Moissonneuses Micro d'Énergie - Une Source Alternative d'Énergie Renouvelable

par Professeur Khalil Najafi

Edwar Romero1, Tzeno Galchev2, Erkan Aktakka2, Niloufar Ghafouri2, Hanseup Kim2, Michael Neuman1, Khalil Najafi2,3 et Robert Warrington1,3
1 Université Technologique du Michigan
2 Service d'Université du Michigan de Génie Électrique et De l'informatique
3 Centre de Recherche Micro Intégré Sans Fil d'Ingénierie Des Systèmes (WIMS ERC)
Auteur Correspondant : najafi@umich.edu

Sujets Couverts

Résumé
Introduction
Alimentation Électrique Disponible
     Sources Mécaniques de Mouvement
     Sources Solaires et Thermiques
Techniques de Transduction
     Générateurs Électromagnétiques
     Générateurs Piézoélectriques
     Générateurs À plusieurs modes de fonctionnement d'Énergie
Défis
     Efficience
     Fabrication
     L'Électronique
Conclusions
Références

Résumé

Le nombre croissant d'appareils électroniques miniatures autonomes porte avec lui le problème d'un bloc d'alimentation adéquat et fiable. L'énergie environnementale de Micropuissance moissonnant des générateurs offrent une source alternative d'énergie renouvelable. Ces blocs d'alimentation peuvent aider à supporter des microsystèmes environnementaux, portables ou chirurgicalement implantables. Ils peuvent aider ou même remonter des batteries dans quelques applications.

La Moisson de l'énergie des sources environnementales variées a été un domaine de foyer de recherche au Centre de Recherche Micro Intégré Sans Fil d'Ingénierie Des Systèmes (WIMS). Des moissonneuses Micro d'énergie basées sur des techniques piézoélectriques, électromagnétiques, thermoélectriques de vibration et de sources de chaleur sont développées. Des batteries Micro également sont étudiées.

Un examen de recherche sur la conversion d'énergie sera présenté, y compris l'optimisation des systèmes à piles pour les implants biologiques, le balayage d'énergie de la transpiration, un générateur thermoélectrique micro pour des microsystèmes, le balayage à plusieurs modes de fonctionnement d'énergie de l'environnement, l'énergie MEMS-basée moissonnant pour des vibrations basses fréquences, et le Scavenger MEMS-basé d'énergie mécanique pour des insectes de vol

Quelques défis actuels demeurent avant que ces Scavenger puissent être adoptés sur un à l'échelle commerciale. Ceux-ci comprennent : 1) Miniaturisation des générateurs ; 2) améliorant la densité d'énergie disponible, 3) augmentant l'efficience de l'énergie environnementale s'accouplant aux moissonneuses micro, 4) rectification d'alimentation électrique de haute performance et stockage de l'énergie se développant, et 5) dispositif adapté se développant empaquetant pour la fiabilité à long terme. Quelques résultats récents dans ces zones seront présentés.

Introduction

des microsystèmes télécommandés ont été limités par la vie de batterie et la taille de batterie. Les Batteries sont type le composant dominant en termes de taille à l'échelle micro. Énergie moissonnant la promesse d'expositions comme alternative pour actionner ces dispositifs. Le rétablissement d'Énergie de la vibration ou le mouvement, la lumière solaire, et les changements de température a été déterminé comme alternative viable commerciale sur les lampes-torches humaines humain, les calculatrices solaires, et les montres-bracelet à la force de la thermique.

Des moissonneuses de Micropuissance sont visées aux applications où déploiement des dispositifs batterie-basés ou quand le remontage de batterie est difficile, coûteux ou impossible. Le Distant sentant des emplacements, la surveillance structurelle incluse, cheminement des récipients d'expédition, des stimulateurs, et des humanimplants sont parmi applications où les dispositifs à piles ont des limitations.

La Moisson de l'énergie des sources environnementales a été un domaine de recherche au cours de la dernière décennie, et un foyer de recherches au Centre de Recherche Micro Intégré Sans Fil d'Ingénierie Des Systèmes (WIMS). WIMS est des techniques piézoélectriques, électromagnétiques, et thermoélectriques de se développer pour moissonner l'énergie de la vibration et des sources de chaleur. La Gestion de l'alimentation et les batteries micro également sont étudiées. Un examen de recherche sur la conversion d'énergie est présenté, y compris des projets récents de WIMS.

Alimentation Électrique Disponible

Sources Mécaniques de Mouvement

Le mouvement Mécanique est une source d'énergie qui a attiré une attention large pour la moisson d'énergie. Ceci peut être fait activement ou passivement. Les générateurs Passifs utilisent les mécanismes à inertie, tels que les masses d'épreuve fixées aux machines ou même aux corps humains. Ces générateurs à inertie utilisent le déplacement de la masse d'épreuve et un mécanisme de transduction pour la production d'électricité.

Un design commun se compose d'une masse d'épreuve (m) fixée à un hôte mobile par une articulation source source. Le générateur électrique mouille type le mouvement de Massachusetts à inertie. L'alimentation électrique disponible pour un mouvement linéaire de déplacement à la résonance est

Pmax elect = (1/4) mQ (2a/ω) (1)

Les facteurs limitatifs sont trois, le taux du facteur (ASTF) d'accélération-ajuster-à-fréquence (a/ω2), la masse d'épreuve (m) et le facteur de qualité (q). Le premier est une contrainte de source de puissance d'entrée, et le deuxième et troisième étant une contrainte de design. Du Tableau 1, le facteur d'ASTF peut être aussi faible que 0,001, pour des vibrations de machine, aux valeurs aussi élevées que 3, pour la marche humaine.

Facteur du Tableau 1. ASTF1,2

Source de Vibration

Accélération (m/s2)

Fréquence (Hertz)

ASTF (a/ω2)

Compartiments réacteur de Véhicule

12

200

0,115

Base de machine-outil triaxiale

10

70

0,227

Manteau de bec de Mélangeur

6,4

121

0,054

Dessiccateur de Vêtements

3,5

121

0,016

Tableau de bord de Véhicule

3

13

0,110

Breadmaker

1,03

121

0,001

Marche (accélération principale)

2-6.8

1.3-2.4

0.5-3.06

L'alimentation électrique maximum fournie à une charge électrique est moitié de ce qui est disponible (Pmax elect = P/2)available3. Permutant pour la densité d'alimentation électrique volumétrique, où m=ρV,

(Pmax elect /V) = (1/4) ρQ (2a/ω) (2)

Le Traçage (2) utilisant des données du Tableau 1, sélectant des Q-Facteurs s'échelonnant de 1-1000, et assumant une densité de la masse d'épreuve de 10 g/cm3 (pour la simplicité, et assimilé au molybdène), donne le graphique du Schéma 1 qui représente l'alimentation électrique maximum qui peut être transférée à la charge électrique.

Le Schéma 1 aide à concevoir des zones inexploitées pour la moisson d'énergie. L'utilisation des mouvements de corps humain, représentée par des facteurs élevés d'ASTF et des Q-Facteurs faibles, ouvre la possibilité d'énergie humain-basée moissonnant aux niveaux comparables à ceux atteinte par les dispositifs automatisés (des facteurs faibles d'ASTF et Q>100).

Le Schéma 1. alimentation électrique Maximum disponible

Sources Solaires et Thermiques

Les piles Solaires ou les générateurs (PV) photovoltaïques d'énergie peuvent convertir l'énergie solaire en électricité utilisant l'effet photoélectrique. Le silicium Monocristallin (mono-c-SI), le silicium polycristallin (poly-c-SI), et le silicium amorphe (un-SI) sont les matériaux dominants pour le rétablissement de PICOVOLTE. Les cellules de PICOVOLTE peuvent produire jusqu'à 100 W/m2 (avec 10% d'efficience et d'une intensité de lumière de 1000 W/m)2. Les Cellules faites en un-SI produiront moins que cela à cause de son efficience inférieure (5 - 7%). Les efficiences Particulières des cellules commerciales sont environ 13-16% pour mono-c-SI et 12-14% pour poly-c-SI4. L'efficience des piles solaires diminue logarithmiquement avec l'intensité de lumière.

Les générateurs Thermoélectriques (TEG) produisent l'électricité basée sur l'effet de Seebeck. C'est le rétablissement de l'électricité dû aux différences de la température sur deux métaux différents formant une boucle. L'efficience de conversion Particulière pour ces systèmes est bien en-dessous de 10%. Des Puissances de sortie jusqu'à 340 mW/cm2 pour ΔT = 200°C à l'efficience 4,5%, et les valeurs modestes de 13µW/cm2 à ΔT = 1°C pour la montre-bracelet du Citoyen TEG ont été enregistrées4.

Techniques de Transduction

Générateurs Électromagnétiques

L'Énergie moissonnant de la transduction électromagnétique est basée sur la tension induite sur une bobine par un aimant mobile, ou un aimant fixe et une bobine mobile. La quantité d'énergie produite dépend de la force du champ magnétique, du nombre de spires de la bobine, et de la modification de la densité de flux magnétique par la bobine due au mouvement externe de puissance d'entrée. Un scénario commun est un aimant mobile fixé à une poutre ou à une source. L'aimant agit par lui-même type en tant que Massachusetts d'épreuve. Le champ magnétique de opposition produit par des courants dans la bobine mouillera le mouvement d'aimant tout en acceptant l'énergie. Le Tableau 2 récapitule les découvertes des moissonneuses à inertie d'énergie électromagnétique.

Un prototype préliminaire d'une moissonneuse MEMS-basée d'énergie pour des vibrations basses fréquences à WIMS se compose d'aimants discrets de NdFeB sur une masse de oscillation avec une bobine multicouche train train fabriquée utilisant la photolithographie5. Le prototype a produit le µW 2rms de l'alimentation électrique à 2,5 Hertz. Un test pour le rétablissement humain-basé d'énergie a produit de 7,4 système mvrms dans des conditions à vide une fois mis près du genou tout en marchant. Des puissances de sortie Plus Élevées sont prévues pour les prototypes optimisés.

Moissonneuses d'énergie Électromagnétique du Tableau 2.5

Institution

Vol. (cm3)

Freq. (Hertz)

Alimentation Électrique Maximum (µW)

Densité d'Alimentation Électrique (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

Solutions Ferros

30

21

9300

43

Générateurs Piézoélectriques

Le rétablissement d'Énergie de la transduction piézoélectrique est basé sur la tension produite quand un matériau piézoélectrique est sujet à une déformation mécanique. Des générateurs Piézoélectriques sont type formés en tant que les poutres en porte-à-faux, les membranes ou d'autres structures. Une force externe ou à inertie appliquée produit la déformation requise pour produire de l'énergie. Le Tableau 3 récapitule les différents élans étant étudiés pour le rétablissement piézoélectrique d'énergie.

Le travail Préliminaire sur Scavenger piézoélectrique MEMS-basé d'énergie mécanique pour des insectes de vol à WIMS a été utilisé pour le rétablissement d'énergie des scarabées de vol. Les poutres en porte-à-faux Piézoélectriques collées au dos des scarabées commencent à vibrer quand elles sont heurtées par les rappes d'aile. Les Prototypes testés avaient fourni le µW jusqu'à 11,5 pour un dispositif de 113 millimètres à 92 Hertz. Cents µW quinze d'alimentation électrique peuvent être prévus des rappes d'aile de scarabée6.

Moissonneuses Piézoélectriques d'énergie du Tableau 3.5

Institution

Vol. (cm3)

Freq. (Hertz)

Alimentation Électrique Maximum (µW)

Densité d'Alimentation Électrique (µW/cm3)

MIT

10

1,1

8400

840

Uc Berkeley

1

120

375

375

Le Nébraska U.

6

1

850

142

K.U. Louvain

0,6

1

40

67

MTU/ASU

0,4

1

176

440

UM/WIMS

0,01

92

11,5

1045

Générateurs À plusieurs modes de fonctionnement d'Énergie

Le balayage À Plusieurs Modes De Fonctionnement d'énergie de l'environnement est un projet de WIMS qui recherche à développer un ensemble de production d'électricité qui peut farfouiller l'énergie de différentes sources comprenant la vibration, la chaleur ou l'énergie solaire. En plus de moissonner l'énergie de ces élans nouveaux de sources sur le rétablissement d'énergie sont développés, comme thermoélectrique transpiration-basé et micro pour des insectes de vol, et la -conversion de fréquence.

Un projet sur le balayage d'énergie de la transpiration est un élan utilisant l'évaporation à la température ambiante. Le Flux induit par l'évaporation sur les tunnels micro-hydrauliques pilote des bulles de gaz par des plaques de condensateur produisant de l'énergie. Une densité de haute énergie est prévue de ce projet7. On enregistre qu'un générateur thermoélectrique micro pour des microsystèmes farfouille l'énergie des scarabées de vol. On s'attend à ce que l'Alimentation Électrique du µW 10-15 soit développée une fois implantée au dos d'un scarabée, avec une densité d'alimentation électrique de près de 200 µW/cm2 et d'un ΔT=11 °C.8

Un plan de conversion de fréquence- est destiné pour capturer la vibration basse fréquence environnementale (moins de 100 Hertz) pour lancer une structure haut-résonnante de fréquence (plus de 1 kilohertz). On s'attend à ce que le Développement sur les -convertisseurs mécaniques de fréquence affiche une performance accrue de 23%, et une augmentation de densité d'énergie de 14,5 mW/cm3 (dispositif basse fréquence) à 17,8 mW/cm3 (dispositif de -conversion)9.

Défis

Il y a quelques limitations qui ont contesté l'énergie moissonnant à la micro-échelle, telle que l'efficience du rétablissement d'énergie et la densité d'énergie, C.C-rectification, stockage et management de l'énergie, fabrication, longévité et emballage. Une synthèse de ces défis actuels est discutée dans les paragraphes suivants afin d'avoir une meilleure compréhension de eux.

Efficience

L'efficience est représentée comme rapport de l'alimentation électrique développée à l'alimentation électrique disponible. Bien Que l'alimentation électrique produite soit présentée, et l'alimentation électrique disponible est définie par (1), non toutes les conditions d'Eq. on enregistre que (1) estime l'efficience. Des coefficients de Couplage jusqu'à 0.6-0.8 ont été présentés en tant que limites possibles pour chacune de ces techniques de transduction3. De plus, les projets en cours de développement à WIMS, tel que l'élan de -conversion de fréquence9, peuvent aider à améliorer l'efficience du système.

Des moissonneuses Électromagnétiques d'alimentation électrique plus de 1 mW et au-dessous de 1 cm3 pour des vibrations de machine environ 100 Hertz, et les moissonneuses produisant plus de µW 100 et au-dessous de 1 cm3 pour des activités humain-basées peuvent être prévues dans un avenir proche. Des niveaux de Puissance des moissonneuses piézoélectriques d'énergie de près de 10 mW à 1 Hertz et densités d'alimentation électrique de 1 mW/cm3 à 92 Hertz ont été présentés dans les moissonneuses Piézoélectriques d'alimentation électrique du Tableau 3. plus de 1 mW et au-dessous de 1 cm3 pour la vibration automatisée environ 100 Hertz peuvent être prévus plus plus loin en circuit.

Fabrication

Une des limitations pour les transducteurs électromagnétiques est la fabrication (PM) à un aimant permanent. les procédés MEMS-compatibles ne fournissent pas PMs avec les mêmes caractéristiques que les aimants en vrac. Techniques Particulières de fabrication de pulvériser et de plaquer les couches en couche mince de produit (<10µm) bien que le dépôt du l'épais-film (100-800µm) à de basses températures ait été étudié10. La Structuration d'un P.M. a été expliquée pour les configurations de taille des millimètres de pôle magnétique, employant des bobines ou des arrangements doux-magnétiques pour induire la magnétisation10,11.

Une Autre limitation pour les générateurs électromagnétiques rotationnels est le besoin des roulements de faible-friction adaptés des procédés de fabrication de MEMS. les roulements de Micro-Bille, les axes tournants, et les roulements magnétiques peuvent être des solutions de rechange possibles. Les moissonneuses d'Énergie actionnées dans l'aspirateur ont moins pertes associées avec de l'air mouillant, mais produisent le besoin de l'emballage spécial de mettre à jour l'environnement de travail (bio-implanté, structure-encastré, exposition à l'environnement brutal).

L'Électronique

En Raison de la nature du rétablissement d'énergie, la sortie est un signe à variable de temps À C.A. Ainsi, la rectification de C.C et la régulation de tension sont nécessaires pour la plupart des applications électroniques. Les Circuits devraient représenter la rectification, le règlement, le contrôle, et la mémoire de l'énergie produite. La Plupart des moissonneuses d'énergie ont utilisé des circuits de rectification de passerelle. Mais le polariser en aval des diodes peut encore être élevé pour la sortie de basse tension de quelques dispositifs. Dans ce cas, des multiplicateurs de tension ou les transformateurs ont été employés pour augmenter les niveaux de tension.

L'électronique Active peut surmonter certaines des limitations précédentes, mais un reste entre leur consommation d'énergie et l'énergie produite devrait être tenu compte. L'Optimisation des blocs d'alimentation pour des microsystèmes intégrés sans fil est également à l'étude à WIMS. Une batterie micromachined pour les alimentations hybrides hybride qui est compatible avec des procédés de fabrication de MEMS a été développée et les résultats ont été utilisés pour concevoir et optimiser la source d'énergie pour le senseur implantable de pression intraoculaire de WIMS, et l'implant cochléaire de WIMS12.

Conclusions

La moisson d'Énergie est un champ de recherche croissant qui lentement avait évolué pour devenir les produits commercialisés, des radios tournantes manuellement et des lampes-torches secousse secousse aux applications de contrôle sans fil.

Le rétablissement Photovoltaïque d'énergie fournit un résultat de haute énergie (10 mW/cm2) et c'est une technologie prouvée qui peut être mise en application à la MEMS-Échelle. Le rétablissement électrique Thermo est à la charge des gradients de température, des dixièmes de µW/cm2 peuvent être obtenus à partir des offres Piézoélectriques modestes d'un rétablissement d'énergie de ΔT=1 °C. un élan simple pour moissonner l'énergie du mouvement ou des vibrations. La simplicité de ces générateurs les rend bien adaptés pour la fabrication de MEMS et même les applications nanoes. La densité d'Énergie jusqu'à 1 mW/cm3 a été enregistrée. Le rétablissement d'énergie Électromagnétique est une technique bien établie de transduction, mais à la MEMS-échelle les aimants permanents et les estamper-bobines deviennent moins efficaces. Bien Que la technologie évolue, ils ne semblent pas être aussi simples pour fabriquer en tant que générateurs piézoélectriques. Les dispositifs Commerciaux ont affiché un résultat de haute énergie (~10 mW), les dispositifs de taille des millimètres ont révélé à 3 mW, et de plus petits dispositifs sont sur l'ordre des dixièmes aux centaines de µW.

Le rétablissement À Plusieurs Modes De Fonctionnement d'énergie est un élan où l'alimentation électrique est produite à partir de plusieurs sources environnementales. Il peut prendre le meilleur des technologies ci-dessus de transduction selon les sources d'énergie disponibles. Toutes Les techniques ci-dessus de transduction montrent que la technologie mûrit à une vitesse rapide pour actionner portatif, encastré, implantable ou des périphériques sans fil. Bien Que les limitations sur la technologie existent toujours, le contrat à terme semble prometteur pour des applications répandues.


Références

1. S Roundy. Sur l'efficacité de la Moisson vibration-basée d'Énergie. Couvre-tapis Intelligent. Systèmes et Struc., J, V. 16, Numéro 10. En octobre 2005, Pp. 809-823.
2. E Hirasaki, ST Moore, T Raphan, et B Cohen. Effets de vitesse de marche sur les mouvements verticaux de chef et de garçon pendant la locomotion. Exp. recherche de cerveau, 1999, 127(2). pp.117-30.
3. N G Stephen. Sur l'énergie moissonnant de la vibration ambiante. J. du son et de la vibration, V. 293, No.1-2. En mai 2006, Pp. 409-425.
4. S F J Flipsen. Sources d'énergie Alternatives pour des portables et des wearables. Université De Technologie de Delft, 2005, 90 P.
5. E Romero. Énergie MEMS-Basée Moissonnant pour des Vibrations Basses fréquences. Thèse de doctorat Non Publiée, Université Technologique du Michigan. 2009.
6. E E Aktakka, H Kim, M Atashbar, et K Najafi. Énergie Mécanique Moissonnant des insectes de vol. Sens Semi-conducteur., Acte., et Microsys. Atelier, Juin 2008, pp 382-383.
7. R Borno, J Steinmeyer, et M Maharbiz. Balayage d'Énergie de la Transpiration. (Description de Projet fournie par http://www.wimserc.org). En mai 2008.
8. N Ghafouri, H Kim, et K Najafi. Un Générateur Thermoélectrique Micro pour des Microsystèmes. (Description de Projet fournie par http://www.wimserc.org). En mai 2008.
9. T Galchev, H Kim, M Atashbar, et K Najafi. Balayage À plusieurs modes de fonctionnement d'Énergie de l'Environnement. Manuscrit Non Publié, Université du Michigan, 2008.
10. B Pawlowski, S Schwarzer, Un Rahmig, et J Topfer. Thickfilms de NdFeB préparés par le bloc moulé de bande isolante. J. de Magnétisme et de Couvre-tapis Magnétique. V. 265, 2003, Pp. 337-344
11. N Achotte, P un Gilles, O Cugat, J Delamare, Gaud de P, C Dieppedale. Micromotors Magnétique Sans Frottoir Planaire. J. Microelect. Système. V. 15, N. 4, Août 2006, Pp. 1001-1014.
12. F Albano et A.M. Sastry. Design et Optimisation des Blocs d'Alimentation pour des Microsystèmes Intégrés Sans Fil. (Description de Projet fournie par http://www.wimserc.org). En mai 2008.

Présenté à COMS 2008, le Mexique

Droit d'auteur AZoNano.com, MANCEF.org

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

Last Update: 15. July 2013 15:59

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