Máquinas Segadores Micras de la Energía - Una Fuente de la Energía Renovable Alternativa

por Profesor Khalil Najafi

Edwar Romero1, Tzeno Galchev2, Erkan Aktakka2, Niloufar Ghafouri2, Hanseup Kim2, Michael Neuman1, Khalil Najafi2,3 y Roberto Warrington1,3
1 Universidad Tecnológica de Michigan
2 Departamento de Universidad de Michigan de la Ingeniería Eléctrica y De informática
3 Centro de Investigación Micro Integrado Inalámbrico de la Ingeniería de Sistemas (WIMS ERC)
Autor Correspondiente: najafi@umich.edu

Temas Revestidos

Extracto
Introducción
Potencia Disponible
     Fuentes Mecánicas del Movimiento
     Fuentes Solares y Térmicas
Técnicas de la Transducción
     Generadores Electromágneticos
     Generadores Piezoeléctricos
     Generadores Con Varios Modos De Funcionamiento de la Energía
Retos
     Eficiencia
     Fabricación
     Electrónica
Conclusiones
Referencias

Extracto

El número cada vez mayor de dispositivos electrónicos miniatura autónomos trae con él el problema de una fuente de alimentación adecuada, segura. La energía ambiental de la Microfuerza que cosecha los generadores ofrece una fuente de la energía renovable alternativa. Estas fuentes de alimentación pueden ayudar a utilizar microsistemas ambientales, usables o quirúrgico implantables. Pueden ayudar o aún reemplazar a las baterías en algunas aplicaciones.

La Cosecha de energía de diversas fuentes ambientales ha sido un campo de enfoque de la investigación en el Centro de Investigación Micro Integrado Inalámbrico de la Ingeniería de Sistemas (WIMS). Las máquinas segadores Micras de la energía basadas en técnicas piezoeléctricas, electromágneticas, termoeléctricas de la vibración y de fuentes de calor se están desarrollando. Las baterías Micras también se están estudiando.

Una revista de la investigación sobre la conversión de energía será presentada, incluyendo la optimización de los sistemas con pilas para los implantes biológicos, el barrido de la energía de la transpiración, un generador termoeléctrico micro para los microsistemas, el barrido con varios modos de funcionamiento de la energía del ambiente, la energía MEMS-basada que cosecha para las vibraciones de baja fricción, y el limpiador MEMS-basado de la energía mecánica para los insectos de vuelo

Sigue habiendo Algunos retos en curso antes de que estos limpiadores se puedan adoptar en un comercial. Éstos incluyen: 1) Miniaturización de generadores; 2) mejorando la densidad de energía disponible, 3) aumentando la eficiencia de la energía ambiental que acopla a las máquinas segadores micras, 4) rectificación de la potencia de la eficacia alta y almacenamiento de energía que se convierte, y 5) dispositivo conveniente que se convierte que empaqueta para la confiabilidad a largo plazo. Algunos resultados recientes en estas áreas serán presentados.

Introducción

los microsistemas accionados por control remoto han sido limitados por curso de la vida de la batería y talla de la batería. Las Baterías son típicamente el componente dominante en términos de talla en la escala micra. Energía que cosecha promesa de las demostraciones como opción para mover por motor estos dispositivos. La generación de la Energía de la vibración o movimiento, luz solar, y los cambios de temperatura se ha establecido como opción viable comercial en las linternas humano-movidas por motor, las calculadoras solares, y los relojes térmico-movidos por motor.

Las máquinas segadores de la Microfuerza se apuntan a las aplicaciones donde despliegue de dispositivos batería-basados o cuando el repuesto de la batería es difícil, costoso o imposible. Las ubicaciones de la teledetección, la supervisión estructural embutida, el seguir su trayectoria de los contenedores, los marcapasos, y los humanimplants son entre esas aplicaciones donde los dispositivos con pilas tienen limitaciones.

La Cosecha de energía de fuentes ambientales ha sido un campo de investigación durante la última década, y un enfoque de la investigación en el Centro de Investigación Micro Integrado Inalámbrico de la Ingeniería de Sistemas (WIMS). WIMS es técnicas piezoeléctricas, electromágneticas, y termoeléctricas el convertirse para cosechar energía de fuentes de la vibración y de calor. Están estudiando a la administración de la Potencia y las baterías micras también. Una revista de la investigación sobre la conversión de energía se presenta, incluyendo proyectos recientes de WIMS.

Potencia Disponible

Fuentes Mecánicas del Movimiento

El movimiento Mecánico es una fuente de energía que ha atraído la atención amplia para la cosecha de la energía. Esto se puede hacer activamente o pasivo. Los generadores Pasivos utilizan mecanismos de inercia, tales como masas de la prueba asociadas a las máquinas o aún a los cuerpos humanos. Estos generadores de inercia utilizan la dislocación de la masa de la prueba y un mecanismo de la transducción para la producción de energía.

Un diseño común consiste en una masa de la prueba (m) asociada a un ordenador principal móvil con a muelle-como junta. El generador eléctrico amortigua típicamente el movimiento del Massachusetts de inercia. La potencia disponible para un movimiento lineal de la dislocación en la resonancia es

Pmax elect = (1/4) mQ (2a/ω) (1)

Los factores de limitación son tres, la relación de transformación del factor (ASTF) de la aceleración-ajustar-a-frecuencia (a/ω2), la masa de la prueba (m) y el factor de calidad (q). Primer es una restricción de la fuente de entrada de información, y segunda y tercera que es una restricción de diseño. Del Cuadro 1, el factor de ASTF puede ser tan inferior como 0,001, para las vibraciones de la máquina, a los valores de hasta 3, para recorrer humano.

Factor del Cuadro 1. ASTF1,2

Fuente de la Vibración

Aceleración (m/s2)

Frecuencia (Hertz)

ASTF (a/ω2)

Compartimientos motores de Vehículo

12

200

0,115

Base de la máquina-herramienta triaxial

10

70

0,227

Cubierta de la Licuadora

6,4

121

0,054

Secante de Ropa

3,5

121

0,016

Panel de instrumentos del Vehículo

3

13

0,110

Breadmaker

1,03

121

0,001

El Recorrer (aceleración principal)

2-6.8

1.3-2.4

0.5-3.06

La potencia máxima entregada a una carga eléctrica es mitad de cuál está disponible (Pmax elect = P/2)available3. Cambiando para la densidad de potencia volumétrica, donde m=ρV,

(Pmax elect /V) = (1/4) ρQ (2a/ω) (2)

El Trazado (2) usando los datos del Cuadro 1, seleccionando los Q-Factores que colocan a partir de la 1-1000, y si se asume que una densidad de la masa de la prueba de 10 g/cm3 (para la simplicidad, y similar al molibdeno), da el gráfico del Cuadro 1 que representa la potencia máxima que se puede transferir a la carga eléctrica.

El Cuadro 1 ayuda a visualizar las áreas sin aprovechar para la cosecha de la energía. El uso de los movimientos del cuerpo humano, representado por altos factores de ASTF y Q-Factores inferiores, abre la posibilidad de la energía humano-basada que cosecha en los niveles comparables a ésos alcanzada por los dispositivos automatizados (los factores inferiores de ASTF y Q>100).

Cuadro 1. potencia Máxima disponible

Fuentes Solares y Térmicas

Las células Solares o los generadores (PV) fotovoltaicos de la energía pueden convertir energía solar en la electricidad que emplea el efecto fotoeléctrico. El silicio Monocristalino (mono-c-Si), el silicio policristalino (polivinílico-c-Si), y el silicio amorfo (uno-Si) son los materiales dominantes para la generación del PICOVOLTIO. Las células del PICOVOLTIO pueden producir hasta 100 W/m2 (con el 10% de eficiencia y de una intensidad de luz de 1000 W/m)2. Las Células hechas del uno-Si producirán menos que eso debido a su rendimiento más bajo (5 - el 7%). Las eficiencias Típicas de células comerciales son cerca de 13-16% para el mono-c-Si y 12-14% para el polivinílico-c-Si4. La eficiencia de células solares disminuye logarítmico con la intensidad de luz.

Los generadores Termoeléctricos (TEG) producen la electricidad basada en el efecto de Seebeck. Ésta es la generación de electricidad debido a las diferencias de la temperatura en dos diversos metales que forman un bucle. La eficiencia de conversión Típica para estos sistemas está bien debajo del 10%. Los rendimientos de Potencia hasta 340 mW/cm2 para ΔT = 200°C en la eficiencia 4,5%, y los valores modestos del 13µW/cm2 en ΔT = 1°C para el reloj del Ciudadano TEG han estado señalados4.

Técnicas de la Transducción

Generadores Electromágneticos

La Energía que cosecha de la transducción electromágnetica es basada en el voltaje inducido en una bobina por un imán móvil, o un imán fijo y una bobina móvil. La cantidad de potencia generada depende basándose en el campo magnético, el número de giros de la bobina, y el cambio de la densidad de flux magnético a través de la bobina debido al movimiento externo de la entrada de información. Un decorado común es un imán móvil asociado a un haz o a un muelle. El imán en sí mismo actúa típicamente como el Massachusetts de la prueba. El campo magnético que opone generado por las corrientes en la bobina amortiguará el movimiento del imán mientras que suministra energía. El Cuadro 2 resume las conclusión de las máquinas segadores de inercia de la energía electromágnetica.

Un prototipo preliminar de una máquina segador MEMS-basada de la energía para las vibraciones de baja fricción en WIMS se compone de los imanes discretos de NdFeB en una masa oscilante con una bobina de múltiples capas engranaje-dada forma fabricada usando fotolitografía5. El prototipo ha producido el µW 2rms de la potencia en 2,5 Hertz. Una prueba para la generación humano-basada de la energía generó 7,4 milivoltiorms bajo condiciones sin carga cuando estaba colocada cerca del codo mientras que recorría. Los rendimientos de Mayor potencia se preveen para los prototipos optimizados.

Máquinas segadores de la energía Electromágnetica del Cuadro 2.5

Institución

Vol. (cm3)

Freq. (Hertz)

Potencia Máxima (µW)

Densidad de Potencia (µW/cm3)

Southampton

0,24

322

530

2208

CUHK

1,0

110

830

830

ETH-Zurich

0,5

2

35

70

HSG-IMIT

1,5

80

3000

2000

MTU WIMS

1,5

2,5

2

1,3

Soluciones Ferro

30

21

9300

43

Generadores Piezoeléctricos

La generación de la Energía de la transducción piezoeléctrica se basa en el voltaje generado cuando un material piezoeléctrico está conforme a una deformación mecánica. Los generadores Piezoeléctricos se dan forma típicamente como haces voladizos, membranas u otras estructuras. Un externo aplicado o una fuerza de inercia produce la deformación necesaria para generar energía. El Cuadro 3 resume las diversas aproximaciones que son estudiadas para la generación piezoeléctrica de la energía.

El trabajo Preliminar sobre un limpiador piezoeléctrico MEMS-basado de la energía mecánica para los insectos de vuelo en WIMS se ha utilizado para la generación de la energía de martinetes del vuelo. Los haces voladizos Piezoeléctricos pegados en la parte de atrás de martinetes comienzan a vibrar cuando son golpeados por los recorridos del ala. Los Prototipos probados habían proporcionado al µW hasta 11,5 para un dispositivo de 113 milímetros en 92 Hertz. Cientos µW quince de potencia se pueden preveer de recorridos del ala del martinete6.

Máquinas segadores Piezoeléctricas de la energía del Cuadro 3.5

Institución

Vol. (cm3)

Freq. (Hertz)

Potencia Máxima (µW)

Densidad de Potencia (µW/cm3)

MIT

10

1,1

8400

840

Uc Berkeley

1

120

375

375

Nebraska U.

6

1

850

142

K.U. Lovaina

0,6

1

40

67

MTU/ASU

0,4

1

176

440

UM/WIMS

0,01

92

11,5

1045

Generadores Con Varios Modos De Funcionamiento de la Energía

El barrido Con Varios Modos De Funcionamiento de la energía del ambiente es un proyecto de WIMS que intenta desarrollar una unidad de la producción de energía que pueda evacuar energía de diferentes fuentes incluyendo la vibración, el calor o la energía solar. Además de cosechar energía de esos nuevos enfoques de las fuentes en la generación de la energía se están convirtiendo, por ejemplo termoeléctrico transpiración-basada, micro para los insectos de vuelo, y la hacia arriba-conversión de la frecuencia.

Un proyecto sobre el barrido de la energía de la transpiración es una aproximación que emplea la evaporación en la temperatura ambiente. El Flujo inducido por la evaporación en los canales micro-hidráulicos impulsa burbujas de gas a través de las placas del condensador que generan energía. Una densidad de poder más elevado se prevee de este proyecto7. Un generador termoeléctrico micro para los microsistemas está señalado para evacuar energía de martinetes del vuelo. Se prevee que la Potencia del µW 10-15 sea generada cuando está implantada en la parte de atrás de un martinete, con una densidad de potencia cerca de 200 µW/cm2 y de un ΔT=11 °C.8

Un esquema de la conversión de la frecuencia-hacia arriba se piensa para capturar la vibración de baja fricción ambiental (menos de 100 Hertz) para activar una estructura alto-resonante de la frecuencia (sobre 1 kilociclo). Se prevee que el Revelado en los hacia arriba-transformadores mecánicos de la frecuencia muestre el 23% una eficiencia creciente un aumento, y de la densidad de energía a partir de 14,5 mW/cm3 (dispositivo de baja fricción) a 17,8 mW/cm3 (dispositivo de la hacia arriba-conversión)9.

Retos

Hay algunas limitaciones que han desafiado la energía que cosechaba en la microescala, tal como la eficiencia de la generación de la energía y la densidad de energía, DC-rectificación, almacenamiento y administración de energía, fabricación, longevidad y empaquetado. Una reseña de estos retos en curso se discute en los párrafos siguientes para tener una mejor comprensión de ellos.

Eficiencia

La eficiencia se representa como la relación de transformación de la potencia generada a la potencia disponible. Aunque la potencia producida se presente, y la potencia disponible es definida por (1), no todos los términos de Eq. (1) está señalado para estimar la eficiencia. Los coeficientes del Acoplamiento hasta 0.6-0.8 se han presentado como límites posibles para cada uno de esas técnicas de la transducción3. Además, los proyectos en fase de desarrollo en WIMS, tal como la aproximación de la hacia arriba-conversión de la frecuencia9, pueden ayudar a mejorar la eficiencia del sistema.

Las máquinas segadores Electromágneticas de la potencia sobre 1 mW y bajo 1 cm3 para las vibraciones de la máquina alrededor 100 Hertz, y las máquinas segadores produciendo sobre el µW 100 y bajo 1 cm3 para las actividades humano-basadas se pueden preveer en un futuro próximo. Los niveles de Potencia de máquinas segadores piezoeléctricas de la energía cerca de 10 mW en 1 Hertz y densidad de potencia de 1 mW/cm3 en 92 Hertz fueron presentados en máquinas segadores Piezoeléctricas de la potencia del Cuadro 3. sobre 1 mW y bajo 1 cm3 para la vibración automatizada alrededor 100 Hertz se pueden preveer más lejos conectado.

Fabricación

Una de las limitaciones para los transductores electromágneticos es la fabricación del imán (PM) permanente. los procesos MEMS-compatibles no rinden PMs con las mismas características que los imanes a granel. Las técnicas Típicas de la fabricación de chisporrotear y de electrochapar la fino-película de la producción acodan (<10µm) aunque la deposición de la grueso-película (el 100-800µm) en las bajas temperaturas se haya estudiado10. El Modelar de un P.M. se ha demostrado para los modelos milímetro-clasificados del polo magnético, usando bobinas u ordenaciones suave-magnéticas para inducir la magnetización10,11.

Otra limitación para los generadores electromágneticos rotatorios es la necesidad de los rodamientos de la inferior-fricción convenientes de procesos de la fabricación de MEMS. los rodamientos de la Micro-Bola, los pivotes giratorios, y los rodamientos magnéticos pueden ser opciones posibles. Las máquinas segadores de la Energía operatorio en vacío tienen menos bajas asociadas al aire que amortigua, pero crean la necesidad del empaquetado especial para mantener el entorno de trabajo de (bio-implantado, estructura-embutido, exposición al ambiente duro).

Electrónica

Debido a la naturaleza de la generación de la energía, el rendimiento es una señal de la CA de la tiempo-variante. Así, la rectificación de DC y la regla de voltaje son necesarias para la mayoría de las aplicaciones electrónicas. El Conjunto De Circuitos debe explicar la rectificación, la regla, el mando, y el almacenamiento de la energía producida. La mayor parte de las máquinas segadores de la energía emplearon los circuitos de la rectificación del puente. Pero el polarizar hacia adelante de los diodos puede todavía ser alto para el rendimiento de baja tensión de algunos dispositivos. En este caso, los multiplicadores del voltaje o los transformadores se han utilizado para aumentar los niveles voltaicos.

La electrónica Activa puede vencer algunas de las limitaciones anteriores, pero un equilibrio entre su consumo de energía y la energía producida debe ser tenido en cuenta. La Optimización de las fuentes de alimentación para los microsistemas integrados inalámbricos es también debajo estudio en WIMS. Una batería micromachined para las fuentes de la híbrido-potencia que es compatible con procesos de la fabricación de MEMS fue convertida y los resultados se han utilizado para diseñar y para optimizar la fuente de energía para el sensor implantable de la presión intraocular de WIMS, y el implante coclear de WIMS12.

Conclusiones

La cosecha de la Energía es un área de investigación cada vez mayor que se ha estado desarrollando despacio para convertirse en productos comercializados, de radios que operan manualmente y de linternas sacudimiento-impulsadas a las aplicaciones inalámbricas de la supervisión.

La generación Fotovoltaica de la energía rinde un rendimiento de poder más elevado (10 mW/cm2) y es una tecnología probada que se puede ejecutar en la MEMS-Escala. La generación eléctrica Terma es relacionada en gradientes de temperatura, los décimos de µW/cm2 se pueden obtener de ofertas Piezoeléctricas modestas de ΔT=1 °C. de una generación de la energía una aproximación simple para cosechar energía del movimiento o de vibraciones. La simplicidad de estos generadores los hace bien adaptados para la fabricación de MEMS e incluso las aplicaciones nanas. La densidad de Energía hasta 1 mW/cm3 ha estado señalada. La generación de la energía Electromágnetica es una técnica establecida de la transducción, pero en la MEMS-escala los imanes permanentes y las imprimir-bobinas llegan a ser menos eficientes. Aunque la tecnología se esté desarrollando, no aparecen ser tan simples fabricar como generadores piezoeléctricos. Los dispositivos Comerciales han mostrado un rendimiento de poder más elevado (~10 mW), los dispositivos milímetro-clasificados han aparecido a 3 mW, y dispositivos más pequeños están por orden de décimos a los centenares de µW.

La generación Con Varios Modos De Funcionamiento de la energía es una aproximación donde la potencia se produce de varias fuentes ambientales. Puede tomar el mejor de las tecnologías antedichas de la transducción según las fuentes de energía disponibles. Todas Las técnicas antedichas de la transducción prueban que la tecnología se está madurando a un tipo rápido para mover por motor portátil, embutido, implantable o los dispositivos inalámbricos. Aunque todavía existan las limitaciones en la tecnología, el futuro parece prometedor para las aplicaciones dispersas.


Referencias

1. S Roundy. En la eficacia de la Cosecha vibración-basada de la Energía. Estera Inteligente. Sistemas y Struc., J, V. 16, No. 10. Octubre de 2005, Págs. 809-823.
2. E Hirasaki, ST Moore, T Raphan, y B Cohen. Efectos de la velocidad que recorre sobre los movimientos verticales de la carga y del muchacho durante la locomoción. Exp. investigación del cerebro, 1999, 127(2). pp.117-30.
3. N G Stephen. En la energía que cosecha de la vibración ambiente. J. del sonido y de la vibración, V. 293, No.1-2. Mayo de 2006, Págs. 409-425.
4. S F J Flipsen. Fuentes de energía Alternativas para los portables y los wearables. Universidad Tecnológica de la Cerámica de Delft, 2005, 90 P.
5. E Romero. Energía MEMS-Basada Que Cosecha para las Vibraciones De baja fricción. Disertación doctoral Inédita, Universidad Tecnológica de Michigan. 2009.
6. E E Aktakka, H Kim, M Atashbar, y K Najafi. Energía Mecánica Que Cosecha de insectos de vuelo. Sens De Estado Sólido., Acto., y Microsys. Curso, Junio de 2008, pp 382-383.
7. R Borno, J Steinmeyer, y M Maharbiz. Barrido de la Energía de la Transpiración. (Descripción de Proyecto disponible de http://www.wimserc.org). Mayo de 2008.
8. N Ghafouri, H Kim, y K Najafi. Un Generador Termoeléctrico Micro para los Microsistemas. (Descripción de Proyecto disponible de http://www.wimserc.org). Mayo de 2008.
9. T Galchev, H Kim, M Atashbar, y K Najafi. Barrido Con Varios Modos De Funcionamiento de la Energía del Ambiente. Manuscrito Inédito, Universidad de Michigan, 2008.
10. B Pawlowski, S Schwarzer, Un Rahmig, y J Topfer. Thickfilms de NdFeB preparados por el bastidor moldeado de la cinta. J. del Magnetismo y de la Estera Magnética. V. 265, 2003, Págs. 337-344
11. N Achotte, P un Gil, O Cugat, J Delamare, Horterada de P, C Dieppedale. Micromotors Magnético Sin Cepillo Planar. J. Microelect. Sistema. V. 15, N. 4, Agosto de 2006, Págs. 1001-1014.
12. F Albano y A.M. Sastry. Diseño y Optimización de las Fuentes de Alimentación para los Microsistemas Integrados Inalámbricos. (Descripción de Proyecto disponible de http://www.wimserc.org). Mayo de 2008.

Presentado en COMS 2008, México

Derechos De Autor AZoNano.com, MANCEF.org

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

Last Update: 15. July 2013 16:36

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