Micro cosechadores de energía - una fuente alternativa de energía renovable

por el Profesor Khalil Najafi

Los temas cubiertos

Abstracto
Introducción
Potencia disponible
Fuentes mecánicas de movimiento
Fuentes de energía solar y térmica
Técnicas de transducción
Los generadores electromagnéticos
Los generadores piezoeléctricos
Multi-Modo de Generadores de Energía
Desafíos
Eficiencia
Fabricación
Electrónica
Conclusiones
Referencias

Abstracto

El creciente número de dispositivos electrónicos autónomos en miniatura trae consigo el problema de un suministro adecuado, de energía confiable. Microcentrales ambientales generadores de aprovechamiento de la energía ofrece una fuente alternativa de energía renovable. Estas fuentes de alimentación pueden ayudar a apoyar los microsistemas ambientales, portátiles o implantables quirúrgicamente. Ellos pueden ayudar o sustituir las baterías, incluso en algunas aplicaciones.

Aprovechamiento de la energía de diversas fuentes del medio ambiente ha sido un área de investigación se centran en la Conexión Inalámbrica Integrada de Micro Systems Engineering Research Center (WIMS). Cosechadoras de micro de energía basado en piezoeléctricos, técnicas electromagnéticas, termoeléctrica de la vibración y las fuentes de calor se están desarrollando. Baterías Micro también están siendo estudiados.

Una revisión de investigaciones sobre la conversión de la energía será presentado, incluyendo la optimización de sistemas alimentados por baterías de implantes biológicos, la energía de barrido de la transpiración, un generador termoeléctrico micro de microsistemas, la energía multimodo barrido del medio ambiente, basados ​​en MEMS de captación de energía de las vibraciones de baja frecuencia , y basados ​​en MEMS tesoro energía mecánica para los insectos voladores

Algunos de los desafíos en curso permanecen antes de que estos carroñeros pueden ser adoptadas a escala comercial. Estos incluyen: 1) La miniaturización de los generadores, 2) la mejora de la densidad de energía disponible, 3) aumentar la eficiencia de la energía del medio ambiente de acoplamiento a los recolectores de micro, 4) desarrollo de rectificación de alta eficiencia energética y de almacenamiento de energía, y 5) el desarrollo de envases dispositivo adecuado por mucho tiempo plazo fiabilidad. Algunos resultados recientes en estas áreas serán presentados.

Introducción

Control remoto microsistemas han sido limitados por la vida de la batería y el tamaño de la batería. Las baterías suelen ser el componente dominante en términos de tamaño a escala micro. Muestra la energía de la cosecha promete ser una alternativa para la alimentación de estos dispositivos. La generación de energía a partir de los cambios de vibración o movimiento, la luz solar y la temperatura se ha establecido como una alternativa comercial viable de propulsión humana linternas, calculadoras solares, relojes de pulsera y potencia térmica.

Cosechadoras microcentrales están dirigidos a aplicaciones donde la sustitución de despliegue de la batería en dispositivos basados ​​o cuando la batería es difícil, costoso o imposible. Ubicaciones remotas de detección, control integrado estructural, el seguimiento de los contenedores de transporte, los marcapasos, y humanimplants se encuentran entre las aplicaciones en las que funcionan con baterías de dispositivos tienen limitaciones.

Aprovechamiento de la energía de fuentes ambientales ha sido un área de investigación durante la última década, y un enfoque de investigación de la Conexión Inalámbrica Integrada de Micro Systems Engineering Research Center (WIMS). WIMS está desarrollando electromagnética piezoeléctricos, y las técnicas de aprovechamiento de la energía termoeléctrica a partir de fuentes de vibración y el calor. De administración de energía y baterías micro también están siendo estudiados. Una revisión de investigaciones sobre la conversión de la energía se presenta, incluyendo proyectos WIMS recientes.

Potencia disponible

Fuentes mecánicas de movimiento

El movimiento mecánico es una fuente de energía que ha atraído una amplia atención de la recolección de energía. Esto se puede hacer ya sea activa o pasivamente. Generadores de pasivos utilizan mecanismos de inercia, como prueba de masas unidos a máquinas o incluso cuerpos humanos. Estos generadores de inercia utilizar el desplazamiento masivo de la prueba y un mecanismo de transducción para la generación de energía.

Un diseño común consiste en una masa de prueba (m) conectado a un host en movimiento a través de un conjunto primaveral. El generador eléctrico suele amortigua el movimiento de la masa inercial. La energía disponible para un movimiento de desplazamiento lineal en la resonancia es

P _max = _elegir (1 / 4) (a ² / ω) MQ (1)

Los factores limitantes son tres, la relación de aceleración al cuadrado-a-frecuencia (ASTF) factor (un ω / ^2), la masa de prueba (m) y el factor de calidad (Q). La primera es una restricción de la fuente de entrada, y el segundo y el tercero una restricción de diseño. En la Tabla 1, el factor ASTF puede ser tan bajo como 0.001, por las vibraciones de la máquina, a valores tan altos como 3, de la marcha humana.

Tabla 1. ASTF factor de ^{1 , 2}

La potencia máxima entregada a una carga eléctrica es la mitad de lo que está disponible (P = P _{max elegir disponible} / 2) ³ . Reorganización de la densidad de energía volumétrica, donde m = ρ V,

(P _{max electo} / V) = (1 / 4) (a ω / ²⁾ ρ Q (2)

Trazado (2) usando la tabla 1 los datos, la selección de Q-factores que van 1 a 1000, y suponiendo una densidad de masa de prueba de 10 g / cm ³ (por simplicidad, y similar a la de molibdeno), da la gráfica de la figura 1, que representa el potencia máxima que puede ser transferida a la carga eléctrica.