Электрогенератор из ткани Российский патент 2025 года по МПК D03D15/49 

Изобретение относится к устройствам для генерирования электрической энергии путем прямого преобразования теплового излучения. Известно, что спектр излучения человека приходится на инфракрасную область (ИК), а видимая область отсутствует под одеждой. Излучение человеческого тела близко к излучению абсолютно черного тела. Так как температура поверхности человека составляет 36,6°С, то при этой температуре максимум энергетической светимости приходится на длину волны порядка 10 мкм.

Известно, что полезная модель «Патент RU 2083030 С1 - датчик ИК излучения МПК H01L 31/0376» 1997-06-27-Публикация. АВТОРЫ Будагян Б.Г. Айвазов А.А. Шерченков А.А. Филатова И.В. Предложенный Датчик ИК - излучения обладает избирательной фоточувствительностью в ближней ИК - области спектра в диапазоне длин волн (1-1,1 мкм). При таком узком диапазоне чувствительности датчика только небольшая часть энергии ИК диапазона преобразуется в электрический сигнал.

За аналог взята известная разработка ленточного термоэлектрический генератора (ТЭГ) из углеродного волокна (УВ). Иванов Д.К., Иванов К.Г., Урюпин О.Н. Ленточный термоэлектрический генератор из углеродного волокна // Журнал Физика и техника полупроводников. 2022. Т. 56. Вып. 1. С. 161-163.

Углеродное УВ после воздействия импульсного тока изменяет знак термоэдс с отрицательного на положительный. Такое свойство воздействия на УВ используется для создания последовательности нескольких р-n-переходов вдоль ровинга углеродного волокна. Создан и испытан термоэлектрический генератор на р-n-переходах. Такой ровинг УВ с чередующимися участками УВ с р-n-переходами является модифицированной основой для создания ТЭГ на р-n-переходах, которые служат источником электродвижущей силы (ЭДС). Однако для работы ТЭГ необходим градиент температур, для создания которого требуются либо определенные условия, обеспечивающие наличие градиента либо устройств, специально создающих этот градиент. Это усложняет эксплуатацию и обслуживание данного устройства и делает его мало автономным.

За прототип принята разработка Технологического института Джорджии (США) и Чунцинского университета (Китай) нового тип тканого материала, который способен вырабатывать энергию, преобразуя в электричество солнечный свет и энергию ветра. Сюй, Чэнь; Ван, Сюйдун; Ван, Чжун Линь (2009-04-01). "Гибридная ячейка со структурой из нанопроволоки для одновременного поглощения солнечной и механической энергии". Журнал Американского химического общества. 131 (16): 5866-5872. doi:10.1021/ja810158x. ISSN 0002-7863. PMID 19338339. S2CID 40091940. Эта ткань сплетена из волокон фоточувствительного материала, который вырабатывает энергию, преобразуя в электричество солнечный свет и энергию ветра, производят электричество благодаря трибоэлектрическому эффекту. Недостатком подобной ткани является наличие фоточувствительности только в видимом диапазоне, не реагируя на тепловое излучение. Использование волокон полимера, которые производят электричество благодаря трибоэлектрическому эффекту, требуют для его реализации дополнительных условий, например ветра, деформирующего волокно.

Техническим результатом заявляемого решения является устранение указанных недостатков, а именно расширение спектрального диапазона работы электрогенератора из ткани путем использования свойств р-n-переходов с чувствительностью в области теплового излучения и в видимом диапазоне света, не требующего при своем использовании наличия градиента температур или его постоянного поддержания.

Поставленная задача достигается тем, что в электрогенераторе из ткани, фоточувствительные нити выполнены из углеродных нитей с р-n-переходами, объединены в ровинги, состоящие из пучков углеродных волокон с р-n-переходами, обладающих фоточувствительностью и в области теплового излучения, причем каждый пучок ровинга углеродного волокна скручен левой или правой S-круткой с нитями по толщине сравнимых с ровингом из пучков углеродных волокон, которые параллельными рядами с расстояниями между ними не менее толщины полученных нитей пришит к подкладочному материалу для одежды, на котором по ширине подкладочного материала к концам светочувствительных нитей с двух сторон пришит ровинг углеродного волокна, причем один контакт из ровинга углеродного волокна через диод подсоединен к нагрузке, а другой контакт из ровинга углеродного волокна, соединен с противоположным концом нагрузки.

Для лучшего понимания сущности заявленного решения на рис. 1 представлена схема подключения электрогенератора к нагрузке где

1 - подкладочная ткань

2 - нити с р-n-переходами и круткой S рис. 2, указатель проведен только к одной нити из 7

3 - диод передает фото ЭДС от р-n-переходов к нагрузке - 4

4- нагрузка (носимое электронное устройство)

5- ровинг углеродного волокна не содержит р-n-переходов, выполняет роль провода соединяющего все семь нитей 2 в параллель до соединения с диодом, другой контакт диода -3 подсоединен обычным проводом к нагрузке - 4.

6- другой ровинг углеродного волокна не содержит р-n-переходов, выполняет роль провода подсоединенного к обычному проводу, идущему к другой стороне нагрузки - 4.

Тепловое излучение (ИК) изображено пятью изогнутыми линиями со стрелками, не пронумеровано.

На рис. 2 изображена S-крутка.

Технический результат прежде всего заключается в том, что в одежде на подкладочной ткани 1 расположены изготовленные нити 2 на рисунке их семь штук каждая из них имеет по своей длине большое число р-n-переходов, которые на рисунке не показаны, создающие фото ЭДС под воздействием теплового излучения человека в инфракрасном диапазоне искривленные линии со стрелочками на концах на рис. 1 не пронумерованы, то есть все нити 2 так реагируют на тепло, на касание человеческого тела. Нить из углеродного волокна с одним р-n-переходом, касаясь ладони на рис. 1 не показано, или распложенная над нею, например на 1-4 мм дает фото ЭДС. Это не термо ЭДС, которое может возникнуть в подобной ситуации, быстро становится равной 0 по мере выравнивания температуры по всей длине нити при подобном контакте. Фото ЭДС постоянно, так как не зависит от градиента температур, а зависит только от теплового излучения, касания нагретой поверхности. Практически обнаружено, что установка диода - 3 в цепь нагрузки - 4 позволяет получить сумму фото ЭДС от числа р-n-переходов в каждой нити. Создавая на углеродной нити - 2 в виде ровинга углеродного волокна сотни р-n-переходов, которые соединены последовательно, получить сумму фото ЭДС, повышая, таким образом результирующее напряжение на нагрузке - 4. Соединяя нити - 2 в параллель ровингами углеродного волокна 5, 6 без р-n-переходов, которые замыкают все нити - 2 по краям подкладочной ткани - 1, уменьшать внутреннее сопротивление электрогенератора. Создавая ткань пронизанную углеродными волокнами с р-n-переходами можно получать необходимые мощности для использования носимых электронных устройств, имея кусок подобной ткани - 1 размером в десятки квадратных дециметров, либо встроенной в подкладку одежды. Получаемое напряжение и мощность при этом зависит от числа р-n-переходов в каждой нити и от их числа и коммутации.

Изобретение относится к устройствам для генерирования электрической энергии путем прямого преобразования теплового излучения. Технический результат: расширение спектрального диапазона работы электрогенератора из ткани путем использования свойств р-n-переходов с чувствительностью в области теплового излучения. Сущность: электрогенератор из ткани включает фоточувствительные нити, выполненные из углеродных нитей с р-n-переходами. Фоточувствительные нити объединены в ровинги, состоящие из пучков углеродных волокон с р-n-переходами, обладающих фоточувствительностью в области теплового излучения. Каждый пучок ровинга углеродного волокна скручен левой или правой S-круткой с нитями, по толщине сравнимыми с ровингом из пучков углеродных волокон, которые параллельными рядами с расстояниями между ними не менее толщины полученных нитей пришиты к подкладочному материалу для одежды. К концам фоточувствительных нитей с двух сторон пришиты ровинги углеродного волокна. Один контакт из ровинга углеродного волокна через диод подсоединен к нагрузке. Другой контакт из ровинга углеродного волокна соединен с противоположным концом нагрузки. 2 ил.

Электрогенератор из ткани, включающий фоточувствительные нити, отличающийся тем, что фоточувствительные нити выполнены из углеродных нитей с р-n-переходами, объединены в ровинги, состоящие из пучков углеродных волокон с р-n-переходами, обладающих фоточувствительностью и в области теплового излучения, причем каждый пучок ровинга углеродного волокна скручен левой или правой круткой с нитями, по толщине сравнимыми с ровингом из пучков углеродных волокон, которые параллельными рядами с расстояниями между ними не менее толщины полученных нитей пришиты к подкладочному материалу для одежды, на котором по ширине подкладочного материала к концам фоточувствительных нитей с двух сторон пришит ровинг углеродного волокна, причем один контакт из ровинга углеродного волокна через диод подсоединен к нагрузке, а другой контакт из ровинга углеродного волокна соединен с противоположным концом нагрузки.