마이크로 에너지 수확기 - 재생 가능 에너지의 변화 원인

교수에 의하여 Khalil Najafi

Edwar Romero1, Tzeno Galchev2, Erkan Aktakka2, Niloufar Ghafouri2, Hanseup 김2, 마이클 Neuman1, Khalil Najafi2,3 및 로버트 Warrington1,3
1 미시간 과학 기술 대학
2 전자 공학 및 컴퓨터 과학의 부 미시간 대학
3 무선 통합 마이크로 시스템 공학 연구소 (WIMS ERC)
대응 저자: najafi@umich.edu

커버되는 토픽

요약
소개
유효한 힘
     기계적인 움직임 근원
     태양과 열 근원
변환 기술
     전자기 발전기
     압전 발전기
     다중 상태 에너지 발전기
도전
     효율성
     제조
     전자공학
결론
참고

요약

자치 소형 전자 장치의 증가 수는 그것으로 적당한, 믿을 수 있는 전력 공급의 문제를 가져옵니다. 발전기를 가을걷이하는 Micropower 환경 에너지는 재생 가능 에너지의 변화 원인을 제안합니다. 이 전력 공급은 환경, 착용할 수 있고는 또는 외과로 이식할 수 있는 microsystems를 지원하는 것을 도울 수 있습니다. 그(것)들은 몇몇 응용에 있는 건전지를 지원하고 또는 대체해서 좋습니다.

각종 환경 근원에서 에너지를 가을걷이하는 것은 무선 통합 마이크로 시스템 공학 계속 연구소 (WIMS)에 초점 연구 분야입니다. 진동과 열원 둘 다에서 압전, 전자기의, 열전 기술에 근거를 둔 마이크로 에너지 수확기는 개발되고 있습니다. 마이크로 건전지는 또한 공부되고 있습니다.

에너지 전환에 대한 연구의 검토는 생물학 임플란트를 위한 배터리 전원을 사용하는 시스템의 최적화, 증발에서 에너지 청소, microsystems를 위한 마이크로 열전 발전기, 환경에서 다중 상태 에너지 청소, 저주파 진동을 위해 가을걷이하는 MEMS 기지를 둔 에너지, 및 비행 곤충을 위한 MEMS 기지를 둔 역학적 에너지 넝마주이를 포함하여, 제출될 것입니다

몇몇 전진하는 도전은 이 넝마주이가 상업적인 가늠자에 채택될 수 있기 전에 남아 있습니다. 이들은 다음을 포함합니다: 1) 발전기의 소형화; 2) 유효 에너지 조밀도, 3) 결합하는 환경 에너지의 효율성 향상, 4) 장기 신뢰도를 위한 발전 고능률 힘 개정 및 에너지 저장 및 5) 포장하는 발전 적당한 장치 마이크로 수확기에 증가. 이 지역에 있는 몇몇 최근 결과는 제출될 것입니다.

소개

먼 - 통제되는 microsystems는 건전지 일생과 건전지 규모에 의해 제한되었습니다. 건전지는 마이크로 가늠자에 규모 식으로 전형적으로 지배적인 분대입니다. 이 장치 강화를 위한 대안으로 쇼 약속을 가을걷이하는 에너지. 진동에서 에너지 발생은 또는 움직임, 태양 빛 및 온도 변화 인간 강화된 플래쉬 등, 태양 계산기 및 열 강화된 손목 시계에 상업적인 실행 가능한 대안으로 설치되었습니다.

건전지 보충이 어렵고, 값이비싸고 또는 불가능한 Micropower 수확기가 응용에 건전지 기지를 둔 장치의 배치 또는 표적으로 하는. 원격 탐사 위치, 내재되어 있던 구조상 감시 의, 맥박 조정기 선적 컨테이너의 추적는은 건전지 작전한 장치에는 제한이 있는 그 응용 중 및 humanimplants 입니다.

환경 근원에서 에너지를 가을걷이하는 것은 무선 통합 마이크로 시스템 공학 계속 연구소 (WIMS)에 마지막 십년간 내내 연구 분야, 및 연구 초점입니다. WIMS는 진동과 열원에서 에너지 가을걷이를 위한 발전 압전, 전자기의, 그리고 열전 기술입니다. 힘 관리와 마이크로 건전지는 또한 공부되고 있습니다. 에너지 전환에 대한 연구의 검토는 최근 WIMS 계획사업을 포함하여, 제출됩니다.

유효한 힘

기계적인 움직임 근원

기계적인 움직임은 에너지 가을걷이를 위한 넓은 관심을 모은 에너지원입니다. 이것은 액티브하게 또는 수동적으로 행해질 수 있습니다. 수동적인 발전기는 기계 또는 인체에 붙어 있던 증거 질량과 같은 관성 기계장치를 이용합니다. 이 관성 발전기는 발전을 위해 증거 질량 진지변환 및 변환 기계장치를 이용합니다.

일반적인 디자인은 봄 같은 합동을 통해서 이동하는 호스트에 붙어 있던 증거 질량 (M)로 이루어져 있습니다. 관성 질량의 움직임이 전기 발전기에 의하여 전형적으로 감쇠합니다. 공명에 선형 진지변환 운동을 위해 유효한 힘은 입니다

Pmax elect = (1/4) (a/ω2) mQ (1)

제한 요인은 가속도 네모로 하 에 주파수 요인 (a/ω)의 3개 (ASTF), 비율2, 증거 질량 (M) 및 질 요인 (q)입니다. 처음 것은 입력 소스 제한 및 설계 제약 조건인 두번째 그리고 세번째 것입니다. 도표 1에서, ASTF 요인은 인간적인 걷기를 위해 3, 가치에 0.001 만큼 낮을, 기계 진동을 위해, 높게는 수 있습니다.

도표 1. ASTF 요인1,2

진동 근원

가속도 (m/s2)

주파수 (Hz)

ASTF (a/ω2)

차 기관실

12

200

0.115

3 측 공작 기계의 기지

10

70

0.227

믹서 케이싱

6.4

121

0.054

옷 건조기

3.5

121

0.016

차 계기판

3

13

0.110

Breadmaker

1.03

121

0.001

걷기 (맨 위 가속도)

2-6.8

1.3-2.4

0.5-3.06

전기 부하 장치에 전달된 최대 힘은 유효한 무슨을의 반입니다 (Pmax elect = P/2)available3. 곳에 m=ρV 부피 측정 전원 밀도를 위해 재정비,

(Pmax elect /V) = (1/4) (a/ω2) ρQ (2)

1-1000에서 구역 수색하고, 10 g/cm의 증거 질량 조밀도를 가정하는 Q 요인을 선정하는 도표 1 데이터를 사용하여 구상 (2)는3 (간단하게, 및 몸리브덴과 유사한), 전기 부하 장치로 옮겨질 수 있는 최대 힘을 나타내는 숫자 1의 도표를 줍니다.

숫자 1은 에너지 가을걷이를 위한 미개발 지역을 구상하는 것을 돕습니다. 높은 ASTF 요인 및 낮은 Q 요인에 의해 나타난 인체 운동의 사용은, 기계 기지를 둔 장치에 의해 도달된 그들에 대등한 수준에 가을걷이하는 인간 기지를 둔 에너지의 가능성을 엽니다 (낮은 ASTF 요인 및 Q>100).

유효한 숫자 1. 최대 힘

태양과 열 근원

태양 전지 또는 광전지 (PV) 에너지 발전기는 광전 효과를 채택하는 전기로 태양 에너지를 변환할 수 있습니다. 단청 크리스탈 실리콘 (단청 c Si), 다결정 실리콘 (많 c Si), 및 무조직 실리콘 (Si)는 PV 발생을 위한 지배적인 물자입니다. PV 세포는 100 까지 W/m를 생성할 수 있습니다2 (1000년 W/m)의 효율성 그리고 가벼운 강렬의 10%에2. 그것의 저효율 (5 - 7%) 때문에 그것 보다는 더 적은이 Si로 만든 세포에 의하여 생성할 것입니다. 상업적인 세포의 전형적인 효율성은 단청 c Si를 위해 대략 13-16% 및 많 c Si를 위해 12-14%입니다4. 태양 전지의 효율성은 가벼운 강렬로 대수로 줄입니다.

열전 발전기는 (TEG) 제백 효과에 근거를 둔 전기를 일으킵니다. 이것은 루프를 형성하는 2개의 다른 금속에 온도 다름 때문에 전기의 발생입니다. 이 시스템을 위한 전형적인 변환 효율성은 10% 많이 떨어집니다. 340 mW/cm까지 전원 출력2 를 위한 ΔT = 4.5% 효율성 에 200°C, 그리고 13µW/cm 겸손한 값은2 에 ΔT = 시민 TEG 손목 시계 를 위한 1°C 보고되었습니다4.

변환 기술

전자기 발전기

전자기 변환에서 가을걷이하는 에너지는 이동하는 자석에 의해 코일에 유도된 전압에, 또는 조정 자석 및 이동하는 코일 근거를 둡니다. 일어난 힘 양은 코일의 회전의 자기장, 수, 및 외부 입력 운동 때문에 코일을 통해서 자기 다발 밀도의 변경을 의지하여 달려있습니다. 일반적인 대본은 光速 또는 봄에 붙어 있던 이동하는 자석입니다. 자석은 증거 질량으로 그 자체로 전형적으로 작동합니다. 에너지를 공급하고 있는 동안 코일에 있는 현재에 의해 생성된 자석 운동이 반대 자기장에 의하여 감쇠할 것입니다. 도표 2는 관성 전자기 에너지 수확기의 사실 인정을 요약합니다.

WIMS에 저주파 진동을 위한 MEMS 기지를 둔 에너지 수확기의 예비적인 시제품은 사진 평판을 사용하여 날조된 기어 모양 다중층 코일을 가진 전류를 고주파로 변환시키는 질량에 NdFeB 분리된 자석으로 구성됩니다5. 시제품은 2.5 Hz에rms 힘의 2 µW를 일으켰습니다. 인간 기지를 둔 에너지 발생을 위한 시험은 판매 수수료 없는 매출 조건 하에서rms 걷고 있는 동안 무릎에 가깝게 둘 때 7.4 mV를 생성했습니다. 고성능 산출은 낙관된 시제품을 위해 예상됩니다.

도표 2. 전자기 에너지 수확기5

기관

Vol. (cm3)

Freq. (Hz)

최대 힘 (µW)

전원 밀도 (µW/cm3)

Southampton

0.24

322

530

2208

CUHK

1.0

110

830

830

ETH 쮜리히

0.5

2

35

70

HSG-IMIT

1.5

80

3000

2000년

MTU/WIMS

1.5

2.5

2

1.3

Ferro 해결책

30

21

9300

43

압전 발전기

압전 변환에서 에너지 발생은 생성된 전압에 압전 물자가 기계적인 개악에 지배를 받을 때 근거를 둡니다. 압전 발전기는 공가 光速, 막 또는 그밖 구조물로 전형적으로 형성됩니다. 적용되는 외부 관성력은 에너지를 생성하기 위하여 필요로 한 개악을 일으킵니다. 도표 3은 압전 에너지 발생을 위해 공부되는 다른 접근을 요약합니다.

WIMS에 비행 곤충을 위한 MEMS 기지를 둔 압전 역학적 에너지 넝마주이에 예비 작업은 비행 딱정벌레에게서 에너지 발생을 위해 이용되었습니다. 딱정벌레의 뒤에 접착제로 붙ㄴ 압전 공가 光速는 날개 치기에 의해 명중될 때 진동 시작합니다. 시험된 시제품은 92 Hz에 11 mm 장치를3 11.5 까지 µW를 제공했었습니다. 힘의 백개의 15 µW는 딱정벌레 날개 치기에게 기대될 수 있습니다6.

도표 3. 압전 에너지 수확기5

기관

Vol. (cm3)

Freq. (Hz)

최대 힘 (µW)

전원 밀도 (µW/cm3)

MIT

10

1.1

8400

840

버클리 주립 대학

1

120

375

375

네브래스카 U.

6

1

850

142

K.U. Leuven

0.6

1

40

67

MTU/ASU

0.4

1

176

440

UM/WIMS

0.01

92

11.5

1045년

다중 상태 에너지 발전기

환경에서 다중 상태 에너지 청소는 진동, 열 또는 태양 에너지를 포함하여 다른 근원에서 에너지를 폐품을 이용할 수 있는 발전 부대를 개발하는 것을 노력하는 WIMS 계획사업입니다. 에너지 발생에 그 근원 참신한 접근에서 에너지 가을걷이 이외에 비행 곤충을 위해 증발 기지를 둔 마이크로 열전, 및 주파수 위로 변환과 같이 발전되고 있습니다.

증발에서 에너지 청소에 계획사업은 실내 온도에 증발을 채택하는 접근입니다. 마이크로 유체 채널 통신로에 증발에 의해 유도된 교류는 에너지를 생성하는 축전기 격판덮개를 통해서 가스 거품을 몹니다. 고성능 조밀도는 이 계획사업에게 기대됩니다7. microsystems를 위한 마이크로 열전 발전기는 비행 딱정벌레에게서 에너지를 폐품을 이용하기 위하여 보고됩니다. 10-15 µW의 힘은, 일어날 것으로 200 µW/cm 및 ΔT=11 °C.에 이식될 때 전원 밀도 가깝 것과 더불어 딱정벌레의 뒤에2 예상됩니다.8

주파수 위로 변환 계획은 환경 저주파 높 울리는 주파수 구조물을 활성화하기 위하여 진동 (100개 미만 Hz)를 붙잡도록 예정됩니다 (1개 kHz 이상). 기계적인 주파수 위로 변환기에 발달은 17.8 mW/cm (위로 변환 장치)에 23% 증가된 효율성을, 그리고 14.5 mW/cm3 (저주파 장치)에서3 에너지 밀도 증가에 의하여 보여줄 것으로 예상됩니다9.

도전

에너지 발생의 효율성과 같은 마이크로 눈금에 및 에너지 밀도 DC 개정, 에너지 저장 및 관리, 제조, 근속기간 및 포장 가을걷이하는 에너지에 도전한 약간 제한이 있습니다. 이 전진하는 도전의 개관에는 뒤에 오는 절에서 그(것)들의 더 나은 이해가 있기 위하여 토론됩니다.

효율성

효율성은 유효한 힘에 일어난 힘의 비율로 나타납니다. 일어난 힘이 제출되고, 유효한 힘이 (1)에 의해 정의되더라도, Eq의 모든지 않은 기간 아닙니다. (1)는 효율성을 추정하기 위하여 보고됩니다. 0.6-0.8까지 연결 계수는 그 변환 기술의 각각을 위한 가능한 한계로 제출되었습니다3. 추가적으로, WIMS에 발달의 밑에 계획사업은 주파수 위로 변환 접근과 같은9시스템의 효율성을 향상하는 것을 도울 수 있습니다.

1 MW 이상 그리고 기계 진동을 위한 1 cm 이하3 약 100개 Hz, 및 수확기는 100 µW 이상 생성해서 그리고 인간 기지를 둔 활동을 위한 1 cm 이하3 전자기 힘 수확기 가까운 장래에 예상될 수 있습니다. 압전 에너지 수확기에서 전력 레벨은 1개 Hz에 10 MW에 가깝 92 Hz에 1 mW/cm3 의 전원 밀도는 도표 3. 1 MW 이상 압전 힘 수확기에서 제출되고 기계 기지를 둔 진동을 위한3 1 cm 이하 약 100개 Hz는 위에 더 멀리 예상될 수 있습니다.

제조

전자기 변형기를 위한 제한의 한개는 영구 자석 제작 (PM)입니다. 대량 자석과 동일 특성을 가진 PMs가 MEMS 양립한 프로세스에 의하여 열매를 산출하지 않습니다. 저온에 두껍 필름 (100-800µm) 공술서가 공부되더라도 생성 박막 층 (<10µm)를 침을 튀기고 전기도금을 하기의 전형적인 제작 기술10. PM의 모방은 자화를 유도하기 위하여 코일 또는 연약하 자석 배열을 이용하는 mm 치수가 재진 자극 패턴을 위해, 설명되었습니다10,11.

회전 전자기 발전기를 위한 또 다른 제한은 MEMS 제작 프로세스를 위한 적당한 낮 마찰 방위의 필요입니다. 마이크로 공 방위, 자전 선회축 및 자석 방위는 가능한 대안일 수 있습니다. 진공에서 작전된 에너지 수확기에는 감쇠하는 공기와 관련되었던 몇몇 손실이 있고, 그러나 노동 환경을 유지하는 특별한 포장을 위한 필요를 만듭니다 (, 구조물 끼워넣는 생물 이식하는, 가혹한 환경에 노출).

전자공학

에너지 발생의 본질 때문에, 산출은 시간 이체 AC 신호입니다. 따라서, DC 개정과 전압 규칙은 대부분의 전자 응용을 위해 필요합니다. 회로는 일어난 에너지의 개정, 규칙, 통제 및 저장에 대하여 설명해야 합니다. 에너지 수확기의 대부분은 브리지 개정 회로를 채택했습니다. 그러나 다이오드의 앞으로 편견은 아직도 몇몇 장치의 낮 전압 산출을 위해 높을 수 있습니다. 이런 경우에, 전압 승수 또는 변압기는 전압량을 증가시키기 위하여 이용되었습니다.

액티브한 전자공학은 몇몇을의 이전 제한 극복할 수 있습니다, 그러나 그들의 에너지 소비와 일어난 에너지 사이 균형은 고려되어야 합니다. 무선 통합 microsystems를 위한 전력 공급의 최적화는 또한 WIMS에 밑에 연구 결과입니다. MEMS 제작 프로세스와 호환이 되는 발전된 잡종 힘 공급을 위한 micromachined 건전지 및 결과는 WIMS 이식할 수 있는 안내 압력 센서를 위한 전원, 및 WIMS 달팽이 임플란트를 디자인하고 낙관하기 위하여 사용되었습니다12.

결론

에너지 가을걷이는 제품화한 제품이 되기 위하여 천천히 발전하고 있는 handcranking 라디오 및 동요 몬 플래쉬 등에서 무선 감시 응용에 성장하고 있는 연구 지역 입니다.

고성능 산출 (10 mW/cm)가 광전지 에너지 발생에 의하여2 열매를 산출합니다 MEMS 가늠자에 실행될 수 있는 입증된 기술이고. 열 전기 발생은 온도 기울기 에 의지하고 있습니다, µW/cm2의 tenths는 겸손한 ΔT=1 °C. 압전 에너지 세대 제안에서 움직임 진동에서 에너지 가을걷이를 위한 간단한 접근 장악될 수 있습니다. 그(것)들이 이 발전기의 간명에 의하여 MEMS 제작과 nano 응용 조차를 위해 적절한 시킵니다. 1 mW/cm까지 에너지 밀도는3 보고되었습니다. 전자기 에너지 발생은 기초가 튼튼한 변환 기술입니다, 그러나 MEMS 가늠자에 영구 자석 및 인쇄하 코일은 보다 적게 능률적 됩니다. 기술이 발전하더라도, 그(것)들은 압전 발전기 만큼 날조해 쉬운 것처럼 보이지 않습니다. 상업적인 장치는 3 MW에 고성능 산출 (~10 MW)를, mm 치수가 재진 장치 위로 보여주었습니다 보여주고, 더 작은 장치는 µW의 수백에 tenths의 명령에 있습니다.

다중 상태 에너지 발생은 힘이 몇몇 환경 근원에서 일어나는 접근입니다. 그것은 유효한 에너지원에 따라 상기 변환 기술의 베스트를 취할 수 있습니다. 모든 상기 변환 기술은 기술이 휴대용 강화를 위해, 끼워넣어 빠른 속도로 성숙하고 있다는 것을 증명을, 장치 이식할 수 있는 또는 무선. 기술에 제한이 아직도 존재하더라도, 미래는 대폭적인 응용을 위해 유망하게 봅니다.


참고

1. S Roundy. 진동 기지를 둔 에너지 가을걷이의 효과에. 지적인 매트. 시스템과 Struc., J, V. 16, 2005년, 아니오 10. PP 10월. 809-823.
2. E Hirasaki, ST Moore, T Raphan, 및 B Cohen. 운동 도중 수직 헤드와 소년 운동에 대한 걷는 각측정속도의 효력. Exp. 두뇌 연구 1999년, 127(2). pp.117-30.
3. N G Stephen. 주위 진동에서 가을걷이하는 에너지에. 소리와 진동, V. 293, No.1-2의 J. 2006년, PP 5월. 409-425.
4. S F J Flipsen. portables와 wearables를 위한 양자택일 전원. 기술 2005년, 90 P.의 델프트 대학.
5. E Romero. 저주파 진동을 위해 가을걷이하는 MEMS 기지를 둔 에너지. 미출판 박사 논문, 미시간 과학 기술 대학. 2009년.
6. E E Aktakka, H 김, M Atashbar, 및 K Najafi. 비행 곤충에게서 가을걷이하는 역학적 에너지. 고체 Sens., 작동., 및 Microsys. 작업장, 2008년, PP 6월 382-383.
7. R Borno, J Steinmeyer, 및 M Maharbiz. 증발에서 에너지 청소. (http://www.wimserc.org)에서 가능한 계획사업 묘사. 2008년 5월.
8. N Ghafouri, H 김, 및 K Najafi. Microsystems를 위한 마이크로 열전 발전기. (http://www.wimserc.org)에서 가능한 계획사업 묘사. 2008년 5월.
9. T Galchev, H 김, M Atashbar, 및 K Najafi. 환경에서 다중 상태 에너지 청소. 미출판 원고, 2008년 미시간 대학.
10. B Pawlowski, S Schwarzer, Rahmig 및 J Topfer. 테이프 주물에 의해 준비되는 NdFeB thickfilms. 자기와 자석 매트의 J. V. 265 2003년, PP. 337-344
11. N Achotte, P Gilles, O Cugat, J Delamare 의 P Gaud, C Dieppedale. 평면 무브러시 자석 Micromotors. J. Microelect. Sys. V. 15, N. 4, 2006년, PP 8월. 1001-1014년.
12. F Albano와 A.M. Sastry. 무선 통합 MicroSystems를 위한 전력 공급의 디자인 그리고 최적화. (http://www.wimserc.org)에서 가능한 계획사업 묘사. 2008년 5월.

COMS 2008년에 제출하는, 멕시코

저작권 AZoNano.com, MANCEF.org

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

Last Update: 15. July 2013 16:13

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