MikroEnergie-Erntemaschinen - eine Alternative Quelle der Erneuerbarer Energie

durch Professor Khalil Najafi

Edwar Romero1, Tzeno Galchev2, Erkan Aktakka2, Niloufar Ghafouri2, Hanseup Kim2, Michael Neuman1, Khalil Najafi2,3 und Robert Warrington1,3
1 Technologische Universität Michigans
2 University of Michigan-Abteilung der Elektrotechnik und der Informatik
3 Drahtloses Integriertes MikroSystemtechnik-Forschungszentrum (WIMS ERC)
Entsprechender Autor: najafi@umich.edu

Themen Umfaßt

Zusammenfassung
Einleitung
Erhältliche Leistung
     Mechanische Antrag-Quellen
     Solar- und Thermische Quellen
Transduction Techniken
     Elektromagnetische Generatoren
     Piezoelektrische Generatoren
     MehrmodenEnergie-Generatoren
Herausforderungen
     Leistungsfähigkeit
     Herstellung
     Elektronik
Schlussfolgerungen
Bezüge

Zusammenfassung

Die zunehmende Anzahl von autonomen Miniaturelektronischen geräten holt mit ihr das Problem einer ausreichenden, zuverlässigen Stromversorgung. Die Mikroleistungsumweltenergie, die Generatoren erntet, bieten eine alternative Quelle der erneuerbarer Energie an. Diese Stromversorgung kann helfen, die Umwelt-, tragbaren oder chirurgisch verpflanzbaren Mikrosysteme zu unterstützen. Sie können Batterien in einigen Anwendungen unterstützen oder sogar austauschen.

Energie von den verschiedenen Umweltquellen Zu Ernten ist ein Bereich des Forschungsschwerpunkts im Drahtlosen Integrierten MikroSystemtechnik-Forschungszentrum (WIMS) gewesen. Die Mikroenergieerntemaschinen, die auf den piezoelektrischen, elektromagnetischen, thermoelektrischen Techniken von der Schwingung und von den Wärmequellen basieren, werden entwickelt. Mikrobatterien werden auch studiert.

Ein Überblick der Forschung auf Energieumwandlung wird, einschließlich Optimierung von batteriebetriebenen Anlagen für biologische Implantate, Energieausstossen von unreinheiten von der Transpiration, einen thermoelektrischen Mikrogenerator für Mikrosysteme, Mehrmodenenergieausstossen von unreinheiten von der Umgebung, die MEMS-basierte Energie, die für Niederfrequenzschwingungen ernten, und MEMS-basierten Reiniger der mechanischen Energie für Fluginsekten vermittelt

Einige laufende Herausforderungen bleiben, bevor diese Reiniger auf einem kommerziellen angenommen werden können. Diese umfassen: 1) Miniaturisierung von Generatoren; 2) die Dichte der erhältlichen Energie verbessernd, 3), die Leistungsfähigkeit der Umweltenergie verbinden auf Mikroerntemaschinen erhöhend, 4) sich entwickelnde Leistungskorrektur der hohen Leistungsfähigkeit und Energiespeicher und 5) sich entwickelnde geeignete Einheit, die für langfristige Zuverlässigkeit verpackt. Einige neue Ergebnisse in diesen Bereichen werden dargestellt.

Einleitung

ferngesteuerte Mikrosysteme sind durch Batterielebenszeit und Batteriegröße begrenzt worden. Batterien sind gewöhnlich das dominierende Bauteil im Hinblick auf Größe an der Mikroschuppe. Energie, die Showversprechen als Alternative für das Anschalten dieser Einheiten erntet. Energiegewinnung von der Schwingung oder Antrag, Solarleuchte und Temperaturwechsel ist als Handelsdurchführbare alternative auf menschlich-betriebenen Taschenlampen, Solartaschenrechnern und thermisch-betriebenen Armbanduhren festgelegt worden.

Mikroleistungserntemaschinen zu den Anwendungen in denen Ausfahren von Batterie-basierten Einheiten anvisiert werden oder, wenn Batterieaustausch schwierig unmöglich ist, teuer oder. Fernerkundungseinbauorte, eingebettete strukturelle Überwachung, Gleichlauf von Versandverpackungen, Schrittmacher und humanimplants gehören zu jenen Anwendungen, in denen batteriebetriebene Einheiten Beschränkungen haben.

Energie von den Umweltquellen Zu Ernten ist ein Bereich der Forschung in den letzten zehn Jahren und ein Forschungsschwerpunkt im Drahtlosen Integrierten MikroSystemtechnik-Forschungszentrum (WIMS) gewesen. WIMS ist piezoelektrische, elektromagnetische und thermoelektrische Techniken sich Entwickelns für das Ernten von Energie von der Schwingung und von den Wärmequellen. Leistungsmanagement und Mikrobatterien werden auch studiert. Ein Überblick der Forschung auf Energieumwandlung wird, einschließlich neue WIMS-Projekte vermittelt.

Erhältliche Leistung

Mechanische Antrag-Quellen

Mechanischer Antrag ist eine Energiequelle, die breite Aufmerksamkeit für das Energieernten erregt hat. Dieses kann aktiv oder passiv getan werden entweder. Passive Generatoren verwenden Trägheitsvorrichtungen, wie Beweismassen, die zu den Maschinen oder sogar zu den menschlichen Körpern befestigt werden. Diese Trägheitsgeneratoren verwenden die Beweismassendistanzadresse und eine Transductionsvorrichtung für Stromerzeugung.

Eine geläufige Auslegung besteht aus einer Beweismasse (M), die zu einem beweglichen Hauptrechner durch ein Feder Ähnliches Gelenk befestigt wird. Der elektrische Generator Dämpfung gewöhnlich den Antrag des Trägheitsmass. Die Leistung, die für eine lineare Distanzadressebewegung an der Resonanz erhältlich ist, ist

Pmax elect = (1/4) mQ (2a/ω) (1)

Die Begrenzungsfaktoren sind drei, das Verhältnis von Beschleunigung-quadrieren-zufrequenz (ASTF) Faktor (a/ω2), die Beweismasse (M) und der Qualitätsfaktor (Q). Das erste man ist eine Inputquellbeschränkung, und die zweite und dritte seiend eine Auslegungsbeschränkung. Von Tabelle 1, kann der ASTF-Faktor wie 0,001, für Maschinenschwingungen, zu den Werten so niedrig sein, die, für das menschliche Gehen so hoch sind wie 3.

Faktor der Tabelle 1. ASTF1,2

Schwingung Quelle

Beschleunigung (m/s2)

Frequenz (Hz)

ASTF (a/ω2)

Automotormotorräume

12

200

0,115

Basis der Werkzeugmaschine mit 3 Schwerpunkten

10

70

0,227

Mischvorrichtungsgehäuse

6,4

121

0,054

Wäschetrockner

3,5

121

0,016

AutoInstrumententafel

3

13

0,110

Breadmaker

1,03

121

0,001

Gehen (Hauptbeschleunigung)

2-6.8

1.3-2.4

0.5-3.06

Die Höchstleistung, die an eine elektrische Belastung entbunden wird, ist Hälfte von, was erhältlich ist (Pmax elect = P/2)available3. Für volumetrische Energiedichte Umordnen, wo m=ρV,

(Pmax elect /V) = (1/4) ρQ (2a/ω) (2)

Grafische Darstellung (2) unter Verwendung der Daten der Tabelle 1, die Q-Faktoren auswählend, die von 1-1000 reichen und eine Beweisdichte von 10 g/cm annehmen3 (der Einfachheit halber und ähnlich Molybdän), gibt das Diagramm von Abbildung 1, die die Höchstleistung darstellt, die auf die elektrische Belastung übertragen werden kann.

Abbildung 1 hilft, ungenutzte Bereiche für das Energieernten sichtbar zu machen. Der Gebrauch von Bewegungen des menschlichen Körpers, dargestellt durch hohe ASTF-Faktoren und niedrige Q-Faktoren, öffnet die Möglichkeit der menschlich-basierten Energie erntend auf den Niveaus, die mit denen erreicht durch automatisierte Einheiten vergleichbar sind (niedrige ASTF-Faktoren und Q>100).

Abbildung 1. Höchstleistung erhältlich

Solar- und Thermische Quellen

Solarzellen oder photo-voltaische (PV) Energiegeneratoren können Solarenergie in den Strom konvertieren, der den photoelektrischen Effekt einsetzt. Monokristallines Silikon (Mono--cSi), polykristallines Silikon (Poly--cSi) und formloses Silikon (EinSi) sind die dominierenden Materialien für PV-Generation. PV-Zellen können bis 100 W/m produzieren2 (mit 10% von Leistungsfähigkeit und von Lichtstärke von 1000 W/m)2. Die Zellen, die vom EinSi gemacht werden, produzieren kleiner als das wegen seiner niedrigeren Leistungsfähigkeit (5 - 7%). Typische Leistungsfähigkeit von Handelszellen ist ungefähr 13-16% für Mono--cSi und 12-14% für Poly--cSi4. Die Leistungsfähigkeit von Solarzellen verringert sich logarithmisch mit der Lichtstärke.

Thermoelektrische Generatoren (TEG) produzieren den Strom, der auf dem Seebeck-Effekt basiert. Dieses ist die Elektrizitätserzeugung wegen der Temperaturunterschiede auf zwei verschiedenen Metallen, die einen Regelkreis bilden. Typische Umwandlungs-Leistungsfähigkeit für diese Anlagen ist gut unter 10%. Leistungsabgaben bis zu 340 mW/cm2 für ΔT = 200°C bei Leistungsfähigkeit 4,5% und geringen Werten von 13µW/cm2 an ΔT = 1°C für die Armbanduhr des Bürgers TEG sind berichtet worden4.

Transduction Techniken

Elektromagnetische Generatoren

Die Energie, die vom elektromagnetischen Transduction erntet, basiert auf der verursachten Spannung auf einem Ring durch einen beweglichen Magneten oder ein örtlich festgelegter Magnet und ein beweglicher Ring. Die Menge von Leistung erzeugt hängt infolge des Magnetfelds, der Anzahl von Drehungen des Ringes ab, und der Änderung der magnetischen Flussdichte durch den Ring wegen der externen Inputbewegung. Ein geläufiges Szenario ist ein beweglicher Magnet, der zu einem Träger oder zu einer Feder befestigt wird. Der Magnet an sich tritt gewöhnlich als das Beweismass. auf. Das gegenüberliegende Magnetfeld, das durch Strom im Ring erzeugt wird, Dämpfung die Magnetbewegung bei der Lieferung von Energie. Tabelle 2 fasst die Ergebnisse von Trägheitserntemaschinen der elektromagnetischen Energie zusammen.

Ein einleitender Prototyp einer MEMS-basierten Energieerntemaschine für Niederfrequenzschwingungen an WIMS wird aus getrennten NdFeB-Magneten auf einer oszillierenden Masse mit einem Gang-förmigen mehrschichtigen Ring verfasst, der unter Verwendung der photolithographie fabriziert wird5. Der Prototyp hat µW 2rms der Leistung bei 2,5 Hz produziert. Eine Prüfung für menschlich-basierte Energiegewinnung erzeugte 7,4 Millivoltrms unter Nullastbedingungen, als gelegt nah an dem Knie beim Gehen. Höhere Leistungsabgaben werden für optimierte Prototypen erwartet.

Erntemaschinen der Elektromagnetischen Energie der Tabelle 2.5

Institution

Vol. (cm3)

Freq. (Hz)

Maximale Leistung (µW)

Energiedichte (µW/cm3)

Southampton

0,24

322

530

2208

CUHK

1,0

110

830

830

ETH-Zürich

0,5

2

35

70

HSG-IMIT

1,5

80

3000

2000

MTU WIMS

1,5

2,5

2

1,3

Eisen- Lösungen

30

21

9300

43

Piezoelektrische Generatoren

Energiegewinnung vom piezoelektrischen Transduction basiert auf der erzeugten Spannung, wenn ein piezoelektrisches Material abhängig von einer mechanischen Deformation ist. Piezoelektrische Generatoren werden gewöhnlich als Kragträger, Membranen oder andere Zellen geformt. Eine angewandte externe oder Trägheitskraft produziert die Deformation, die benötigt wird, um Energie zu erzeugen. Tabelle 3 fasst die verschiedenen Anflüge zusammen, die für piezoelektrische Energiegewinnung studiert werden.

Einleitende Arbeit über einen MEMS-basierten piezoelektrischen Reiniger der mechanischen Energie für Fluginsekten an WIMS ist für Energiegewinnung von den Flugwesenstampfern verwendet worden. Die Piezoelektrischen Kragträger, die auf der Rückseite der Stampfer geklebt werden, fangen an zu vibrieren, wenn sie durch die Flügelvektoren geschlagen werden. Die geprüften Prototypen hatten µW bis 11,5 für eine 11 mm-Einheit3 bei 92 Hz zur Verfügung gestellt. Hundert µW fünfzehn Leistung kann von den Stampferflügelvektoren erwartet werden6.

Piezoelektrische Energieerntemaschinen der Tabelle 3.5

Institution

Vol. (cm3)

Freq. (Hz)

Maximale Leistung (µW)

Energiedichte (µW/cm3)

MIT

10

1,1

8400

840

Uc Berkeley

1

120

375

375

Nebraska U.

6

1

850

142

K.U. Löwen

0,6

1

40

67

MTU/ASU

0,4

1

176

440

UM/WIMS

0,01

92

11,5

1045

MehrmodenEnergie-Generatoren

Mehrmodenenergieausstossen von unreinheiten von der Umgebung ist ein WIMS-Projekt, das sucht, ein Stromerzeugungsgerät zu entwickeln, das Energie von den verschiedenen Quellen einschließlich Schwingung, Wärme oder Solarenergie reinigen kann. Zusätzlich zum Ernten von Energie von jenen Quellneuen Anflügen auf Energiegewinnung entwickeln sich, wie Transpiration-basiertes, Mikrothermoelektrisches für Fluginsekten und Frequenz Obenumwandlung.

Ein Projekt auf Energieausstossen von unreinheiten von der Transpiration ist ein Anflug, der bei Zimmertemperatur Verdampfung einsetzt. Der Fluss, der durch Verdampfung auf mikro-flüssigen Kanälen verursacht wird, treibt Gasblasen durch die Kondensatorplatten, die Energie erzeugen. Eine Dichte der hohen Leistung wird von diesem Projekt erwartet7. Ein thermoelektrischer Mikrogenerator für Mikrosysteme wird berichtet, um Energie von den Flugwesenstampfern zu reinigen. Leistung von µW 10-15 wird erwartet erzeugt zu werden, wenn sie auf der Rückseite eines Stampfers, mit einer Energiedichte nah an 200 µW/cm und2 einem ΔT=11 °C. eingepflanzt wird.8

Ein Frequenz-oben Umwandlungsentwurf soll Umweltniederfrequenzschwingung (weniger als 100 Hz) erfassen um eine hoch-Resonanzfrequenzzelle zu aktivieren (über 1 kHz). Entwicklung auf mechanischen Frequenz Obenumformern wird erwartet, um eine 23% erhöhte Leistungsfähigkeit und eine Energiedichtezunahme von 14,5 mW/cm (3 Niederfrequenzeinheit) zu 17,8 mW/cm (3 Obenumwandlung Einheit) zu zeigen9.

Herausforderungen

Es gibt etwas Beschränkungen, die die Energie angefochten haben, die an der Mikroskala, wie der Leistungsfähigkeit der Energiegewinnungs- und Energiedichte, der Gleichstrom-Korrektur, des Energiespeichers und des -managements, der Herstellung, der Langlebigkeit und des Verpackens erntet. Ein Überblick über diese laufenden Herausforderungen wird in den folgenden Paragraphen behandelt, um ein besseres Verständnis von ihnen zu haben.

Leistungsfähigkeit

Die Leistungsfähigkeit wird als das Verhältnis der erzeugten Leistung zur erhältlichen Leistung dargestellt. Obgleich die produzierte Leistung dargestellt wird und die erhältliche Leistung durch (1) definiert wird, nicht alle Ausdrücke von Eq. (1) werden berichtet, um die Leistungsfähigkeit zu schätzen. Kupplungskoeffizienten bis zu 0.6-0.8 sind als mögliche Grenzen für jede jener Transductionstechniken dargestellt worden3. Darüber hinaus können Projekte in Entwicklung an WIMS, wie dem Frequenz Obenumwandlung9Anflug, helfen, die Leistungsfähigkeit der Anlage zu verbessern.

Elektromagnetische Leistungserntemaschinen über 1 mW und unter 1 cm3 für Maschinenschwingungen herum 100 Hz und Erntemaschinen, produzierend über µW 100 und unter 1 cm3 für menschlich-basierte Aktivitäten, können in naher Zukunft erwartet werden. Leistungspegel von den piezoelektrischen Energieerntemaschinen nah an 10 mW bei 1 Hz und Energiedichten von 1 mW/cm3 bei 92 Hz wurden in den Piezoelektrischen Leistungserntemaschinen der Tabelle 3. über 1 mW dargestellt und unter 1 cm3 für automatisierte Schwingung können herum 100 Hz weiter ein erwartet werden.

Herstellung

Eine der Beschränkungen für elektromagnetische Wandler ist die Dauermagnet (PM)fälschung. MEMS-kompatible Prozesse erbringen PMs mit den gleichen Eigenschaften nicht wie die Massenmagneten. Typische Fälschungstechniken des Spritzens und der Galvanisierung von Erzeugnisdünnschichtschichten (<10µm) obgleich Dickschicht (100-800µm) Absetzung bei den niedrigen Temperaturen studiert worden ist10. Das Kopieren eines P.M. ist für die mm-groß Magnetpolmuster demonstriert worden, entweder Ringe oder weich-magnetische Vorbereitungen verwendend, um Magnetisierung zu verursachen10,11.

Eine Andere Beschränkung für elektromagnetische Rotationsgeneratoren ist der Bedarf von den reibungsarmen Peilungen, die an den MEMS-Fälschungsprozessen geeignet sind. Mikro-Kugel Peilungen, rotierende Drehzapfen und Magnetlager können mögliche Alternativen sein. Die Energieerntemaschinen, die im Vakuum bedient werden, haben weniger Verluste, die mit der Dämpfung Luft verbunden sind, aber erstellen den Bedarf am speziellen Verpacken, zum des Arbeitsbereichs zu erhalten (Bio-eingepflanzt, Zelle-eingebettet, Aussetzung zur rauen Umgebung).

Elektronik

Wegen der Art der Energiegewinnung, ist die Ausgabe ein zeitvariantes WS-Signal. So sind GLEICHSTROM-Korrektur und Spannungsregulierung für die meisten elektronischen Anwendungen erforderlich. Schaltkreis sollte Korrektur, Regelung, Regelung, und Speicherung der produzierten Energie erklären. Die Meisten Energieerntemaschinen setzten Brückengleichrichterschaltungen ein. Aber die Vorwärts-vorspannung der Dioden kann für die Schwachstromausgabe einiger Einheiten hoch noch sein. In diesem Fall sind Spannungsmultiplikatoren oder Transformatoren verwendet worden, um die Spannungspegel zu erhöhen.

Aktive Elektronik kann einige der vorhergehenden Beschränkungen ausgleichen, aber ein Ausgleich zwischen ihrem Energieverbrauch und der produzierten Energie sollte berücksichtigt werden. Optimierung der Stromversorgung für drahtlose integrierte Mikrosysteme ist auch darunter Studie an WIMS. Eine micromachined Batterie für Kreuzungleistung Zubehör, die mit MEMS-Fälschungsprozessen sich entwickelte kompatibel ist und die Ergebnisse sind verwendet worden, um die Stromquelle für den verpflanzbaren Augeninnendruckfühler WIMS und das WIMS-Cochlear-Implantat zu konstruieren und zu optimieren12.

Schlussfolgerungen

Das Energieernten ist ein wachsender Forschungsbereich, der langsam entwickelt hat, um in den Handel gebrachte Produkte zu werden, von manuell durchdrehendem Funk und von den Erschütterung-gesteuerten Taschenlampen zu den drahtlosen Überwachungsanwendungen.

Foto-voltaische Energiegewinnung erbringt eine Ausgabe der hohen Leistung (10 mW/cm2) und es ist eine nachgewiesene Technologie, die an der MEMS-Schuppe eingeführt werden kann. Thermo elektrische Generation ist von den Temperaturgradienten abhängig, können Zehntel µW/cm2 Angeboten einer von den bescheidenen Piezoelektrischen Energiegewinnung ΔT=1 °C. erreicht werden ein einfacher Anflug für das Ernten von Energie vom Antrag oder von den Schwingungen. Die Einfachheit dieser Generatoren macht sie gut angepasst für MEMS-Fälschung und sogar Nano-Anwendungen. Energiedichte bis zu 1 mW/cm3 ist berichtet worden. Elektromagnetische Energiegewinnung ist eine gut eingerichtete Transductionstechnik, aber an der MEMS-Schuppe werden permanente Magneten und Druckenringe weniger effizient. Obgleich Technologie entwickelt, scheinen sie nicht, so einfach zu sein, als piezoelektrische Generatoren zu fabrizieren. Handelseinheiten haben eine Ausgabe der hohen Leistung (~10 mW), mm-groß Einheiten haben sich gezeigt bis 3 mW gezeigt, und kleinere Einheiten sind im Auftrag der Zehntel zu den Hunderten vom µW.

Mehrmodenenergiegewinnung ist ein Anflug, in dem Leistung aus einigen Umweltquellen produziert wird. Sie kann das Beste der oben genannten Transductionstechnologien entsprechend den erhältlichen Energiequellen nehmen. Alle oben genannten Transductionstechniken prüfen, dass die Technologie mit einer schnellen Kinetik für das Anschalten tragbar reift, eingebettet, verpflanzbar oder drahtlose Apparate. Obgleich Beschränkungen auf der Technologie noch existieren, sucht die Zukunft nach weit verbreiteten Anwendungen viel versprechend.


Bezüge

1. S Roundy. Auf der Wirksamkeit des Schwingung-basierten Energie-Erntens. Intelligente Matte. Anlagen und Struc., J, V. 16, Nr. 10.- Im Oktober 2005, S. 809-823.
2. E Hirasaki, ST. Moore, T Raphan und B Cohen. Effekte der gehenden Geschwindigkeit auf vertikale Kopf- und Jungenbewegungen während der Bewegung. Exp. Gehirnforschung, 1999, 127(2). pp.117-30.
3. N G Stephen. Auf der Energie, die von der umgebenden Schwingung erntet. J. des Tones und der Schwingung, V. 293, No.1-2. Im Mai 2006, S. 409-425.
4. S F J Flipsen. Alternative Stromversorgung für Portables und wearables. Delft-Technische Hochschule, 2005, 90 P.
5. E Romero. MEMS-Basierte Energie, die für NiederfrequenzSchwingungen Erntet. Unveröffentlichte Doktorarbeit, Technologische Universität Michigans. 2009.
6. E E Aktakka, H Kim, M Atashbar und K Najafi. Mechanische Energie, die von den Fluginsekten Erntet. Festzustand Sens., Tat. und Microsys. Werkstatt Im Juni 2008 pp. 382-383.
7. R Borno, J Steinmeyer und M Maharbiz. Energie Ausstossen Von Unreinheiten von der Transpiration. (Projektbeschreibung erhältlich von http://www.wimserc.org). Im Mai 2008.
8. N Ghafouri, H Kim und K Najafi. Ein Thermoelektrischer Mikrogenerator für Mikrosysteme. (Projektbeschreibung erhältlich von http://www.wimserc.org). Im Mai 2008.
9. T Galchev, H Kim, M Atashbar und K Najafi. MehrmodenEnergie-Ausstossen Von Unreinheiten von der Umgebung. Unveröffentlichtes Manuskript, University of Michigan, 2008.
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12. F Albano und A.M. Sastry. Auslegung und Optimierung der Stromversorgung für Drahtlose Integrierte Mikrosysteme. (Projektbeschreibung erhältlich von http://www.wimserc.org). Im Mai 2008.

Dargestellt an COMS 2008, Mexiko

Copyright AZoNano.com, MANCEF.org

Date Added: Jun 8, 2010 | Updated: Jul 15, 2013

Last Update: 15. July 2013 16:03

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