Способ преобразования механической энергии в электрическую и устройство для осуществления этого способа (варианты)

Способ преобразования механической энергии в электрическую энергию и параметрические преобразователи для этого предназначены для использования в энергетике. Способ заключается в периодическом своде и разводе электродов и в подключении к ним нагрузки в момент развода, причем при сближении электродов образуется электрический контакт между их рабочими поверхностями, а свод электродов осуществляют до возникновения электрического контакта между их рабочими поверхностями. Один преобразователь для осуществления способа содержит электроды, рабочие поверхности которых выполнены из материалов с разной электронной проводимостью. В другом преобразователе каждый электрод содержит электропроводящий слой с электронной проводимостью, отличной от электронной проводимости слоя другого электрода. Изобретение обеспечивает увеличение КПД преобразования механической энергии в электрическую энергию. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к способам преобразования механической энергии в электрическую и к устройствам для осуществления этого способа, например к емкостным параметрическим преобразователям, и может быть применено в источниках электротока или холода.

Известен способ [Бут Д.А. Основы электромеханики: Учеб. пособие. - М.: Изд-во МАИ, 1996, стр.365] преобразования механической энергии в электрическую, заключающийся в том, что периодически сводят и разводят электроды, между которыми находится диэлектрик, причем при своде электродов на них подают электрическое напряжение, заряжая электрическим зарядом, а при разводе электродов их подключают к нагрузке, и ранее накопленный электрический заряд перетекает в нагрузку. Причем при своде электродов между ними остается диэлектрический зазор и электрического контакта не происходит. Так как напряжение на электродах в разведенном положении становится больше, чем при сведенном положении, происходит преобразование механической энергии в электрическую. Устройство для осуществления описанного выше способа называется емкостным параметрическим преобразователем и состоит из, по крайней мере, одной пары электродов, выполненных из металлического материала и обращенных друг к другу рабочими поверхностями, между которыми находится диэлектрический материал, например воздух, причем электроды установлены с возможностью рабочего перемещения относительно друг друга.

Основным недостатком такого способа преобразования является то, что при своде электродов необходимо их заряжать электрическим зарядом, что уменьшает КПД преобразования.

Технической задачей настоящего изобретения является разработка таких способа преобразования и устройства для его осуществления, при которых нет необходимости заряжать электроды.

Поставленная задача решается тем, что в способе преобразования механической энергии в электрическую энергию, заключающемся в периодическом своде и разводе электродов и в подключении к ним электрической нагрузки в момент развода электродов, согласно изобретению свод электродов осуществляют до момента возникновения электрического контакта между их рабочими поверхностями. А устройство для осуществления данного способа, содержащее электроды, обращенные друг к другу рабочими поверхностями и установленные с возможностью рабочего перемещения относительно друг друга, согласно изобретению имеет рабочую поверхность одного электрода, выполненную из материала, имеющего электронную проводимость, отличную от электронной проводимости рабочей поверхности другого электрода, причем при сближении электродов образуется электрический контакт между их рабочими поверхностями. В результате такого решения выполняется поставленная задача - первоначальный заряд на электродах при их своде создается самопроизвольно благодаря тепловому хаотическому движению элементарных частиц внутри электродов, которое приводит к диффузии носителей заряда между электродами, что в свою очередь создает противоположные заряды на электродах. Таким образом увеличивается КПД преобразования. Также технический результат достигается, если на электродах материалы с разной электронной проводимостью будут выполнены в виде слоя. Например, если электрод выполнен как слой металла + слой полупроводника + слой металла, где один слой металла является токосъемником, а другой слой является рабочей поверхностью электрода.

Наилучший результат можно получить, если использовать полупроводниковые материалы, например рабочая поверхность одного электрода может быть выполнена из полупроводника n-проводимости, а рабочая поверхность другого электрода из полупроводника p-проводимости.

Фиг.1 изображает пример емкостного параметрического преобразователя согласно изобретению с плоскими электродами, содержащими полупроводниковый материал.

Фиг.2 - то же, что на фиг.1, с разведенными электродами.

Фиг.3 изображает другой вариант выполнения рабочих поверхностей электродов, выполненных в виде секторов. Стрелками показано направление вращения электродов.

Фиг.4 изображает распределение зарядов в образующемся p-n-переходе.

Заявленный способ осуществляется с помощью параметрического емкостного преобразователя, содержащего электрод 1, имеющий рабочую поверхность 1а (показана на фиг.2) и состоящий из полупроводника 1б n-типа, металлического основания 1в и металлического контакта 1г, электрод 2, имеющий рабочую поверхность 2а (показана на фиг.2) и состоящий из полупроводника 2б p-типа, металлического основания 2в и металлического контакта 2г, и содержащий держатели 3 и 4, к которым прикладывают рабочее механическое растягивающее усилие.

Параметрический преобразователь работает следующим образом. В начальном положении рабочие поверхности 1а и 2а электродов 1 и 2 сомкнуты между собой (показано на фиг.1). В результате образуется электронно-дырочный переход (показан на фиг.4). Поскольку в p-области образованного электронно-дырочного перехода концентрация дырок гораздо выше, чем в n-области, дырки из p-области стремятся диффундировать в электронную область. Электроны диффундируют в p-область. Однако после ухода дырок в p-области остаются отрицательно заряженные акцепторные атомы, а после ухода электронов в n-области - положительно заряженные донорные атомы. Так как акцепторные и донорные атомы неподвижны, то в области электронно-дырочного перехода образуется двойной слой пространственного заряда - отрицательные заряды в p-области и положительные заряды в n-области (фиг.3). Таким образом, электроды 1 и 2 самопроизвольно заряжаются противоположными зарядами. После чего прикладывают растягивающее механическое усилие к держателям 3 и 4, так что рабочие поверхности 1а и 2а электродов 1 и 2 размыкаются. При дальнейшем разводе электродов напряжение между ними увеличивается и параметрический преобразователь подключают через контакты 1г и 2г к нагрузке (на фигурах не показана), в результате чего заряды с электродов стекают в нагрузку, вырабатывая электрическую энергию.

Другой вариант параметрического преобразователя показан на фиг.3. Здесь рабочие поверхности 1а и 2а выполнены в виде сектора, а движение электродов 1 и 2 происходит вокруг своих осей так, что электрический контакт образуется по крайней мере на части их рабочих поверхностей.

Таким образом, решается поставленная задача - параметрический преобразователь преобразует механическую энергию в электрическую без подвода первоначального электрического заряда к электродам.

1. Способ преобразования механической энергии в электрическую энергию, заключающийся в периодическом своде и разводе электродов и в подключении к ним электрической нагрузки в момент развода электродов, отличающийся тем, что свод электродов осуществляют до момента возникновения электрического контакта между их рабочими поверхностями.

2. Параметрический емкостный преобразователь, содержащий электроды, обращенные друг к другу рабочими поверхностями и установленные с возможностью перемещения относительно друг друга, отличающийся тем, что рабочая поверхность одного электрода выполнена из материала, имеющего электронную проводимость, отличную от электронной проводимости рабочей поверхности другого электрода, причем при сближении электродов образуется электрический контакт между их рабочими поверхностями.

3. Параметрический преобразователь по п.2, отличающийся тем, что рабочая поверхность одного электрода выполнена из полупроводникового материала р-типа, а рабочая поверхность другого электрода выполнена из полупроводникового материала n-типа.

4. Параметрический емкостный преобразователь, содержащий электроды, обращенные друг к другу рабочими поверхностями и установленные с возможностью перемещения относительно друг друга, отличающийся тем, что электроды содержат электропроводящий слой, причем электронная проводимость слоя одного электрода отлична от электронной проводимости слоя другого электрода, и при сближении электродов образуется электрический контакт между их рабочими поверхностями.

5. Параметрический преобразователь по п.4, отличающийся тем, что электропроводящий слой одного электрода выполнен из полупроводникового материала р-типа, а электропроводящий слой другого электрода выполнена из полупроводникового материала n-типа.