מיקרו מוסקי אנרגיה - מקור חלופי של אנרגיה מתחדשת

על ידי פרופ 'חליל Najafi

נושאים שידונו

מופשט
הקדמה
זמינות כוח
מקורות תנועה מכנית
שמש תרמי מקורות
טכניקות התמרה
אלקטרומגנטית גנרטורים
פיזואלקטריים גנרטורים
Multi-Mode אנרגיה גנרטורים
אתגרים
יעילות
ייצור
אלקטרוניקה
מסקנות
הפניות

מופשט

מספר הולך וגדל של מכשירים אלקטרוניים זעירים אוטונומי מביא איתו את בעיית האספקה, מספקת חשמל אמין. Micropower הסביבה קצירת מחוללי אנרגיה להציע מקור חלופי של אנרגיה מתחדשת. אלה ספקי כוח יכול לעזור לתמוך הסביבה, Microsystems לביש או מושתלת בניתוח. הם יכולים לעזור או אפילו להחליף סוללות יישומים מסוימים.

קצירת אנרגיה ממקורות סביבתיים שונים כבר שטח של מוקד מחקר במכון אלחוטי משולב מיקרו להנדסת מערכות Research Center (WIMS). המוסקים אנרגיה המבוסס על מיקרו פיזואלקטריים, טכניקות אלקטרומגנטית תרמואלקטרי מתוך רטט וגם מקורות חום מפותחים. סוללות מיקרו גם הנלמד.

סקירה של מחקר על המרת אנרגיה יוצגו, כולל אופטימיזציה של סוללות מערכות שתלים ביולוגיים, אנרגיה הדחה של דיות, גנרטור תרמואלקטרי מיקרו עבור Microsystems, אנרגיה multimode הדחה מן הסביבה, מבוססי MEMS קצירת אנרגיה עבור רעידות בתדר נמוך ו מבוססי MEMS אנרגיה נבלות מכני חרקים מעופפים

כמה אתגרים המתמשך להישאר לפני אלה נבלות ניתן לאמץ בקנה מידה מסחרי. אלה כוללים: 1) המזעור של גנרטורים: 2) לשפר את צפיפות האנרגיה הזמינים, 3) הגדלת היעילות של אנרגיה סביבתית צימוד המוסקים מיקרו, 4) פיתוח יעילות גבוהה כוח תיקון אחסון אנרגיה, 5) לפתח אריזה מכשיר מתאים ארוך טווח ואמינות. התוצאות האחרונות יש באזורים אלה יוצגו.

הקדמה

שלט רחוק Microsystems היה מוגבל על ידי חיים הסוללה גודל הסוללה. סוללות הן בדרך כלל המרכיב הדומיננטי מבחינת גודל בקנה מידה מיקרו. קצירת אנרגיה מציגה הבטחה כחלופה להפעלת התקנים אלה. דור אנרגיה משינויים רטט או תנועה, אור השמש, הטמפרטורה נקבעה כחלופה מעשית מסחרי על האדם המופעל פנסים, מחשבונים השמש, תרמי המופעל שעוני יד.

המוסקים Micropower ממוקדות יישומים בהם פריסת סוללת מכשירים מבוססי החלפת הסוללה, או כאשר הוא קשה, יקר או בלתי אפשרי. במקומות חישה מרחוק, מוטבע ניטור מבניים, מעקב אחר מכולות, קוצבי לב, ו humanimplants הם בין אלה יישומים בהם המופעל באמצעות סוללה נטענת התקנים יש מגבלות.

קצירת אנרגיה ממקורות סביבתיים כבר על שטח של מחקר בעשור האחרון, ואת מוקד מחקר במכון אלחוטי משולב מיקרו להנדסת מערכות Research Center (WIMS). WIMS מפתחת אלקטרומגנטית פיזואלקטריים, וטכניקות תרמואלקטרי לקציר אנרגיה ממקורות רעידות וחום. ניהול צריכת חשמל וסוללות מיקרו גם הנלמד. סקירה של מחקר על המרת אנרגיה מוצג, לרבות פרויקטים WIMS האחרונות.

זמינות כוח

מקורות תנועה מכנית

בתנועה מכנית הוא מקור האנרגיה משכה תשומת לב רחב לקציר אנרגיה. זה יכול להיעשות גם באופן פעיל או סביל. גנרטורים פסיבי להשתמש במנגנוני אינרציה, כגון ההמונים הוכחה מחוברת למכונות או אפילו גופות אדם. גנרטורים אלה אינרציה להשתמש מסה הוכחה עקירה מנגנון התמרה לייצור חשמל.

עיצוב משותף מורכב מסה הוכחה (מ ') מצורף לארח נע מעיין דמוי משותף. מחולל חשמל בדרך כלל damps את ההצעה של המסה אינרציה. הכוח זמין עבור תנועה תזוזה ליניארית ב תהודה הוא

P _{מקסימום לבחור} = (1 / 4) (א ² / ω) MQ (1)

הגורמים המגבילים הם שלושה, היחס בין התאוצה בריבוע אל תדר (ASTF) גורם (ω ² /), את המסה הוכחה (מ ') גורם איכות (Q). הראשון הוא מקור קלט אילוץ, והשני והשלישי להיות אילוץ העיצוב. מתוך טבלה מס '1, הגורם ASTF יכול להיות נמוך כמו 0.001, עבור תנודות במכונה, לערכים גבוהים כמו 3, להליכה אנושית.

טבלה 1. ASTF גורם ^{1 , 2}

הכוח המרבי נמסר עומס חשמלי הוא חצי ממה זמין (P = P _{מקסימום לבחור זמין} / 2) ³ . סידור מחדש של צפיפות הספק volumetric, שם מ = ρ V,

(P _{max הנבחר} / V) = (1 / 4) (ω ² /) ρ ש (2)

שרטוט (2) באמצעות טבלה 1 נתונים, בחירת Q-גורמים החל 1-1000, ובהנחה מסה הוכחה צפיפות של 10 גרם / ס"מ ³ (למען הפשטות, ודומה מוליבדן), נותן את הגרף של איור 1 המייצגת את ההספק המרבי שניתן להעביר עומס החשמל.

איור 1 עוזרת לדמיין אזורים שלא נוצל על קצירת אנרגיה. השימוש בתנועות גוף האדם, המיוצגים על ידי גורמים ASTF גבוה ונמוך Q-גורמים, פותח את האפשרות של קצירת האדם מבוססי אנרגיה ברמות דומות לאלה שהושגו מכשירים מבוססי מחשב (נמוך גורמים ASTF ו-Q> 100).

באיור 1. כוח מרבי זמין

שמש תרמי מקורות

תאים סולאריים או פוטוולטאית (PV) מחוללי אנרגיה יכול להמיר אנרגיית השמש לחשמל העסקת האפקט הפוטואלקטרי. מונו גבישי סיליקון (mono-c-Si) סיליקון polycrystalline (poly-c-Si), וכן סיליקון אמורפי (a-Si) הם החומרים הדומיננטיים עבור הדור PV. תאים PV יכול לייצר עד 100 W / m ² (עם 10% יעילות עוצמת אור של 1000 W / m ^2). תאים עשויים-Si יפיק פחות מזה בגלל יעילות נמוכה שלו (5 - 7%). יעילות אופיינית של תאים מסחריים על 13-16% עבור mono-c-Si ו 12-14% עבור poly-c-Si ⁴ . היעילות של תאים סולאריים יורדת בטור לוגריתמי עם עוצמת אור.

Thermoelectric גנרטורים (TEG) לייצור חשמל על בסיס האפקט Seebeck. זהו הדור של חשמל בשל ההבדלים בטמפרטורה על שתי מתכות שונות ויצרו לופ. יעילות ההמרה אופיינית למערכות אלה הוא נמוך 10%. כוח פלטי עד 340 mW / cm ² עבור ΔT = 200 ° C על יעילות 4.5%, ואת הערכים הצנועים של 13μW/cm ² ב ΔT = 1 ° C עבור שעון Citizen TEG דווחו ⁴ .

טכניקות התמרה

אלקטרומגנטית גנרטורים

קצירת אנרגיה מן התמרה אלקטרומגנטית מבוסס על המתח המושרה על סליל על ידי העברת מגנט, או מגנט קבוע סליל נע. כמות הכוח שנוצר תלויה בחוזק של השדה המגנטי, מספר הסיבובים של הסליל, והשינוי של צפיפות השטף המגנטי דרך הסליל בשל התנועה קלט חיצוני. תרחיש נפוץ הוא מגנט נע המחובר קרן או האביב. מגנט בעצמו בדרך כלל משמש מסה ההוכחה. השדה המגנטי שנוצר על ידי זרמים מנוגדים בתוך הסליל יהיה לח תנועת המגנט תוך אספקת אנרגיה. טבלה 2 מסכמת את ממצאי המוסקים אינרציה אנרגיה אלקטרומגנטית.

אב טיפוס ראשוני של מבוססי MEMS אנרגיה מקצרה עבור ויברציות בתדר נמוך ב WIMS מורכב בדידה NdFeB מגנטים על מסת נדנוד עם סליל ציוד בצורת רב שכבתיים מפוברק באמצעות photolithography ⁵ . אב הטיפוס הפיק 2 μW _rms של כוח ב 2.5 הרץ. מבחן עבור הדור האנושי מבוססי אנרגיה שנוצר 7.4 mV _rms תחת ללא עומס התנאים כאשר הניח קרוב הברך תוך כדי הליכה. הספקים גבוהים יותר צפויים עבור טיפוס אופטימלית.

טבלה 2. אנרגיה אלקטרומגנטית המוסקים ⁵

פיזואלקטריים גנרטורים

דור אנרגיה מן התמרה פיזואלקטריים מבוססת על מתח הנוצר כאשר חומר פיזואלקטריים כפוף עיוות מכני. גנרטורים פיזואלקטריים מעוצבים בדרך כלל כמו קורות שלוחה, קרומים או מבנים אחרים. כוח חיצוני או אינרציה להחיל מייצרת את העיוות הדרושה כדי לייצר אנרגיה. לוח 3 מסכם את הגישות השונות הנלמד עבור דור אנרגיה פיזואלקטריים.

עבודה ראשונית על אוכל נבלות פיזואלקטריים אנרגיה מבוססי MEMS מכני חרקים מעופפים בכל WIMS שימש במשך דור אנרגיה חיפושיות מעופפות. קורות שלוחה פיזואלקטריים מודבק על גבו של חיפושיות להתחיל רוטט כאשר הם נפגעים על ידי משיכות כנף. אב טיפוס נבדק סיפק עד μW 11.5 עבור מכשיר 11 מ"מ ³ ב 92 הרץ. אחת וחמש מאות μW הכוח ניתן לצפות מן שבץ החיפושית באגף ⁶ .

לוח 3. אנרגיה המוסקים פיזואלקטריים ⁵

Multi-Mode אנרגיה גנרטורים

אנרגיה Multi-mode הדחה מן הסביבה הוא פרויקט WIMS המבקשת לפתח דור הכוח היחידה שיכולה לחפש אנרגיה ממקורות שונים, כולל רעידות חום, או אנרגיה סולארית. בנוסף קצירת אנרגיה מאלו גישות מקורות רומן על דור אנרגיה מפותחים, כמו דיות מבוססי מיקרו תרמואלקטרי עבור חרקים מעופפים, ותדירות למעלה המרה.

פרויקט האנרגיה הדחה מן דיות היא גישה העסקת התאדות בטמפרטורת החדר. תזרים המושרה על ידי אידוי על מיקרו fluidic ערוצי כוננים בועות גז דרך צלחות קבלים להפקת אנרגיה. צפיפות הספק גבוה צפוי מהפרויקט הזה ⁷ . תרמואלקטרי מיקרו גנרטור עבור מיקרוסיסטמס דיווחה לחפש אנרגיה חיפושיות מעופפות. כוחה של μW 10-15 צפוי להיווצר כאשר מושתלים על הגב של חיפושית, עם צפיפות כוח קרוב μW 200 / ² ס"מ ו ΔT = 11 ° C ⁸ .

תכנית תדירות למעלה המרה נועד ללכוד רטט הסביבה בתדירות נמוכה (פחות מ 100 הרץ) כדי להפעיל את מבנה גבוה תדר התהודה (מעל kHz 1). פיתוח על תדר מכני מעלה הממירים צפוי להציג התייעלות 23%, וכן להגדיל את צפיפות האנרגיה של 14.5 mW / cm ³ (מכשיר בתדר נמוך) עד 17.8 mW / cm ³ (עד המרה המכשיר) ⁹ .

אתגרים

יש כמה מגבלות אתגרו קצירת אנרגיה ב microscale, כגון יעילות של הדור אנרגיה וצפיפות אנרגיה, DC-תיקון, אחסון אנרגיה, ניהול ייצור, אריכות ימים ואריזה. סקירה של האתגרים הללו מתמשך נדון בפסקאות הבאות על מנת לקבל הבנה טובה יותר של אותם.

יעילות

היעילות מיוצגת על ידי היחס שבין הכוח שנוצר לכוח זמין. למרות הכוח המיוצר מוצג, והכוח זמין מוגדר על ידי (1), לא כל תנאי Eq. (1) מדווחים להעריך את היעילות. צימוד מקדמי עד 0.6-0.8 הוצגו גבולות האפשר עבור כל אלה טכניקות התמרה ³ . בנוסף, הפרויקטים בפיתוח ב WIMS, כגון גישה תדירות למעלה המרה ⁹ , יכול לעזור לשפר את היעילות של המערכת.

המוסקים כוח אלקטרומגנטית מעל 1 mW ותחת 1 ס"מ ³ עבור מכונת תנודות סביב 100 הרץ, ואת הקוצרים לייצר מעל 100 μW ותחת 1 ס"מ ³ עבור האדם מבוסס פעילויות ניתן לצפות בעתיד הקרוב. רמות כוח מן המוסקים אנרגיה פיזואלקטריים קרוב ל 10 mW ב 1 הרץ וצפיפות כוח של 1 mW / cm ³ ב 92 הרץ הוצגו בטבלה 3. המוסקים כוח פיזואלקטריים מעל 1 mW ותחת 1 ס"מ ³ עבור מכונת הרטט מבוסס סביב 100 הרץ ניתן לצפות בהמשך.

ייצור

אחת המגבלות של מתמרים אלקטרומגנטית היא ייצור קבוע (PM) מגנט. MEMS תואמת תהליכים לא תשואה PMS עם אותם מאפיינים כמו מגנטים בתפזורת. טכניקות ייצור אופייני של המקרטעת ואת electroplating לייצר שכבות סרט דק (<10μm) כי בתצהיר סרט עבה (100-800μm) בטמפרטורות נמוכות נחקרה ¹⁰ . דפוסים של ראש הממשלה הודגמה עבור מ"מ בגודל דפוסי הקוטב המגנטי, או באמצעות סלילים או רך מגנטי הסדרים לגרום המגנטיזציה ^{10 , 11} .

מגבלה נוספת עבור גנרטורים אלקטרומגנטית הסיבוב הוא הצורך של חיכוך נמוך מסבים מתאים תהליכי ייצור MEMS. Micro-מיסבים, צירים מסתובבת, מסבים מגנטיים ניתן חלופות אפשריות. המוסקים אנרגיה פעל בחלל ריק יש פחות הפסדים הקשורים אוויר דעיכת, אבל ליצור את הצורך באריזה מיוחדת כדי לשמור על סביבת עבודה (ביו מושתל, מבנה מוטבע, חשיפה סביבה קשים).

אלקטרוניקה

בשל אופיו של דור אנרגיה, הפלט הוא אות זמן AC-variant. לכן, תיקון תקנה מתח DC יש צורך ביותר עבור יישומים אלקטרוניים. המעגלים צריך להסביר תיקון, רגולציה, בקרה, אחסון האנרגיה המיוצרת. רוב המוסקים אנרגיה המועסקים מעגלים גשר תיקון. אבל קדימה הטיה של דיודות עדיין יכול להיות גבוה עבור פלט מתח נמוך של מכשירים מסוימים. במקרה זה, מכפילי מתח או שנאים שימשו כדי להגדיל את רמות המתח.

אלקטרוניקה פעילים יכולים להתגבר על כמה מן המגבלות הקודמות, אבל איזון בין צריכת האנרגיה שלהם ואת האנרגיה המופקת צריכים להילקח בחשבון. אופטימיזציה של ספקי כוח אלחוטית משולבת Microsystems גם תחת ללמוד WIMS. סוללה micromachined עבור ספקי כוח היברידית התואמת תהליכי ייצור MEMS פותחה והתוצאות שימשו עיצוב לייעל את מקור הכוח של חיישן מושתלת הלחץ התוך עיני WIMS, ואת שתל שבלול WIMS ¹² .

מסקנות

קצירת אנרגיה אזור מחקר גוברת לאט התפתח להיות מוצרים ממוסחרים, מהיד-cranking מכשירי רדיו לנער מונחה פנסים ליישומים ניטור אלחוטית.

דור אנרגיה פוטו התשואות כוח תפוקה גבוהה (10 mW / cm ²⁾ ואת זה הוא טכנולוגיה מוכחת, כי יכול להיות מיושם על Scale-MEMS. דור Thermo חשמלי תלוי הדרגתיים טמפרטורה, עשיריות μW/cm2 ניתן לקבל ΔT צנוע = 1 ° C. דור אנרגיה פיזואלקטריים מציעה גישה פשוטה לקציר אנרגיה בתנועה או ויברציות. הפשטות של גנרטורים אלה גורם להם גם מתאים ייצור MEMS ואפילו יישומים ננו. צפיפות אנרגיה של עד 1 mW / cm ³ דווחה. דור אנרגיה אלקטרומגנטית היא טכניקה ומבוססת התמרה, אבל בקנה מידה-MEMS מגנטים קבועים, מודפס, סלילי להיות פחות יעיל. למרות שהטכנולוגיה מתפתחת, הם לא נראים פשוט לפברק כמו גנרטורים פיזואלקטריים. מכשירים מסחריים הראו הספק גבוה (~ 10 mW), מ"מ בגודל התקנים הראו עד mW 3, ומכשירים קטנים יותר הם בסדר גודל של עשיריות למאות μW.

Multi-mode דור אנרגיה היא גישה שבה החשמל המיוצר ממקורות סביבתיים שונים. זה יכול לקחת את מיטב הטכנולוגיות התמרה מעל פי מקורות אנרגיה זמינים. כל טכניקות התמרה מעל להוכיח כי הטכנולוגיה היא התבגרות בקצב מהיר להפעלת ניידים, מוטבע, מכשירים להשתלה או אלחוטית. למרות המגבלות על הטכנולוגיה עדיין קיים, העתיד נראה מבטיח עבור יישומים נפוצים.

הפניות

1. S Roundy. על היעילות של קצירת רטט מבוסס אנרגיה. Intelligent מאט. מערכות Struc., י ', ו' 16, מס '10. אוקטובר 2005, עמ '809-823.
2. E Hirasaki, ST מור, Raphan T, ו-B כהן. השפעות מהירות הליכה על הראש אנכית תנועות נער במהלך תנועה. Exp. מחקר המוח, 1999, 127 (2). pp.117-30.
3. NG סטיבן. על קצירת אנרגיה רטט הסביבה. ג'של קול רטט, ו '293, מס' 1-2. במאי 2006, עמ '409-425.
4. SFJ Flipsen. מקורות כוח חלופיים עבור ניידים ו שמחשבים לבישים. Delft University of Technology, 2005, 90 עמ '
5. E רומרו. מבוססי MEMS אנרגיה מסיק עבור בעלי תדירות נמוכה Vibrations. עבודת הדוקטורט שלא פורסמו, אוניברסיטת מישיגן טכנולוגי. 2009.
6. EE Aktakka, H קים, M Atashbar, ו-K Najafi. אנרגיה מכנית מסיק מן חרקים מעופפים. Solid State Sens., חוק. ו Microsys. הסדנה, יוני 2008, עמ '382-383.
7. R בורנו, J Steinmeyer, ו-M Maharbiz. אנרגיה הדחה מ דיות. (תיאור הפרויקט זמינים http://www.wimserc.org ). מאי 2008.
8. N Ghafouri, H קים, ו-K Najafi. Thermoelectric מיקרו Generator עבור Microsystems. (תיאור הפרויקט זמינים http://www.wimserc.org ). מאי 2008.
9. Galchev T, H קים, M Atashbar, ו-K Najafi. Multi-Mode אנרגיה הדחה מן הסביבה. כתב יד שלא פורסמו, אוניברסיטת מישיגן, 2008.
10. Pawlowski B, S שוורצר, Rahmig, ו-J טופפר. Thickfilms NdFeB שהוכן על ידי יציקת הקלטת. ג'יי של מגנטיות ו מאט מגנטית. V. 265, 2003, עמ '337-344
11. N Achotte, הרשות ז'יל, הו Cugat, J דלאמאר, P Gaud, C Dieppedale. מישורי Micromotors Brushless מגנטית. ג'יי Microelect. Sys. ו '15, נ' 4, אוגוסט 2006, עמ '1001-1014.
12. אלבנו F ו AM Sastry. עיצוב אופטימיזציה של ספקי כוח עבור אלחוטי משולב Microsystems. (תיאור הפרויקט זמינים http://www.wimserc.org ). מאי 2008.

הציג בבית 2008 COMS, מקסיקו

כל הזכויות AZoNano.com, MANCEF.org