マイクロエネルギー収穫機 - 再生可能エネルギーの代替ソース

教授によって Khalil Najafi

Edwar Romero1、 Tzeno Galchev2、 Erkan Aktakka2、 Niloufar Ghafouri2、 Hanseup 金2、ミハエル Neuman1、 Khalil Najafi2,3 およびロバート Warrington1,3
1 ミシガン州の科学技術大学
2 電気工学の部ミシガン州立大学およびコンピュータ・サイエンス
3 無線統合されたミクロシステムの技術研究の中心 (WIMS ERC)
対応する著者: najafi@umich.edu

カバーされるトピック

概要
導入
使用できる力
     機械動きソース
     太陽および熱ソース
Transduction の技術
     電磁石の発電機
     圧電気の発電機
     マルチモードエネルギー発電機
挑戦
     効率
     製造
     電子工学
結論
参照

概要

自律ミニチュア電子デバイスの増加する番号はそれと十分な、信頼できる電源の問題を持って来ます。 発電機を収穫するマイクロパワー環境エネルギーは再生可能エネルギーの代替ソースを提供します。 これらの電源は環境、身につけられるまたは外科的に implantable ミクロシステムのサポートを助けることができます。 それらはあるアプリケーションの電池を助けまた更に取り替えてもいいです。

さまざまな環境ソースからのエネルギーを収穫することは無線統合されたミクロシステムのずっと技術研究の中心 (WIMS) に焦点研究分野です。 振動および熱ソース両方からの圧電気、電磁石の、熱電技術に基づくマイクロエネルギー収穫機は開発されています。 マイクロ電池はまた調査されています。

エネルギー変換の研究の検討は生物的インプラントのための電池式システムの最適化、蒸発からのエネルギー掃気、ミクロシステムのためのマイクロ熱電発電機、環境からのマルチモードエネルギー掃気、低周波の振動のために収穫する MEMS ベースのエネルギーおよび飛行昆虫のための MEMS ベースの力学的エネルギーの清掃動物を含んで、示されます

ある進行中の挑戦はこれらの清掃動物が商業スケールで採用することができる前に残ります。 これらは下記のものを含んでいます: 1) 発電機の小型化; 2) 有効エネルギーの密度を、 3) つなぐ環境エネルギーの効率改善し、 4) 長期信頼性のための成長の高性能力の改正およびエネルギー蓄積および 5) 包む成長の適した装置マイクロ収穫機に高めます。 これらの領域のある最近の結果は示されます。

導入

リモコンのミクロシステムは電池の寿命および電池のサイズによって限定されました。 電池はマイクロスケールにサイズの点では普通支配的なコンポーネントです。 これらの装置に動力を与えるための代わりとしてショーの約束を収穫するエネルギー。 振動からのエネルギー生成はか動き、太陽ライトおよび温度変化人間動力の懐中電燈、太陽計算機および熱動力の腕時計の商業実行可能な代案として確立されました。

電池の置換が困難、高価または不可能であるいつマイクロパワー収穫機がアプリケーションに電池ベースの装置の配置または目標とされる。 遠隔測定の位置、埋め込まれた構造追跡モニタリングの、ペースメーカー輸送箱の追跡はは電池式装置に限定があるそれらのアプリケーション間におよび humanimplants です。

環境ソースからのエネルギーを収穫することは無線統合されたミクロシステムのずっと技術研究の中心 (WIMS) に最後のディケイドにわたる研究分野、および研究の焦点です。 WIMS は振動および熱ソースからのエネルギーを収穫するための成長の圧電気、電磁石の、および熱電技術です。 力管理およびマイクロ電池はまた調査されています。 エネルギー変換の研究の検討は最近の WIMS のプロジェクトを含んで、示されます。

使用できる力

機械動きソース

機械動きはエネルギー収穫のための広い関心を引き付けたエネルギー源です。 これは実行中または受動的にすることができます。 受動の発電機は機械また更に人体に接続する証拠の大容量のような慣性のメカニズムを、使用します。 これらの慣性の発電機は発電のために証拠の大容量変位および transduction のメカニズムを使用します。

共通デザインはばねそっくりの接合箇所を通して移動ホストに接続する証拠の大容量 (m) から成っています。 電気発電機は普通慣性大容量の動きを弱めます。 共鳴で線形変位の動きのために使用できる力はあります

Pmax elect = (1/4) (a/ω2) mQ (1)

制限要因は加速平方に頻度要因 (a/ω) の 3 つ (ASTF)、比率2、証拠の大容量 (m) および品質要因 (q) です。 最初の 1 つは入力源の抑制および設計制約条件である第 2 そして第 3 1 です。 表 1 から、 ASTF の要因は人間に歩くことのための 3、高い値に 0.001 低い、機械振動のために、場合もあります。

表 1. ASTF の要因1,2

振動ソース

加速 (m/s2)

頻度 (Hz)

ASTF (a/ω2)

車のエンジンコンパートメント

12

200

0.115

3 軸線の工作機械のベース

10

70

0.227

混合機の包装

6.4

121

0.054

衣服の乾燥器

3.5

121

0.016

車の計器板

3

13

0.110

Breadmaker

1.03

121

0.001

歩くこと (ヘッド加速)

2-6.8

1.3-2.4

0.5-3.06

電荷に提供される最大力は使用できるものをの半分です (Pmax elect = P/2)available3。 m=ρV 容積測定の出力密度のために再配列します、

(Pmax elect /V) = (1/4) (a/ω2) ρQ (2)

1-1000 から及び、 10 g/cm の証拠の大容量密度を仮定する Q 要因を選ぶ表 1 データを使用して計画 (2) は3 (簡単にするために、およびモリブデンに類似した)、電荷に転送することができる最大力を表す図 1 のグラフを与えます。

図 1 はエネルギー収穫のための未開発領域の視覚化を助けます。 高い ASTF の要因および低い Q 要因によって表される人体の動きの使用はそれらと対等なレベルで収穫する機械ベースの装置によって達される人間ベースのエネルギーの可能性を開きます (低い ASTF の要因および Q>100)。

使用できる図 1. 最大力

太陽および熱ソース

太陽電池か光起電 (PV)エネルギー発電機は光電効果を用いる電気に太陽エネルギーを変換できます。 モノクリスタルケイ素 (モノラル c Si)、多結晶性ケイ素 (多 c Si)、および無定形のケイ素 (Si) は PV の生成のための支配的な材料です。 PV のセルは 100 まで W/m を作り出すことができます2 (1000 W/m) の効率そして輝度の 10% と2。 Si から成っていたセルは低効率 (5 - 7%) のためにそれよりより少しを作り出します。 商業セルの典型的な効率はモノラル c Si のための約 13-16% および多 c Si のための 12-14% です4。 太陽電池の効率は輝度と対数関数的に減ります。

熱電発電機は (TEG)ゼーベック効果に基づいて電気を作り出します。 これはループを形作る 2 つの金属の温度の相違による電気の生成です。 これらのシステムのための典型的な変換効率は 10% よりずっと低いです。 340 mW/cm までの出力2 のためのΔT = 4.5% 効率の 200°C、および 13µW/cm という適度な値は2 のΔT = 市民 TEG の腕時計のための 1°C 報告されました4

Transduction の技術

電磁石の発電機

電磁石の transduction から収穫するエネルギーは移動磁石によってコイルの誘導された電圧に、か固定磁石および移動コイル基づいています。 生成される電力量はコイルの回転の磁界、番号、および外部入力動きによるコイルを通って磁束密度の変更を頼りにして左右されます。 共通のシナリオはビームかばねに接続する移動磁石です。 磁石は証拠の大容量としてひとりでに普通機能します。 コイルの流れによって生成された反対の磁界はエネルギーを供給している間磁石の動きを弱めます。 表 2 は慣性の電磁エネルギーの収穫機の調査結果を要約したものです。

WIMS の低周波の振動のための MEMS ベースのエネルギー収穫機の予備プロトタイプは写真平版を使用して製造されるギヤ型の多層コイルが付いている振動の大容量の NdFeB の離散磁石で構成されます5。 プロトタイプは 2.5 Hz でrms 力の 2 µW を作り出しました。 人間ベースのエネルギー生成のためのテストは正価格販売条件の下でrms 歩いている間膝の近くに置かれたとき 7.4 mV を生成しました。 高い発電の出力は最適化されたプロトタイプのために期待されます。

表 2. の電磁エネルギーの収穫機5

施設

Vol. (cm3)

Freq。 (Hz)

最大力 (µW)

出力密度 (µW/cm3)

サウサンプトン

0.24

322

530

2208

CUHK

1.0

110

830

830

ETH チューリッヒ

0.5

2

35

70

HSG-IMIT

1.5

80

3000

2000 年

MTU/WIMS

1.5

2.5

2

1.3

Ferro 解決

30

21

9300

43

圧電気の発電機

圧電気の transduction からのエネルギー生成は生成された電圧に圧電気材料が機械変形に応じてあるとき基づいています。 圧電気の発電機は片持梁ビーム、膜または他の構造として普通形づきます。 応用外部か慣性力はエネルギーを生成するのに必要とされる変形を作り出します。 表 3 は圧電気エネルギー生成のために調査される異なったアプローチを要約したものです。

WIMS の飛行昆虫のための MEMS ベースの圧電気の力学的エネルギーの清掃動物の準備作業は飛行のカブトムシからのエネルギー生成のために使用されました。 カブトムシの背部でつく圧電気の片持梁ビームは翼の打撃によって当られるとき振動し始めます。 テストされたプロトタイプは 92 の Hz で 11 の mm 装置に3 11.5 まで µW を提供しました。 力の百の 15 µW はカブトムシの翼の打撃から期待することができます6

表 3. 圧電気エネルギー収穫機5

施設

Vol. (cm3)

Freq。 (Hz)

最大力 (µW)

出力密度 (µW/cm3)

MIT

10

1.1

8400

840

カリフォルニア州立大学バークレー校

1

120

375

375

ネブラスカ U。

6

1

850

142

K.U. ルーフェン

0.6

1

40

67

MTU/ASU

0.4

1

176

440

UM/WIMS

0.01

92

11.5

1045

マルチモードエネルギー発電機

環境からのマルチモードエネルギー掃気は振動、熱または太陽エネルギーを含む異なったソースからのエネルギーを掃除できる発電の単位を開発するように努める WIMS のプロジェクトです。 エネルギー生成のそれらのソース目新しい取り組み方からのエネルギーの収穫に加えて飛行昆虫のための蒸発ベースの、マイクロ熱電、および頻度変換のような、成長しています。

蒸発からのエネルギー掃気のプロジェクトは室温で蒸発を用いるアプローチです。 マイクロ流体チャネルの蒸発によって誘導される流れはエネルギーを生成するコンデンサーの版を通して気泡を運転します。 高い発電の密度はこのプロジェクトから期待されます7。 ミクロシステムのためのマイクロ熱電発電機は飛行のカブトムシからのエネルギーを掃除するために報告されます。 10-15 µW の力は植え付けられたとき、 200 µW/cm およびΔT=11 °C. の近くの出力密度のカブトムシの背部で2 期待されます生成されると。8

頻度変換スキームは高共鳴頻度構造を作動するために環境の低周波の振動 (100 つ以下の Hz) を捕獲するように意図されています (1 つの kHz に)。 機械頻度コンバーターの開発は 17.8 mW/cm (変換装置) に 23% 高められる効率を、および 14.5 mW/cm3 (低周波装置) からの3 エネルギー密度の増加によって示すと期待されます9

挑戦

エネルギー生成の効率のようなマイクロスケールで、およびエネルギー密度、 DC 改正、エネルギー蓄積および管理、製造業、長寿および包装収穫するエネルギーに挑戦したある限定があります。 これらの進行中の挑戦の概要は次のパラグラフでそれらのよりよい理解があるために論議されます。

効率

効率は使用できる力への生成された力の比率として表されます。 作り出される力が示され、使用できる力が (1) によって定義されるが、 Eq のないすべてのターム。 効率を推定するために (1) は報告されます。 0.6-0.8 までのカップリング係数はそれらの transduction の技術のそれぞれのための可能な限界として示されました3。 さらに、 WIMS の開発の下のプロジェクトは、頻度変換のアプローチのような9、システムの効率の改善を助けることができます。

1 MW 上のそして機械振動のための 1 cm 以下の3 およそ 100 つの Hz、および収穫機は 100 µW に作り出してそして人間ベースの作業のための 1 cm 以下の3 電磁石力の収穫機近い将来に期待することができます。 92 の Hz の 1 mW/cm の 1 Hz そして出力密度の 10 MW の近くの圧電気エネルギー収穫機3 からの電力レベルは表 3. 1 MW 上の圧電気力の収穫機で示され、機械ベースの振動のための3 1 cm 以下およそ 100 つの Hz は更に期待することができます。

製造

電磁石のトランスデューサーのための限定の 1 つは永久マグネット製造 (PM)です。 MEMS 互換性があるプロセスはバルク磁石と同じ特性の PMs をもたらしません。 低温の厚フィルム (100-800µm) の沈殿が調査されたが農産物の薄膜の層 (<10µm) を放出させ、電気めっきする典型的な製造の技術10。 PM の模造は磁化を誘導するのにコイルかソフト磁気整理を使用する mm サイズの磁気棒パターンのために、示されました10,11

回転電磁石の発電機のためのもう一つの限定は MEMS の製造プロセスのための適した低摩擦ベアリングの必要性です。 マイクロボールベアリング、回転ピボットおよび磁針方位は可能な代わりである場合もあります。 真空で作動するエネルギー収穫機に弱まる空気と関連付けられる少数の損失がありますが労働環境を維持する特別な包装のための必要性を作成します (生物植え付けられる、構造埋め込まれる、粗い環境への露出)。

電子工学

エネルギー生成の性質が原因で、出力はタイム等価異形暗号 AC シグナルです。 従って、 DC の改正および電圧調整はほとんどの電子アプリケーションのために必要です。 回路部品は作り出されるエネルギーの改正、規則、制御および記憶を説明するべきです。 エネルギー収穫機のほとんどは橋改正回路を用いました。 しかしダイオードの順方向にバイアスはまだある装置の低電圧の出力のために高い場合もあります。 この場合、電圧乗数がか変圧器は電圧レベルを増加するのに使用されていました。

実行中の電子工学は前の限定の一部を克服できますエネルギー消費と作り出されるエネルギー間のバランスは考慮に入れられるべきです。 無線統合されたミクロシステムのための電源の最適化はまた WIMS に調査です。 MEMS の製造プロセスと互換性がある成長したおよび結果は WIMS の implantable intraocular 圧力センサーのための電力源、および WIMS の蝸牛なインプラントを設計し、最適化するのに使用されていましたハイブリッド力の供給のための micromachined 電池が12

結論

エネルギー収穫はずっと商業化された製品になるためにゆっくり展開しているクランクを手で回すラジオおよび振動主導の懐中電燈からの無線モニタリングアプリケーションへ成長する研究分野です。

光起電エネルギー生成は高い発電の出力 (10 mW/cm) を2もたらし、 MEMS スケールで実行することができるのは証明された技術です。 熱の電気生成は気温傾度に依存しています、 µW/cm2 の tenths は適度なΔT=1 °C. 圧電気エネルギー世代別提供から動きまたは振動からのエネルギーを収穫するための簡単なアプローチ得ることができます。 これらの発電機の簡易性はそれらを MEMS の製造および nano アプリケーションのためにうってつけにします。 1 mW/cm までのエネルギー密度は3 報告されました。 電磁エネルギーの生成は確立した transduction の技術ですが、 MEMS スケールで常置磁石および印刷コイルはより少なく効率的になります。 技術が展開しているが、それらは圧電気の発電機として製造し同様にやすくないようではないです。 商業装置は 3 MW に高い発電の出力 (~10 MW) を、 mm サイズの装置現れました示し、より小さい装置は何百もの µW に tenths の順序にあります。

マルチモードエネルギー生成は力が複数の環境ソースから作り出されるアプローチです。 それは使用できるエネルギー源に従って上記の transduction の技術のベストを取ることができます。 すべての上記の transduction の技術は技術が携帯用動力のために埋め込まれて急速に成熟していると証明しましたり、無線デバイス implantable または。 技術の限定がまだあるが、未来は広まったアプリケーションを有望に見ます。


参照

1. S Roundy。 振動ベースのエネルギー収穫の有効性。 情報処理機能をもったマット。 システムおよび Struc。、 J、 V. 16、 2005 年、第 10. PP 10 月。 809-823。
2. E Hirasaki、 ST ムーア、 T Raphan、および B Cohen。 移動の間の縦ヘッドおよび男の子の動きに対する歩く速度の効果。 Exp. の頭脳の研究 1999 年、 127(2)。 pp.117-30.
3. N G スティーブン。 包囲された振動から収穫するエネルギー。 音および振動、 V. 293、 No.1-2 の J。 2006 年、 PP 5 月。 409-425。
4. S F J Flipsen。 ポータブルおよび wearables のための代わりとなる電力源。 2005 年、 90 P. デルフトの工科大学。
5. E Romero。 低周波の振動のために収穫する MEMS ベースのエネルギー。 出版されていない博士論文、ミシガン州の科学技術大学。 2009 年。
6. E E Aktakka、 H 金、 M Atashbar、および K Najafi。 飛行昆虫から収穫する力学的エネルギー。 ソリッドステート Sens。、行為。、および Microsys。 研修会、 2008 年、 PP 6 月 382-383。
7. R Borno、 J Steinmeyer、および M Maharbiz。 蒸発からのエネルギー掃気。 (http://www.wimserc.org) から使用できるプロジェクト記述。 2008 年 5 月。
8. N Ghafouri、 H 金、および K Najafi。 ミクロシステムのためのマイクロ熱電発電機。 (http://www.wimserc.org) から使用できるプロジェクト記述。 2008 年 5 月。
9. T Galchev、 H 金、 M Atashbar、および K Najafi。 環境からのマルチモードエネルギー掃気。 出版されていない原稿、 2008 年ミシガン州立大学。
10. B Pawlowski、 S Schwarzer、 Rahmig および J Topfer。 テープ鋳造によって準備される NdFeB の thickfilms。 磁気および磁気マットの J。 V. 265 2003 年、 PP。 337-344
11. N Achotte、 P ギレス、 O Cugat、 J Delamare の P の Gaud、 C Dieppedale。 平面のブラシレス磁気 Micromotors。 J. Microelect。 Sys. V. 15、 N. 8月4日。 2006 年、 PP。 1001-1014。
12. F Albano および A.M. Sastry。 無線統合されたミクロシステムのための電源のデザインそして最適化。 (http://www.wimserc.org) から使用できるプロジェクト記述。 2008 年 5 月。

COMS 2008 年で示される、メキシコ

版権 AZoNano.com、 MANCEF.org

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

Last Update: 15. July 2013 16:10

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