Micro Mietitrici di Energia - Una Fonte Alternativa di Energia Rinnovabile

dal Professor Khalil Najafi

Edwar Romero1, Tzeno Galchev2, Erkan Aktakka2, Niloufar Ghafouri2, Hanseup Kim2, Michael Neuman1, Khalil Najafi2,3 e Robert Warrington1,3
1 Università Tecnologica del Michigan
2 Servizio di Università del Michigan di Ingegneria Elettrica E di Informatica
3 Micro Centro di Ricerca Integrato Wireless di Sistemistica (WIMS ERC)
Autore Corrispondente: najafi@umich.edu

Argomenti Coperti

Estratto
Introduzione
Potenza Disponibile
     Sorgenti Meccaniche di Moto
     Sorgenti Solari e Termiche
Tecniche di Trasduzione
     Generatori Elettromagnetici
     Generatori Piezoelettrici
     Generatori Misti di Energia
Sfide
     Risparmio Di Temi
     Fabbricazione
     Elettronica
Conclusioni
Riferimenti

Estratto

Il numero aumentante degli apparecchi elettronici miniatura autonomi porta con il problema di un'alimentazione elettrica adeguata e affidabile. L'energia ambientale di Micropower che raccoglie i generatori offre una fonte alternativa di energia rinnovabile. Queste alimentazioni elettriche possono contribuire a supportare i microsistemi ambientali, portabili o chirurgicamente impiantabili. Possono assistere o persino sostituire le batterie in alcune applicazioni.

La Raccolta dell'energia proveniente dalle varie sorgenti ambientali è stata un campo del fuoco di ricerca al Micro Centro di Ricerca Integrato Wireless di Sistemistica (WIMS). Le Micro mietitrici di energia basate sulle tecniche piezoelettriche, elettromagnetiche, termoelettriche sia dalla vibrazione che dalle fonti di calore stanno sviluppande. Le Micro batterie egualmente stanno studiande.

Un esame della ricerca sulla conversione di energia sarà presentato, compreso l'ottimizzazione dei sistemi a pile per gli innesti biologici, il lavaggio di energia dalla traspirazione, un micro generatore termoelettrico per i microsistemi, un lavaggio misto di energia dall'ambiente, ad un'energia basata MEMS che raccolgono per le vibrazioni a bassa frequenza ed all'l'organismo saprofago basato MEMS di energia meccanica per gli insetti di volo

Alcune sfide in corso rimangono prima che questi organismi saprofagi possano essere adottati su un su scala commerciale. Questi includono: 1) Miniaturizzazione dei generatori; 2) migliorando la densità di energia disponibile, 3) aumentando il risparmio di temi di energia ambientale che coppia alle micro mietitrici, 4) rettifica e immagazzinamento dell'energia di sviluppo di potenza di alta efficienza e 5) unità adatta di sviluppo che imballa per affidabilità a lungo termine. Alcuni risultati recenti in queste aree saranno presentati.

Introduzione

i microsistemi telecomandati sono stati limitati dalla vita della batteria e dalla dimensione della batteria. Le Batterie sono tipicamente la componente dominante in termini di dimensione al micro disgaggio. Energia che raccoglie promessa di manifestazioni come alternativa per la potenza delle queste unità. La generazione di Energia dalla vibrazione o moto, indicatore luminoso solare e mutamenti di temperatura è stata stabilita come alternativa fattibile commerciale sulle torce elettriche umano a forza, sui calcolatori solari e sugli orologi termale a forza.

Le mietitrici di Micropower sono mirate a alle applicazioni dove distribuzione alle delle unità basate a batteria o quando la sostituzione della batteria è difficile, costosa o impossibile. Le posizioni di telerilevamento, Il video strutturale incluso, tenere la carreggiata dei container, stimolatore cardiaci e humanimplants sono fra quelle applicazioni dove le unità a pile presentano le limitazioni.

La Raccolta dell'energia proveniente dalle sorgenti ambientali è stata un campo di ricerca negli ultimi dieci anni e un fuoco della ricerca al Wireless Ha Integrato il Micro Centro di Ricerca di Sistemistica (WIMS). WIMS è tecniche piezoelettriche, elettromagnetiche e termoelettriche di sviluppo per la raccolta dell'energia proveniente dalle fonti di calore e di vibrazione. Il Risparmio energetico e le micro batterie egualmente stanno studiandi. Un esame della ricerca sulla conversione di energia è presentato, compreso i progetti recenti di WIMS.

Potenza Disponibile

Sorgenti Meccaniche di Moto

Il moto Meccanico è una fonte di energia che ha attirato l'ampia attenzione per la raccolta di energia. Ciò può essere fatta attivamente o passivamente. I generatori Passivi usano i meccanismi inerziali, quali le masse della prova fissate ai commputer o persino ai corpi umani. Questi generatori inerziali usano lo spostamento della massa della prova e un meccanismo di trasduzione per la produzione di energia.

Una progettazione comune consiste della massa della prova (m) fissata ad un host mobile attraverso una giuntura sorgenta sorgente. Il generatore elettrico ammortizza tipicamente il moto della massa inerziale. La potenza disponibile per un movimento lineare di spostamento a risonanza è

Pmax elect = (1/4) mQ (2a/ω) (1)

I fattori limitante sono tre, il rapporto del fattore (ASTF) di accelerazione-quadrare--frequenza (a/ω2), la massa della prova (m) ed il fattore di qualità (q). Quello primo è un vincolo di sorgente di input e quello secondo e terzo che è un vincolo di progettazione. Dalla Tabella 1, il fattore di ASTF può essere basso quanto 0,001, per le vibrazioni a macchina, ai valori alti quanto 3, per la camminata umana.

Fattore della Tabella 1. ASTF1,2

Sorgente di Vibrazione

Accelerazione (m/s2)

Frequenza (Hertz)

ASTF (a/ω2)

Compartimenti di motore dell'Automobile

12

200

0,115

Una Base di una macchina utensile di 3 assi

10

70

0,227

Intelaiatura del Miscelatore

6,4

121

0,054

Essiccatore di Vestiti

3,5

121

0,016

Quadro portastrumenti dell'Automobile

3

13

0,110

Breadmaker

1,03

121

0,001

Camminata (accelerazione capa)

2-6.8

1.3-2.4

0.5-3.06

La potenza massima consegnata ad un caricamento elettrico è metà di che cosa è disponibile (Pmax elect = P/2)available3. Riorganizzando per la densità di potenza volumetrica, dove m=ρV,

(Pmax elect /V) = (1/4) ρQ (2a/ω) (2)

Tracciando (2) facendo uso dei dati della Tabella 1, selezionanti i Q-Fattori che variano da 1-1000 ed ammettenti una densità della massa della prova di 10 g/cm3 (per semplicità e simile a molibdeno), elasticità il grafico di Figura 1 che rappresenta la potenza massima che può essere trasferita al caricamento elettrico.

Figura 1 contribuisce a prevedere le aree non sfruttate per la raccolta di energia. L'uso dei movimenti del corpo umano, rappresentato dagli alti fattori di ASTF e dai Q-Fattori bassi, apre la possibilità ad di energia basata a umana che raccoglie ai livelli comparabili a quelli raggiunta dalle unità automatizzate (fattori bassi di ASTF e Q>100).

Figura 1. potenza Massima disponibile

Sorgenti Solari e Termiche

Le pile Solari o i generatori (PV) fotovoltaici di energia possono convertire l'energia solare in elettricità che impiega l'effetto fotoelettrico. Il silicio Monocristallino (mono-c-Si), il silicio policristallino (poli-c-Si) ed il silicio amorfo (un-Si) sono i materiali dominanti per la generazione di PV. Le celle di PV possono produrre fino a 100 W/m2 (con 10% di risparmio di temi e di un'intensità della luce della luce di 1000 W/m)2. Le Celle fatte del un-Si produrranno di meno che quello a causa del suo più basso rendimento (5 - 7%). I risparmi di temi Tipici delle celle commerciali sono circa 13-16% per il mono-c-Si e 12-14% per il poli-c-Si4. Il risparmio di temi delle pile solari diminuisce logaritmicamente con l'intensità della luce della luce.

I generatori Termoelettrici (TEG) producono l'elettricità basata sull'Effetto Seebeck. Ciò è la generazione di elettricità dovuto le differenze della temperatura su due metalli differenti che formano un ciclo. Il risparmio di temi di conversione Tipico per questi sistemi è bene inferiore a 10%. Gli output di forza motrice Fino a 340 mW/cm2 per ΔT = 200°C a risparmio di temi 4,5% ed i valori modesti di 13µW/cm2 a ΔT = 1°C per l'orologio del Cittadino TEG sono stati riferiti4.

Tecniche di Trasduzione

Generatori Elettromagnetici

L'Energia che raccoglie dalla trasduzione elettromagnetica è basata sulla tensione indotta su una spirale da un magnete mobile, o un magnete fisso e una bobina mobile. La quantità di potenza generata dipende dalla concentrazione del campo magnetico, dal numero dei giri della spirale e dal cambiamento della densità di flusso magnetico tramite la spirale dovuto il movimento esterno dell'input. Uno scenario comune è un magnete mobile fissato ad un raggio o ad una sorgente. Il magnete da sè funge tipicamente da Massachusetts della prova. Il campo magnetico avversario generato dalle correnti nella spirale ammortizzerà il movimento del magnete mentre assicura l'energia. La Tabella 2 riassume i risultati delle mietitrici inerziali di energia elettromagnetica.

Un prototipo preliminare ad una di una mietitrice basata MEMS di energia per le vibrazioni a bassa frequenza a WIMS è composto di magneti discreti di NdFeB sulla massa d'oscillazione con una spirale a più strati congegna congegno da costruzione facendo uso di fotolitografia5. Il prototipo ha prodotto il µW 2rms di potenza a 2,5 Hertz. Una prova per alla la generazione basata a umana di energia ha generato 7,4 sistemi MVrms nelle circostanze a vuoto una volta collocata vicino al ginocchio mentre camminava. Gli Più Alti output di forza motrice sono preveduti per i prototipi ottimizzati.

Mietitrici di energia Elettromagnetica della Tabella 2.5

Istituzione

Volume (cm3)

Freq. (Hertz)

Potenza Massima (µW)

Densità di Potenza (µW/cm3)

Southampton

0,24

322

530

2208

CUHK

1,0

110

830

830

ETH-Zurigo

0,5

2

35

70

HSG-IMIT

1,5

80

3000

2000

MTU WIMS

1,5

2,5

2

1,3

Ferro Soluzioni

30

21

9300

43

Generatori Piezoelettrici

La generazione di Energia da trasduzione piezoelettrica è basata sulla tensione generata quando un materiale piezoelettrico è conforme ad una deformazione meccanica. I generatori Piezoelettrici sono modellati tipicamente come le travi a sbalzo, le membrane o altre strutture. Un esterno applicato o una forza inerziale produce la deformazione stata necessaria per generare l'energia. La Tabella 3 riassume gli approcci differenti che sono studiati per la generazione piezoelettrica di energia.

Il Lavoro preliminare ad un su un organismo saprofago piezoelettrico basato MEMS di energia meccanica per gli insetti di volo a WIMS è stato usato per la generazione di energia dagli scarabei di volo. Le travi a sbalzo Piezoelettriche incollate sul retro degli scarabei si avvi vibrare quando sono colpite dai colpi dell'ala. I Prototipi provati avevano fornito il µW fino a 11,5 per un'unità da 113 millimetro a 92 Hertz. Cento µW quindici di potenza possono attendersi dai colpi dell'ala dello scarabeo6.

Mietitrici Piezoelettriche di energia della Tabella 3.5

Istituzione

Volume (cm3)

Freq. (Hertz)

Potenza Massima (µW)

Densità di Potenza (µW/cm3)

MIT

10

1,1

8400

840

Uc Berkeley

1

120

375

375

Il Nebraska U.

6

1

850

142

K.U. Lovanio

0,6

1

40

67

MTU/ASU

0,4

1

176

440

UM/WIMS

0,01

92

11,5

1045

Generatori Misti di Energia

Il lavaggio Misto di energia dall'ambiente è un progetto di WIMS che cerca di sviluppare un'unità della produzione di energia che può pulire l'energia proveniente dalle sorgenti differenti compreso la vibrazione, il calore o l'energia solare. Oltre a raccogliere l'energia proveniente da quegli approcci novelli di sorgenti sulla generazione di energia stanno diventandi, quali termoelettrico basato a traspirazione e micro per gli insetti di volo e la su-conversione di frequenza.

Un progetto su lavaggio di energia dalla traspirazione è un approccio che impiega l'evaporazione alla temperatura ambiente. Il Flusso indotto da evaporazione sui canali micro-fluidi determina le bolle di gas tramite le zolle del condensatore che generano l'energia. Una densità di alto potere si attende da questo progetto7. Un micro generatore termoelettrico per i microsistemi è riferito per pulire l'energia proveniente dagli scarabei di volo. Una Potenza di µW 10-15 si pensa che generi una volta impiantata sul retro di uno scarabeo, con una densità di potenza vicino a 200 µW/cm2 e ad un ΔT=11 °C.8

Uno schema di conversione di frequenza-su è inteso per catturare la vibrazione a bassa frequenza ambientale (meno di 100 Hertz) per attivare una struttura alto-sonora di frequenza (oltre 1 chilociclo). Lo Sviluppo sui su-moltiplicatori di focale meccanici di frequenza si pensa che mostri 23% un risparmio di temi aumentato e un aumento di densità di energia da 14,5 mW/cm3 (unità a bassa frequenza) a 17,8 mW/cm3 (unità di su-conversione)9.

Sfide

Ci sono alcune limitazioni che hanno sfidato l'energia che raccoglie alla microscala, quale il risparmio di temi della generazione di energia e la densità di energia, la CC-rettifica, immagazzinamento dell'energia e gestione, fabbricazione, longevità ed imballare. Una generalità di queste sfide in corso è discussa nei seguenti paragrafi per avere una migliore comprensione loro.

Risparmio Di Temi

Il risparmio di temi è rappresentato come il rapporto di potenza generata alla potenza disponibile. Sebbene la potenza prodotta sia presentata e la potenza disponibile è definita vicino (1), non tutti i termini di Eq. (1) è riferito per stimare il risparmio di temi. I coefficienti dell'Accoppiamento fino ad un massimo di 0.6-0.8 sono stati presentati come limiti possibili per ciascuna di quelle tecniche di trasduzione3. Inoltre, i progetti in sviluppo a WIMS, quale l'approccio di su-conversione di frequenza9, possono contribuire a migliorare il risparmio di temi del sistema.

Le mietitrici Elettromagnetiche di potenza oltre 1 Mw ed al di sotto di 1 cm3 per le vibrazioni a macchina intorno 100 Hertz e le mietitrici producendo oltre il µW 100 ed al di sotto di 1 cm3 per alle le attività basate a umana possono essere prevedute nell'immediato futuro. I livelli di Potenza dalle mietitrici piezoelettriche di energia vicino a 10 Mw a 1 Hertz e densità di potenza di 1 mW/cm3 a 92 Hertz sono stati presentati nelle mietitrici Piezoelettriche di potenza della Tabella 3. oltre 1 Mw ed al di sotto di 1 cm3 per la vibrazione automatizzata intorno 100 Hertz possono essere preveduti più ulteriormente sopra.

Fabbricazione

Una delle limitazioni per i trasduttori elettromagnetici è il montaggio (PM) a magnete permanente. i trattamenti MEMS-compatibili non rendono PMs con le stesse caratteristiche dei magneti in serie. Tecniche Tipiche di montaggio di polverizzazione e di galvanoplastica dei livelli di sottili pellicole dei prodotti (<10µm) sebbene il deposito della spesso-pellicola (100-800µm) alle basse temperature sia stato studiato10. Il Modello di un PM è stato dimostrato per i reticoli millimetro di taglia del polo magnetico, usando le spirali o delle disposizioni morbido magnetiche per indurre la magnetizzazione10,11.

Un'Altra limitazione per i generatori elettromagnetici rotazionali è l'esigenza dei cuscinetti a basso attrito adatti dei trattamenti di montaggio di MEMS. i cuscinetti della Micro-Palla, i cardini giranti ed i cuscinetti magnetici possono essere alternative possibili. Le mietitrici di Energia di gestione nel vuoto hanno meno perdite connesse con aria che ammortizza, ma creano l'esigenza dello speciale che imballa per mantenere il luogo di lavoro (bio--impiantato, struttura-incassato, esposizione all'ambiente duro).

Elettronica

dovuto la natura della generazione di energia, l'output è un segnale a variabile di tempo di CA. Quindi, la rettifica di CC e la regolazione del voltaggio sono necessarie per la maggior parte delle applicazioni elettroniche. I Circuiti dovrebbero rappresentare la rettifica, il regolamento, il controllo e l'archiviazione dell'energia prodotta. La Maggior Parte delle mietitrici di energia hanno impiegato i circuiti della rettifica del ponte. Ma la di andata-tendenziosità dei diodi può ancora essere alta per l'output a bassa tensione di alcune unità. In questo caso, i moltiplicatori di tensione o i trasformatori sono stati usati per aumentare i livelli di tensione.

L'elettronica Attiva può sormontare alcune delle limitazioni precedenti, ma un bilanciamento fra il loro consumo di energia e l'energia prodotta dovrebbe essere considerato. L'Ottimizzazione delle alimentazioni elettriche per i microsistemi integrati wireless è egualmente allo studio a WIMS. Una batteria micromachined per le offerte di ibrido-potenza che è compatibile con i trattamenti di montaggio di MEMS è stata diventata ed i risultati sono stati utilizzati per progettare ed ottimizzare l'alimentazione per il sensore impiantabile di pressione intraoculare di WIMS e l'impianto cocleare di WIMS12.

Conclusioni

La raccolta di Energia è un'area di ricerca crescente che sta evolvendosi lentamente per trasformarsi in in prodotti commercializzati, dalle radio di funzionamento manuale e dalle torce elettriche guidate da scossa ai monitoraggi delle applicazioni wireless.

La generazione Fotovoltaica di energia rende un output di alto potere (10 mW/cm2) ed è una tecnologia collaudata che può essere applicata al MEMS-Disgaggio. La Termo generazione elettrica dipende dai gradienti geotermici, i decimi di µW/cm2 possono essere ottenuti dalle offerte Piezoelettriche modeste di ΔT=1 °C. di una generazione di energia un approccio semplice per la raccolta dell'energia proveniente da moto o dalle vibrazioni. La semplicità di questi generatori li rende ben adattati per montaggio di MEMS e perfino le applicazioni nane. La densità di Energia fino a 1 mW/cm3 è stata riferita. La generazione di energia Elettromagnetica è una tecnica affermata di trasduzione, ma al MEMS-disgaggio i magneti permanenti e le stampare-spirali diventano meno efficienti. Sebbene la tecnologia stia evolvendosi, non sembrano essere semplici da costruzione come generatori piezoelettrici. Le unità Commerciali hanno indicato un output di alto potere (~10 Mw), unità millimetro di taglia hanno rivelato a 3 Mw e le più piccole unità sono sull'ordine dei decimi alle centinaia di µW.

La generazione Mista di energia è un approccio dove la potenza è prodotta da parecchie sorgenti ambientali. Può catturare il meglio delle tecnologie di cui sopra di trasduzione secondo le fonti di energia disponibili. Tutte Le tecniche di cui sopra di trasduzione provano che la tecnologia sta maturando ad una tariffa rapida per la potenza portatile, incassato, impiantabile o dispositivi wireless. Sebbene le limitazioni della tecnologia ancora esistano, il futuro sembra promettente per le applicazioni diffuse.


Riferimenti

1. S Roundy. Sull'efficacia adi Raccolta basata a vibrazione di Energia. Stuoia Intelligente. Sistemi e Struc., J, V. 16, No. 10. Ottobre 2005, Pp. 809-823.
2. E Hirasaki, ST Moore, T Raphan e B Cohen. Effetti di velocità di camminata sui movimenti della testa e del ragazzo di verticale durante la locomozione. Exp. ricerca del cervello, 1999, 127(2). pp.117-30.
3. N G Stephen. Su energia che raccoglie dalla vibrazione ambientale. J. del suono e della vibrazione, V. 293, No.1-2. Maggio 2006, Pp. 409-425.
4. S F J Flipsen. Alimentazioni Alternative per i portatili e i wearables. Università Tecnologica di Delft, 2005, 90 P.
5. E Romero. Ad Energia Basata MEMS che Raccoglie per le Vibrazioni A bassa frequenza. Dissertazione di laurea Non Pubblicata, Università Tecnologica del Michigan. 2009.
6. E E Aktakka, H Kim, M. Atashbar e K Najafi. Energia Meccanica che Raccoglie dagli insetti di volo. Sen Semi Conduttori., Legge. e Microsys. Workshop, Giugno 2008, pp 382-383.
7. R Borno, J Steinmeyer e M. Maharbiz. Lavaggio di Energia dalla Traspirazione. (Descrizione di Progetto disponibile da http://www.wimserc.org). Maggio 2008.
8. N Ghafouri, H Kim e K Najafi. Un Micro Generatore Termoelettrico per i Microsistemi. (Descrizione di Progetto disponibile da http://www.wimserc.org). Maggio 2008.
9. T Galchev, H Kim, M. Atashbar e K Najafi. Lavaggio Misto di Energia dall'Ambiente. Manoscritto Non Pubblicato, Università del Michigan, 2008.
10. B Pawlowski, S Schwarzer, Un Rahmig e J Topfer. Thickfilms di NdFeB pronti dalla colata del nastro. J. di Magnetismo e della Stuoia Magnetica. V. 265, 2003, Pp. 337-344
11. N Achotte, P Gilles, O Cugat, J Delamare, Gaud di P, C Dieppedale. Micromotors Magnetico Senza Spazzola Planare. J. Microelect. Sistema. V. 15, N. 4, Agosto 2006, Pp. 1001-1014.
12. F Albano e DI MATTINA Sastry. Progettazione ed Ottimizzazione delle Alimentazioni Elettriche Per i Microsistemi Integrati Wireless. (Descrizione di Progetto disponibile da http://www.wimserc.org). Maggio 2008.

Presentato a COMS 2008, il Messico

Copyright AZoNano.com, MANCEF.org

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

Last Update: 15. July 2013 16:07

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