, с помощью обработки лазером или травления) в металлизированном акриловом слое. Это может быть осуществлено заодно с отпечатыванием вращающихся секторов 36, 38, например. Как альтернатива, канавки могут быть предварительно отформованы в акриловом полимере до металлизации. Альтернативные способы формирования структур могут также использоваться, как будет понятно специалисту в данной области техники.

[0066] Нагрузочная способность опорных подшипников зависит от различных свойств самих канавок, размера и шага спирали, также как и от свойств текучей среды (например, вязкости)несущей среды. На фигурах 7 и 8 изображены графики, изображающие нагрузочную способность 42 (в мН) как функцию от разделения 44 (в мкм) пластин, при разнообразии скоростей вращения для двух примерных спиральных структур подшипников с фигур 3 и 4 соответственно. Для обоих примеров были обеспечены подшипники на диски, имеющие внутренний радиус 2,5 мм и внешний радиус 20 мм.

[0067] Фигура 7 изображает несущую способность 42 (в мН) как функцию от разделения 44 (в мкм), для пластин, содержащих спиральную структуру подшипника с фигуры 3, работающую в воздухе, имеющем динамическую вязкость 18,3 мкПа⋅с. Конкретный испытываемый подшипник содержал структуру из 30 канавок, каждая их которых имела глубину 15 мкм, и угол канавки α, равный ±15°, и отношение ширины гребня к ширине канавки, равное 1.

[0068] На фигуре 7 шесть кривых 46-56 отображают нагрузочные способности пластин в соответствии с постепенно увеличивающейся скоростью вращения пластин. Кривая 46 соответствует угловой частоте 500 об/мин, кривая 48 частоте 1000 об/мин, кривая 50 частоте 1500 об/мин, кривая 52 частоте 2000 об/мин, кривая 54 2500 об/мин и кривая 56 частоте 3000 об/мин. При 3000 об/мин и нагрузке 375 мН может ожидаться разделение ротора и статора (т.е. аэродинамический подъем) на 20 мкм. При такой же нагрузке при 500 об/мин может ожидаться разделение на 12 мкм.

[0069] Фигура 8 изображает нагрузочную способность 42 (в мН) как функцию от разделения 44 (в мкм) пластин, для пластин, содержащих спиральную структуру «елочкой» подшипника с фигуры 4, работающую в воздухе, имеющем, снова, динамическую вязкость 18,3 мкПа⋅с. Данный испытываемый подшипник содержал структуру из 30 канавок, каждая их которых имела глубину 15 мкм, и угол канавки α, равный ±15°, и отношение ширины гребня к ширине канавки, равное 1. Кольцевая компоновка верхушек «елочек» V-образных канавок имеет радиус 14,25 мм.

[0070] На Фигуре 8 шесть кривых 62-72 соответствуют той же зависимости от скоростей вращения пластин, что и кривые 46-56 с предыдущего графика. В частности, кривая 62 соответствует угловой частоте 500 об/мин, кривая 64 частоте 1000 об/мин, кривая 66 частоте 1500 об/мин, кривая 68 частоте 2000 об/мин, кривая 70 2500 об/мин и кривая 72 частоте 3000 об/мин. По сравнению со спиральной структурой подшипника с фигуры 3, нагрузочная способность подшипника в форме «елочки» примерно наполовину больше, для заданного разделяющего расстояния и скорости вращения. Для получения при скорости вращения 3000 об/мин аэродинамического подъема 44 на 20 мкм, нагрузка не должна превышать примерно 180 мН.

[0071] В соответствии с некоторыми примерами канавки, формирующие опорный подшипник со спиралеобразными канавками, может дополнительно использоваться для обеспечения разграничения между соседними трибоэлектрическими сегментами на поверхности дисковых элементов, которые будут реализованы в трибоэлектрических генераторах (фигура 9). Как обсуждалось выше, ТЭНГ с вращающимся диском работает посредством последовательной трибоэликтризации, перекрытия и последующего разделения отделенных областей трибоэлектрического материала (сегментов), сформированных на поверхности противоположных дисков. Следовательно, в некоторых примерах канавки, способствующие действию гидродинамического насоса подшипника (их первичная функция) могут быть преимущественно использованы для вторичной функции для предоставления естественного разделения между смежными участками поверхности трибоэлектрического материала (изолирующие канавки структуры матрицы электродов). В этих случаях в отличие от примера с фигуры 6, канавки эффективно интегрируются в трибоэлектрическую структуру самого диска ТЭНГ. Приводной механизм для облегчения управления разделением пластин и требуемая конфигурация электродов (матрица сигнальных электродов) для генерации трибоэлектрической энергии, таким образом, собираются вместе внутри одной простой структуры дискового элемента.

[0072] Фигура 9 изображает один пример дискового элемента 32 ТЭНГ, в котором спиральные канавки или канавки в форме «елочки» формируют изолирующие линии (или борозды) 76, тем самым разделяют диск на структуру набора из двух перемежающихся электродных участков: первый (непрерывный) участок 78 трибоэлектрического материала, имеющий набор последовательно отделенных изолированных участков 80 трибоэлектрического материала. Изолированные области действуют так же как изоляционные линии между перемежающимися круговыми сегментами более типичных конструкций ТЭНГ с вращающимся диском - таких, как изображенная на фигуре 6.

[0073] Фигура 10 показывает второй пример дискового элемента 32, содержащего спиральные канавки 86, которые осуществляют вторичную роль как часть механизма генерации электричества диска. В данном случае структура 84 «елочкой» сама формирует один из двух переменных электродов, а второй электрод формируется путем разделения областей 86. В данном случае канавки структуры 84 не только изолируют различные области электродов, но и также сами содержат одну или из ряда областей.

[0074] В соответствии с альтернативными примерами (фигуры 11 и 12) подшипник со спиралеобразными канавками предоставляется в области дискового элемента ТЭНГ, отдельной от трибоэлектрически активных частей электродов: электрические элементы и элементы возбуждения разделения пластин преднамеренно отделены друг от друга.

[0075] Фигура 11 изображает один пример такой компоновки. В соответствии с этим примером, дисковый элемент 32 содержит внешнюю кольцевую область 92 и внутреннюю область 94. Скомпонованный по кругу набор загнутых внутрь канавок 96 сформирован вокруг внешней кольцевой области 92, которая заканчивается на внешней границе внутренней области 94. Внутренняя область содержит чередующуюся структуру областей из первого 98 и второго 100 материалов. В соответствии с некоторыми примерами дисковый элемент 32 может содержать роторный элемент ТЭНГ с вращающимся диском, в случае чего структура областей из первого и второго материала может содержать структуру из отделенных трибоэлектрически активных круговых секторов 98, разделенных буферными областями 100. В соответствии с другими примерами дисковый элемент 32 может содержать статорный дисковый элемент ТЭНГ с вращающимся диском, в случае чего области чередующихся материалов могут содержать просто скомпонованную по кругу структуру из (например, электрически изолированных) трибоэлектрически активных электродов. В некоторых случаях области 98 и 100 материалов могут содержать одинаковый трибоэлектрически активный материал, но в других случаях могут содержать разные трибоэлектрически активные материалы. В каждом из этих случаев соответствующий (противоположный) дисковый элемент может содержать аналогичную компоновку, имеющую внутреннюю область, сформированную отделенными электродными секторами или отделенными секторами трибоэлектрического материала, и внешнюю область, содержащую либо дополняющую спиральную структуру подшипника, либо просто плоскую поверхность, к которой структура диска 32 может прикладывать гидродинамическую силу для генерирования подъема между пластинами.

[0076] Фигура 12 отображает анаклогичную примерную компоновку, но здесь внутренняя область 94 содержит структуру 104 спиральных канавок, и внешняя кольцевая область 92 содержит отделенные области из первого 98 и второго 100 материала. Как и в описанном выше примере, в случае, когда дисковый элемент 32 содержит роторный диск ТЭНГ устройства, эти области могут содержать структуру отделенных трибоэлектрически активных круговых секторов 98, разделенных буферными областями 100. В случае, когда дисковый элемент содержит статорный дисковый элемент ТЭНГ устройства, эти области могут вместо этого содержать скомпонованную по кругу структуру (например, электрически изолированных) трибоэлектрически активных электродов. Противоположный дисковый элемент ТЭНГ в каждом случае может, опять же, быть предоставлен, причем он имеет дополняющую структуру участков трибоэлектрической поверхности или электродов, так, чтобы участки 102 электродов внешних областей противоположных дисков успешно проходили мимо друг друга, при этом энергия генерируется посредством электростатической индукции.

[0077] Механизмы подшипника со спиралеобразными канавками, описанные выше, представляют только один ряд примеров механизмов самодействующих подшипников, которые могут быть добавлены в варианты осуществления изобретения с целью управления разделением пластин в генераторах с вращающимся диском, таких как ТЭНГ. В соответствии с еще одним рядом примеров, один или несколько дисковых элементов могут содержать множество радиально отделенных элементов лопастей ротора, таким образом, чтобы во время вращения диск функционировал аналогично воздушному винту или ротору, или турбине. Фигура 13 показывает примерный дисковый элемент в соответствии с таким вариантом осуществления. В данном случае структура дискового элемента 32 сформирована полностью из радиально расположенных элементов 110 лопастей ротора. При вращении лопасти 110 индуцируют давление между статором и ротором для индуцирования подъема. Противоположный сопряженный дисковый элемент внутри генератора может содержать плоский дисковый элемент, тем самым предоставляя плоскую поверхность, к которой может прикладываться перпендикулярно сила, генерируемая вращением элемента 32 в форме воздушного винта, для обеспечения разделяющей силы между пластинами. Лопасти могут поворачиваться под углом для увеличения подъема. Элементы 110 лопастей могут содержать один или несколько слоев трибоэлектрического материала, например, нанесенные на «нижний» участок поверхности, таким образом, чтобы вращение лопасти над противоположным дисковым элементом, который имеет области трибоэлектрического материала, разнесенные в соответствии с расположением лопастей ротора, производило аналогичный процесс трибоэлектрической генерации мощности, как и стандартные ТЭНГ с вращающимся диском.

[0078] В конкретных примерах лопасти ротора могут содержать лопасти воздушного винта, такие как изображенные на Фигуре 13, или могут, например, содержать крыловидные лопасти (аэродинамического профиля). Фигура 14 показывает пример лопасти ротора аэродинамического профиля, которая может содержаться дисковыми элементами примерных ТЭНГ устройств. В таких случаях подъем генерируется в ответ на вращение из-за разности давлений, создаваемой между верхней и нижней поверхностями лопастей аэродинамического профиля. Противоположный (статорный) диск 112 может предоставлять (например, перпендикулярно закрепленную) плоскую поверхность, на которую может действовать подъемная сила ротора.

[0079] В соответствии с вариациями этих примеров, может быть достигнут «практически парящий» эффект в вариантах осуществления за счет так называемого «санного» подхода, при котором элементы лопасти ротора имеют форму, похожую на форму крыла самолета, лыж или водных лыж для того, чтобы тем самым обеспечить подъем при увеличении скорости вращения.

[0080] Следует отметить, что: специалисту в данной области техники будет понятно, что вместо любого газа в качестве смазки может выступать любая непроводящая текучая среда в предложенных выше вариантах осуществления.

[0081] В других вариантах осуществления самодействующие/саморегулируемые подшипники могут быть включены в пластины генератора, который работает на основе неразъемного, а не гидравлического подшипника. Фигуры 15а и 15b изображают один пример такого варианта осуществления, в котором принципы центробежного регулятора массы применяются для достижения модификаций высоты полета пластин генератора в ответ на, и с величиной, которая является функцией от скорости вращения. Роторный элемент 122 содержит две или более радиально проходящих канавок 124, каждая из которых имеет глубину, которая линейно уменьшается как функция от радиального расстояния от центра диска. Канавки формируют каналы, проходящие через тело ротора, связанные в их основании плоской поверхностью статора 126. Внутри каждого канала расположен сферический элемент 128 массы, который может свободно перекатываться вдоль длины канала, и который расположен между ротором и статором таким образом, чтобы поверхности верхней и нижней стенок канала 124 удерживались в постоянном фрикционном контакте с точками на поверхности сферы.

[0082] При вращении ротора 122 элементы 128 массы орбитально вращаются вокруг центрального вала 130 относительно поверхности статора 126 и, как следствие, испытывают на себе действие центробежной силы в положительном радиальном направлении (т.е. наружу в направлении края диска). Так как сферические массы имеют свободу вращательного движения вдоль радиального прохождения канала 124, эта сила в ответ индуцирует массы катиться от центра вдоль канала. Так как каналы 124 имеют высоту, которая уменьшается линейно с радиальным прохождением канала, смещение сфер вдоль канала заставляет статор немного приподниматься вверх, это перпендикулярное смещение поддерживается структурно вращающимися сферами. Еще большая скорость вращения индуцирует еще большее смещение наружу элементов массы, и, следовательно, большую высоту 134 разделения между пластинами.

[0083] Уклон каналов 124 естественным образом прикладывает к сферическим элементам 128 направленную радиально внутрь «восстанавливающая силу», которая действует, чтобы толкать сферы - в отсутствие противопоставленных радиальных сил - внутрь в направлении вала 130. Следовательно, при замедлении вращения пластин и уменьшении величины центробежной силы, действующей на элементы массы, противопоставленная направленная внутрь «восстанавливающая сила», обусловленная наклонным верхом канала 124, действует, чтобы смещать сферы 128 назад внутрь в соответствующем отношении. Следовательно, система полностью самовосстанавливающаяся, причем радиальное смещение сфер (и, следовательно, разделение 134 пластин) непосредственно зависит от скорости вращения пластин.

[0084] В некоторых вариациях каналы 124 могут фактически содержать непрерывную кольцевую «камеру», имеющую высоту, которая уменьшается как функция от радиального прохождения. В таком случае множество сферических элементов массы могут быть скомпонованы в кольце внутри упомянутой камеры, окружая центральный вал 130 вращения.

[0085] Хотя в примере с фигур 15а и 15b предоставленные элементы 128 массы являются сферическими, в альтернативных вариантах элементы массы могут принимать одну или любое число очертаний и форм, таких как, в качестве неограничивающего примера, продолговатую, овальную, цилиндрическую, форму сигары и т.д. Элементы массы, описанные выше для конкретного варианта осуществления, должны быть радиально перемещаемыми, что в некоторых случаях может содержать качение, а в других случаях скольжение, например.

[0086] В соответствии с дополнительным аспектом изобретения предоставляется способ работы одного или более описанных выше вариантов осуществления для генерации электрической мощности, и управления разделяющим расстоянием между пластинами посредством управления относительной скоростью вращения между ними. В частности, два обширных подхода к работе могут быть возможными относительно использования вариантов осуществления изобретения для регулирования разделяющего расстояния между пластинами генератора.

[0087] В соответствии с первым аспектом приводной механизм может быть использован для управления разделением пластин «вручную»: т.е. скорость вращения дисков управляется внешне (относительно генератора) посредством, например, одной или более предназначенных для этого цепей управления, или с помощью программного обеспечения, для того, чтобы устанавливать или поддерживать некоторые разделяющие расстояния в некоторые моменты времени в соответствии с кокой-либо (возможной) заранее заданной программой или схемой. Варианты осуществления изобретения в данном случае предоставляют высокоэффективный, компактный и интегрированный механизм для возбуждения и поддержания разделяющего расстояния пластин с высокой степенью точности в процессе работы генератора.

[0088] Однако, в соответствии со вторым подходом, варианты осуществления изобретения могут использоваться для реализации, по меньшей мере, частичного саморегулирования разделяющего расстояния между элементами генератора - то есть, разделяющее расстояние между пластинами регулируется и управляется «внутренне» в соответствии с параметрами самого генератора. Конкретная предварительно заданная схема для управления расстоянием не применяется к генератору, а скорее генератор адаптируется таким образом, чтобы относительная скорость вращения элементов изменялась в зависимости от одного или более рабочих (например) параметров самого генератора.

[0089] Существует много вероятных компоновок, с помощью которых это может быть, в частности, реализовано. Тем не менее, в соответствии со всего одним конкретным примером генератор может быть адаптирован таким образом, чтобы скорость вращения зависела от выходной мощности или напряжения генератора. Такой способ может являться преимущественным, например, в управлении фазами зарядки и отсутствия зарядки двухрежимного ТЭНГ, относящегося к типу, описанному в предыдущих разделах. В данном случае при утечке заряда с пластин при бесконтактной фазе работы, выходное напряжение (или мощность) генератора уменьшается, и, в ответ на это, скорость вращения снижается в соответствующей степени. В результате разделение между пластинами сужается. При еще большем уменьшении заряда, пластины сближаются еще ближе, пока они наконец не входят во фрикционный контакт, в этой точке инициируется зарядка пластин. При зарядке пластин выходное напряжение снова быстро возрастает и, в ответ на это, пластины (относительно) ускоряются до высокой скорости. Это увеличение скорости снова индуцирует разделение между пластинами, и может возобновиться бесконтактная генерация энергии.

[0090] Двухрежимная работа ТЭНГ с вращающимся диском может также преимущественно управляться одним или несколькими «ручными» режимами регулирования разделения пластин в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Например, может быть использована внешняя цепь контроллера или компьютерный модуль, в соответствии с некоторыми примерами, для изменения относительной скорости вращения таким образом, чтобы периодически переключать пластины между фазой зарядки с зафиксированным разделением (бесконтактной) и фазой генерации (контактной). В соответствии с данным примером скорость вращения пластины не уменьшается постоянно пропорционально рабочему параметру генератора (такому, как выходное напряжение), а вместо этого может удерживаться относительно постоянной на фазе генерации, и уменьшаться, например, только когда состояние заряда пластин достигнет некоторого нижнего порога. Следовательно, два относительно устойчивых режима периодически переключаются между собой, а интегрированный приводной механизм применяется для перехода между ними.

[0091] В соответствии с любым вариантом осуществления изобретения генератор может работать согласно одному или более «управляемых пользователем» режимам, в которых разделяющее расстояние управляется в зависимости от одной или более входных команд пользователя. Варианты осуществления могут сделать возможным генератор, который является «переключаемым» между саморегулирующимся режимом и одним или более «ручными» режимами. Варианты осуществления могут предоставить ТЭНГ, который является переключаемым между саморегулирующимся режимом и ручным режимом периодической зарядки, описанными выше.

[0092] В соответствии с одним или более вариантами осуществления, описанными выше, специализированный двигатель может быть предоставлен для возбуждения вращения пластин. Таким образом, скорость вращения может непосредственно управляться «на источнике». Однако, в альтернативных вариантах осуществления «внешний» источник энергии для двигателя может использоваться вместо него, такой, например, как ветровая или водяная турбина, также как и вибрационные источники движущей силы, и/или движения тела пользователей. В этих случаях скорость вращения диска не управляется на источнике, но может управляться путем приложения некоторого промежуточного сопротивления к подаваемой нагрузке вращения таким образом, чтобы замедлить скорость привода до желаемого уровня. Максимальная скорость в этом случае будет все равно определяться источником двигателя, но посредством выборочного применения сопротивления к механическому выходу этого источника, можно управлять степенью передаваемой энергии к генератору.

[0093] Это относительное вращение дисков (относительно друг друга). Таким образом, конструкции, описанные выше, могут быть применены к ротору или к статору. Выбор что является ротором и что является статором произволен.

[0094] ТЭНГ в широком понимании могут быть разделены на четыре основных класса работы. Изобретение может использоваться во многих типах ТЭНГ.

[0095] Первый режим работы является режимом вертикального контакта-разделения, при котором две или более пластин циклично приводятся в контакт и разъединяются приложенной силой. Это может применяться в ботинках, например, где давление, возникающее, когда пользователь шагает, используется для приведения пластин в контакт. Один пример такого устройства был описан в статье ʺIntegrated Multilayered Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Biomechanical Energy from Human Motionsʺ, Peng Bai et. al., ACS Nano 2013 7(4), pp3713-3719. Здесь устройство содержит многослойную структуру, сформированную на зигзагообразной подложке. Устройство работает на основе переноса поверхностного заряда благодаря контактной электризации. Когда к структуре прилагается давление, зигзагообразная форма складывается, и создается контакт между разными слоями, и контакт пропадает, когда давление убирается. Собранная энергия может, например, использоваться для зарядки мобильных переносных устройств.

[0096] Один режим работы является режимом линейного скольжения, в котором пластины индуцируются, чтобы скользить вдоль друг друга для изменения площади перекрытия между ними. Разница потенциалов индуцируется между пластинами, имеет мгновенное значение, пропорциональное степени изменения общей перекрываемой площади. Посредством повторяющегося приведения пластин в взаимное перекрытия друг друга и выведения из него , можно установить переменный ток на нагрузке, подключенной между пластинами.

[0097] Конструкция, которая позволяет собирать энергию из скользящих движений, раскрыта в статье "Freestanding Triboelectric-Layer-Based Nanogenerators for Harvesting Energy from a Moving Object of Human Motion in Contact and Non-Contact Modes", Adv. Mater. 2014, 26, 2818-2824. Свободностоящий подвижный слой скользит между парой статических электродов. Подвижный слой может быть скомпонован так, чтобы он не контактировал со статическими электродами (т.е. чтобы был маленький зазор над статическими электродами), или он может образовывать скользящий контакт.

[0098] Третий режим работы является режимом с одним электродом, в котором одна поверхность, например, заземлена - к примеру, дорога на земле - и нагрузка включена между этой первой поверхностью и землей (за примером можно обратиться к статье Yang, Ya, et al. "Single-electrode-based sliding triboelectric nanogenerator for self-powered displacement vector sensor system."ACS nano 7.8 (2013): 7342-7351.). Вторая поверхность - электрически не соединенная с первой - приводится в контакт с первой поверхностью и трибоэлектризует ее. Когда вторая поверхность затем удаляется от первой, излишний заряд на первой поверхности переходит в землю, обеспечивая ток через нагрузку. Таким образом, только один электрод (на одном слое) используется в этом режиме работы для обеспечения выходного тока.

[0099] Четвертый режим работы является режимом со свободностоящим трибоэлектрическим слоем, который сконструирован для сбора энергии от случайно двигающегося объекта, с которым нет электрических соединений. Этот объект может являться проезжающей мимо машиной, проезжающим мимо поездом, или ботинком, например (опять же, см. ʺTriboelectric nanogenerators as new energy technology for self-powered systems and as active mechanical and chemical sensors. "ACS nano 7.11 (2013): 9533-9557.).

[0100] Другие вариации раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и реализованы специалистами в данной области техники путем применения на практике заявленного изобретения посредством изучения чертежей, раскрытия и приложенной формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержит» не исключает других элементов или этапов, а применение единственного числа не исключает множественности. Только сам факт того, что некоторые особенности указываются во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих особенностей не может быть использовано для получения преимущества. Любые ссылочные символы в формуле изобретения не следует понимать, как ограничивающие объем изобретения.

Предложенная группа изобретений относится к средствам для преобразования механической энергии в электрическую энергию. Указанная система преобразования включает в себя: генератор электрической мощности, который в свою очередь содержит первый элемент и второй элемент, причем по меньшей мере один из них сконфигурирован содержать электрический заряд, причем первый и второй элементы дополнительно сконфигурированы вращающимися относительно друг друга для того, чтобы посредством этого генерировать электрическую мощность, когда по меньшей мере один из первого элемента и второго элемента содержит электрический заряд; и механизм, сконфигурированный для управления расстоянием между первым элементом и вторым элементом таким образом, чтобы расстояние управлялось в зависимости от относительной скорости вращения между первым элементом и вторым элементом. Описанная выше система реализует соответствующий способ преобразования механической энергии в электрическую энергию. Заявленные изобретения обеспечивают возможность периодической работы генератора в контактном режиме для восполнения заряда на пластинах, а остальное время - в бесконтактном режиме для генерации электрической энергии посредством электростатической индукции. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Система преобразования механической энергии в электрическую энергию, содержащая:

- генератор электрической мощности для генерации электрической мощности, причем генератор мощности содержит:

- первый элемент и второй элемент (32), причем по меньшей мере один из них сконфигурирован содержать электрический заряд, причем первый и второй элементы дополнительно сконфигурированы вращающимися относительно друг друга для того, чтобы посредством этого генерировать электрическую мощность, когда по меньшей мере один из первого элемента и второго элемента содержит электрический заряд,

причем система дополнительно содержит

- механизм, сконфигурированный для управления расстоянием между первым элементом и вторым элементом таким образом, чтобы расстояние управлялось в зависимости от относительной скорости вращения между первым элементом и вторым элементом.

2. Система по п. 1, в которой плоская поверхность по меньшей мере одного из первого элемента и второго элемента содержит канавки (34, 76, 84, 96, 104) для генерирования гидродинамической силы между первым элементом и вторым элементом в ответ на относительную скорость вращения.

3. Система по п. 2, в которой канавки (34, 76, 84, 96, 104) загнуты внутрь в сторону центра вращения первого и второго элементов.

4. Система по п. 2 или 3, в которой канавки (34, 76, 84, 96, 104) содержат спиральную структуру.

5. Система по любому из пп. 2-4, в которой канавки (34, 76, 84, 96, 104) имеют площадь поперечного сечения, которая увеличивается как функция от расстояния в радиальном направлении от центра вращения.

6. Система по п. 1, в которой первый элемент или второй элемент (32) содержит две или более радиально проходящие канавки (124), каждая из которых имеет глубину, которая уменьшается как функция от расстояния в радиальном направлении от центра вращения между первым и вторым элементами.

7. Система по п. 6, дополнительно содержащая по меньшей мере один перемещающийся в радиальном направлении элемент массы (128), расположенный внутри каждой радиально проходящей канавки (124).

8. Система по любому из пп. 2-7, в которой канавки по меньшей мере частично разграничивают активные части трибоэлектрического материала плоской поверхности соответствующего элемента (32).

9. Система по любому из пп. 2-7, в которой плоская поверхность содержит первую (92) и вторую (94) кольцевые области и в которой первая кольцевая область содержит структуру канавок (96, 104), а вторая кольцевая область содержит множество трибоэлектрически активных областей (98) поверхности.

10. Система по п. 1, в которой по меньшей мере один из элементов содержит радиально разнесенные элементы (110) лопастей ротора.

11. Система по п. 10, в которой лопасти (110) ротора содержат лопасти воздушного винта или крыловидные лопасти.

12. Система по п. 10 или 11, в которой лопасти (110) содержат один или более слоев трибоэлектрического материала.

13. Способ преобразования механической энергии в электрическую энергию, содержащий:

- предоставление генератора электрической мощности для генерации электрической мощности, причем генератор мощности содержит:

- первый элемент и второй элемент (32), причем по меньшей мере один из них содержит электрический заряд, причем первый и второй элементы дополнительно сконфигурированы вращающимися относительно друг друга для того, чтобы посредством этого генерировать электрическую мощность, когда по меньшей мере один из первого элемента и второго элемента содержит электрический заряд;

- вращение первого элемента и второго элемента относительно друг друга и

- управление расстоянием между первым элементом и вторым элементом посредством управления относительной скоростью вращения между первым элементом и вторым элементом.

14. Способ по п. 13, в котором вращение первого элемента и второго элемента содержит вращение с относительной скоростью вращения, которая является функцией от выходного напряжения генератора электрической мощности.

15. Способ по п. 13, в котором относительная скорость вращения управляется таким образом, чтобы периодически осуществлять переключение первого элемента и второго элемента (32) между фазой зарядки, во время которой элементы находятся в непосредственном контакте, и фазой генерации мощности, во время которой элементы не имеют непосредственного контакта.