De Micro- Maaimachines van de Energie - een Alternatieve Bron van Vernieuwbare Energie

door Professor Khalil Najafi

Edwar Romero1, Tzeno Galchev2, Erkan Aktakka2, Niloufar Ghafouri2, Hanseup Kim2, Michael Neuman1, Khalil Najafi2,3 en Robert Warrington1,3
1 De Technologische Universiteit van Michigan
2 Universiteit van het Ministerie van Michigan van Elektrotechniek en de Wetenschap van de Computer
3 Het Draadloze Geïntegreerde Onderzoekscentrum van de Micro- Techniek van Systemen (WIMS ERC)
Overeenkomstige auteur: najafi@umich.edu

Besproken Onderwerpen

Samenvatting
Inleiding
Beschikbare Macht
     De Mechanische Bronnen van de Motie
     Zonne en Thermische Bronnen
De Technieken van de Transductie
     Elektromagnetische Generators
     Piezoelectric Generators
     Multi-Mode Generators van de Energie
Uitdagingen
     Efficiency
     Productie
     Elektronika
Conclusies
Verwijzingen

Samenvatting

Het stijgende aantal autonome miniatuur elektronische apparaten brengt met het het probleem van een adequate, betrouwbare machtslevering. Micropower bieden de milieuenergie het oogsten generators een alternatieve bron van vernieuwbare energie aan. Deze machtslevering kan helpen om milieu, wearable of chirurgisch inplanteerbare microsystems te steunen. Zij kunnen batterijen bijstaan of vervangen in sommige toepassingen.

Het Oogsten de energie uit diverse milieubronnen is een onderzoeksgebied nadruk op het Draadloze Geïntegreerde Onderzoekscentrum geweest van de Micro- Techniek van Systemen (WIMS). De Micro- die energiemaaimachines op piezoelectric, elektromagnetische, thermo-elektrische technieken uit zowel trilling als hittebronnen worden gebaseerd worden ontwikkeld. De Micro- batterijen worden ook bestudeerd.

Een overzicht van onderzoek bij de energieomzetting zal, met inbegrip van optimalisering van systemen op batterijen voor biologische implants, energie het reinigen van transpiratie, een micro- thermo-elektrische generator voor microsystems, het multimode energie reinigen van het milieu, hetGebaseerde energie oogsten voor trillingen met lage frekwentie, en op MEMS-Gebaseerde mechanische energieaaseter voor vliegende insecten worden voorgesteld

Sommige aan de gang zijnde uitdagingen blijven alvorens deze aaseters op op commerciële schaal kunnen worden goedgekeurd. Deze omvatten: 1) Miniaturisatie van generators; 2) het verbeteren van de beschikbare energiedichtheid, 3) het verhogen van de efficiency van milieuenergie die aan micro- maaimachines koppelen, 4) het ontwikkelen van de rectificatie van de hoge efficiencymacht en energieopslag, en 5) het ontwikkelen van geschikte apparaat verpakking voor betrouwbaarheid op lange termijn. Sommige recente resultaten op deze gebieden zullen worden voorgesteld.

Inleiding

microsystems met afstandsbediening zijn beperkt door batterijleven en batterijgrootte. De Batterijen zijn typisch de dominante component in termen van grootte bij de micro- schaal. Het oogsten van de Energie toont belofte als alternatief voor het aandrijven van deze apparaten. De generatie van de Energie van trilling of motie, zonnelicht, en temperatuurveranderingen is gevestigd als commercieel haalbaar alternatief op menselijk-aangedreven flitslichten, zonnecalculators, en thermisch-aangedreven polshorloges.

Micropower de maaimachines worden gericht aan toepassingen waar plaatsing van op batterij-gebaseerde apparaten of wanneer de batterijvervanging moeilijk, duur of onmogelijk is. Het Verre ontdekken de plaatsen, ingebedde structurele controle, het volgen van verschepende containers, hartstimulators, en humanimplants zijn onder die toepassingen waar de apparaten op batterijen beperkingen hebben.

Het Oogsten de energie uit milieubronnen is een onderzoeksgebied tijdens het laatste decennium, en een onderzoeknadruk op het Draadloze Geïntegreerde Onderzoekscentrum geweest van de Micro- Techniek van Systemen (WIMS). WIMS ontwikkelt piezoelectric, elektromagnetische, en thermo-elektrische technieken om energie te oogsten van trilling en hittebronnen. De het beheers en micro- van de Macht batterijen worden ook bestudeerd. Een overzicht van onderzoek bij de energieomzetting wordt voorgesteld, met inbegrip van recente Wims- projecten.

Beschikbare Macht

De Mechanische Bronnen van de Motie

De Mechanische motie is een energiebron die brede aandacht voor energie het oogsten heeft aangetrokken. Dit kan of actief of passief worden gedaan. De Passieve generators gebruiken traagheidsmechanismen, zoals bewijsmassa's in bijlage aan machines of zelfs menselijke organismen. Deze traagheidsgenerators gebruiken de verplaatsing van de bewijsmassa en een transductiemechanisme voor machtsgeneratie.

Een gemeenschappelijk ontwerp bestaat uit een bewijsmassa (m) in bijlage aan een bewegende gastheer door een spring-like verbinding. De elektrogenerator tempert typisch de motie van de traagheidsmassa. De macht beschikbaar voor een lineaire verplaatsingsbeweging bij resonantie is

Pmax elect = (1/4) (a/ω2) mQ (1)

De beperkende factoren zijn drie, de verhouding van versnelling-regelen-aan-frequentie (ASTF) factor (a/ω2), de bewijsmassa (m) en de kwaliteitsfactor (q). Eerste één is een input bronbeperking, en tweede en derde één die een ontwerpbeperking zijn. Van Lijst 1, kan de factor ASTF zoals 0.001, voor machinetrillingen, aan waarden zo zo laag zijn hoog zoals 3, voor het menselijke lopen.

Lijst 1. Factor ASTF1,2

De Bron van de Trilling

Versnelling (m/s2)

Frequentie (Herz)

ASTF (a/ω2)

De compartimenten van de Motor van een auto

12

200

0.115

Basis van werktuigmachine met 3 assen

10

70

0.227

Het omhulsel van de Mixer

6.4

121

0.054

De droger van Kleren

3.5

121

0.016

Het controlebord van de Auto

3

13

0.110

Breadmaker

1.03

121

0.001

Het Lopen (hoofdversnelling)

2-6.8

1.3-2.4

0.5-3.06

De maximumdiemacht aan een elektrolading wordt geleverd is de helft van wat beschikbaar is (Pmax elect = P/2available)3. Herschikkend voor volumetrische machtsdichtheid, waar m=ρV,

(Pmax elect /V) = (1/4) (a/ω2) ρQ (2)

In Kaart Brengend (2) gebruikend Lijst 1 gegevens, die geven de q-Factoren selecteren die zich van 1-1000 uitstrekken, en een dichtheid van de bewijsmassa van 10 g/cm3 (voor eenvoud, en gelijkaardig aan molybdeen) veronderstellen, de grafiek van Figuur 1 die de maximummacht vertegenwoordigt die naar de elektrolading kan worden overgebracht.

Figuur 1 helpt om onaangesproken gebieden te visualiseren voor energie het oogsten. Het gebruik van menselijk die lichaamsbewegingen, door hoge factoren ASTF en lage q-Factoren wordt vertegenwoordigd, opent de mogelijkheid van hetgebaseerde energie oogsten op niveaus vergelijkbaar met die bereikt door machine-based apparaten (lage factoren ASTF en Q>100).

Figuur 1. Maximum beschikbare macht

Zonne en Thermische Bronnen

De Zonnecellen of photovoltaic (PV) energiegenerators kunnen zonne-energie in elektriciteit omzetten aanwendend het foto-elektrische effect. Mono-crystalline silicium (mono-c-Si), polycrystalline silicium (poly-c-Si), en het amorfe silicium (a-Si) zijn de dominante materialen voor PV generatie. PV de cellen kunnen tot 100 W/m (2 met 10% van efficiency en een lichtintensiteit van 1000 W/m)2 produceren. De Cellen van a-Si worden gemaakt zullen minder dan dat wegens zijn lagere efficiency produceren (5 - 7% die). De Typische efficiency van commerciële cellen is ongeveer 13-16% voor mono-c-Si en 12-14% voor poly-c-Si4. De efficiency van zonnecellen vermindert logaritmisch met de lichtintensiteit.

De Thermo-elektrische die generators (TEG) veroorzaken elektriciteit op het effect Seebeck wordt gebaseerd. Dit is de generatie van elektriciteit toe te schrijven aan temperatuurverschillen die op twee verschillende metalen een lijn vormen. De Typische omzettingsefficiency voor deze systemen is goed onder 10%. De output van de Macht tot 340 mW/cm2 voor ΔT = 200°C bij 4.5% efficiency, en de bescheiden waarden van 13µW/cm2 bij zijn ΔT = 1°C voor het polshorloge van de Burger TEG gemeld4.

De Technieken van de Transductie

Elektromagnetische Generators

Het oogsten van de Energie van elektromagnetische transductie wordt gebaseerd op het veroorzaakte voltage op een rol door een bewegende magneet, of een vaste magneet en een bewegende rol. De geproduceerde hoeveelheid macht hangt van de sterkte van het magnetisch veld, het aantal draaien van de rol, en de verandering met de magnetische stroomdichtheid af door de rol toe te schrijven aan de externe inputbeweging. Een gemeenschappelijk scenario is een bewegende magneet in bijlage aan een straal of de lente. De magneet alleen typisch handelingen als bewijsmassa. Het verzettende die magnetisch veld door stromen in de rol wordt geproduceerd zal de magneetbeweging terwijl het leveren van energie temperen. Lijst 2 vat de bevindingen van traagheids elektromagnetische energiemaaimachines samen.

Een inleidend prototype van een op MEMS-Gebaseerde energiemaaimachine voor trillingen met lage frekwentie bij WIMS is samengesteld uit afzonderlijke magneten NdFeB op een oscillerende massa met een toestel-vormige multi-layer vervaardigd rol die fotolithografie gebruiken5. Het prototype heeft 2 µW vanrms macht bij 2.5 Herz geproduceerd. Een test voor menselijk-gebaseerde energiegeneratie produceerde 7.4 mVrms in de zonder commissie omstandigheden wanneer geplaatst dicht bij de knie terwijl het lopen. De Hogere machtsoutput wordt verwacht voor geoptimaliseerde prototypen.

Lijst 2. Elektromagnetische energiemaaimachines5

Instelling

Volume (cm3)

Freq. (Herz)

Maximum Macht (µW)

De Dichtheid van de Macht (µW/cm3)

Southampton

0.24

322

530

2208

CUHK

1.0

110

830

830

ETH-Zürich

0.5

2

35

70

Hsg-IMIT

1.5

80

3000

2000

MTU/WIMS

1.5

2.5

2

1.3

Ferro Oplossingen

30

21

9300

43

Piezoelectric Generators

De generatie van de Energie van piezoelectric transductie is gebaseerd op het geproduceerde voltage wanneer een piezoelectric materiaal aan een mechanische misvorming onderworpen is. Piezoelectric generators worden typisch gevormd als cantileverstralen, membranen of andere structuren. Een toegepaste externe of traagheidskracht veroorzaakt de misvorming nodig om energie te produceren. Lijst 3 vat de verschillende benaderingen samen die voor piezoelectric energiegeneratie worden bestudeerd.

Het Inleidende werk aangaande een op MEMS-Gebaseerde piezoelectric mechanische energieaaseter voor is vliegende insecten bij WIMS gebruikt voor energiegeneratie van vliegende kevers. Piezoelectric cantileverstralen op de rug die van keversbegin worden gelijmd wanneer zij door de vleugelslagen die worden geraakt trillen. Geteste de Prototypen hadden tot 11.5 µW voor een 11 mmapparaat3 bij 92 Herz verstrekt. Honderd vijftien µW van macht kunnen van de slagen van de kevervleugel worden verwacht6.

Lijst 3. Piezoelectric energiemaaimachines5

Instelling

Volume (cm3)

Freq. (Herz)

Maximum Macht (µW)

De Dichtheid van de Macht (µW/cm3)

MIT

10

1.1

8400

840

UC Berkeley

1

120

375

375

Nebraska 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

1045

Multi-Mode Generators van de Energie

Het Multi-mode energie reinigen van het milieu is een Wims- project dat tot doel heeft om een eenheid van de machtsgeneratie te ontwikkelen die energie uit verschillende bronnen met inbegrip van trilling, hitte of zonne-energie kan reinigen. Naast het oogsten van energie uit die bronnen worden de nieuwe benaderingen op energiegeneratie ontwikkeld, zoals op transpiratie-gebaseerd, micro thermo-elektrisch voor vliegende insecten, en frequentie omhoog-omzetting.

Een project bij energie het reinigen van transpiratie is een benadering aanwendend verdamping bij kamertemperatuur. De Stroom door verdamping op micro-fluidic kanalen wordt veroorzaakt drijft gasbellen door condensatorplaten die energie produceren die. Een hoge machtsdichtheid wordt verwacht van dit project7. Een micro- thermo-elektrische generator voor microsystems wordt gemeld aan het zoekenenergie van vliegende kevers. De Macht van 10-15 µW zou moeten worden geproduceerd wanneer geïnplanteerd op de rug van een kever, met een machtsdichtheid bijna 200 µW/cm2 en een ΔT=11 °C.8

Een frequentie-omhooggaande omzettingsregeling is bedoeld om milieutrilling met lage frekwentie te vangen (minder dan 100 Herz) om een hoog-resonerende frequentiestructuur (meer dan 1 kHz) te activeren. De Ontwikkeling in mechanische frequentie omhoog-convertors zou moeten een 23% verhoogde efficiency, en een verhoging van de energiedichtheid van 14.5 mW/cm (3 apparaat met lage frekwentie) tonen aan 17.8 mW/cm3 (omhoog-omzettingsapparaat)9.

Uitdagingen

Er zijn sommige beperkingen die energie oogstend bij de micro-schaal, zoals de efficiency van de energiegeneratie en energiedichtheid, gelijkstroom-Rectificatie, energieopslag en beheer, productie, levensduur en verpakking hebben uitgedaagd. Een overzicht van deze aan de gang zijnde uitdagingen wordt besproken in de volgende paragrafen om een beter inzicht in hen te hebben.

Efficiency

De efficiency wordt vertegenwoordigd als verhouding van geproduceerde macht aan de beschikbare macht. Hoewel de veroorzaakte macht wordt voorgesteld, en de beschikbare macht door (1) wordt bepaald, niet alle termijnen van Eq. (1) worden gerapporteerd om de efficiency te schatten. De coëfficiënten van de Koppeling tot 0.6-0.8 zijn voorgesteld zoals mogelijke grenzen voor elk van die transductietechnieken3. Bovendien kunnen de projecten in ontwikkeling bij WIMS, zoals de benadering van de frequentie9omhoog-omzetting, helpen om de efficiency van het systeem te verbeteren.

De Elektromagnetische machtsmaaimachines meer dan 1 mw en onder 1 cm3 voor machinetrillingen rond 100 Herz, en de maaimachines die meer dan 100 µW produceren en onder 1 cm3 voor menselijk-gebaseerde activiteiten kunnen in de nabije toekomst worden verwacht. Niveaus van de Macht van piezoelectric energiemaaimachines bijna werden 10 mw bij 1 dichtheid van Herz en van de macht van 1 mW/cm3 bij 92 Herz voorgesteld in Lijst 3. Piezoelectric machtsmaaimachines meer dan 1 mw en onder 1 cm3 voor machine-based trilling rond 100 Herz kunnen verder worden verwacht.

Productie

Één van de beperkingen voor elektromagnetische omvormers is de permanente magneet (PM)vervaardiging. De mems-compatibele processen brengen geen PMs met de zelfde kenmerken op zoals de bulkmagneten. Typische vervaardigingstechnieken om te sputteren en het galvaniseren opbrengs thin-film lagen (<10µm) hoewel thick-film (100800µm) deposito bij lage temperaturen is bestudeerd10. Het Vormen van PM is aangetoond voor mm-gerangschikte magnetische poolpatronen, of gebruikend rollen of zacht-magnetische regelingen om magnetisering te veroorzaken10,11.

Een Andere beperking voor rotatie elektromagnetische generators is de behoefte aan laag-wrijvingslagers geschikt voor MEMS vervaardigingsprocessen. De micro-Bal lagers, de roterende spillen, en de magnetische lagers kunnen mogelijke alternatieven zijn. De maaimachines van de Energie in vacuüm in werking worden gesteld hebben minder verliezen verbonden aan luchtbevochtiging, maar leiden tot de behoefte aan speciale verpakking om de werkomgeving (bio-geïnplanteerd, structuur-ingebed, blootstelling aan ruw milieu dat) te handhaven.

Elektronika

wegens de aard van de energiegeneratie, is de output een time-variant AC signaal. Aldus, zijn de rectificatie van GELIJKSTROOM en de voltageregelgeving nodig voor de meeste elektronische toepassingen. Het Schakelschema zou van rectificatie, regelgeving, controle, en opslag van de veroorzaakte energie moeten rekenschap geven. De Meeste energiemaaimachines wendden de kringen van de brugrectificatie aan. Maar forward-bias van de dioden kan nog voor de zwakstroomoutput van sommige apparaten hoog zijn. In dit geval, zijn de voltagemultiplicatoren of de transformatoren gebruikt om de voltageniveaus te verhogen.

De Actieve elektronika kan enkele vorige beperkingen overwinnen, maar een evenwicht tussen hun energieverbruik en veroorzaakte energie zou moeten worden in acht genomen. De Optimalisering van machtslevering voor draadloze geïntegreerde microsystems is ook in studie bij WIMS. A micromachined batterij want de hybride-machtslevering die met MEMS vervaardigingsprocessen compatibel is werd ontwikkeld en de resultaten zijn gebruikt om de krachtbron voor de WIMS inplanteerbare intraocular druksensor, en implant WIMS van het slakkehuis te ontwerpen en te optimaliseren12.

Conclusies

Het oogsten van de Energie is een groeiend onderzoekgebied dat langzaam om op de markt gebrachte producten heeft geëvolueerd te worden, van het handcranking van radio's en schok-gedreven flitslichten aan draadloze controletoepassingen.

Photovoltaic energiegeneratie brengt een hoge machtsoutput (10 mW/cm2) op en het is een bewezen technologie die bij de MEMS-Schaal kan worden uitgevoerd. De Thermo elektrische generatie is afhankelijk van temperatuurgradiënten, kunnen de tienden van µW/cm2 uit aanbiedingen van een de bescheiden ΔT=1 °C. Piezoelectric energiegeneratie een eenvoudige benadering worden verkregen voor het oogsten van energie van motie of trillingen. De eenvoud van deze generators maakt hen voor vervaardiging MEMS en zelfs nano toepassingen passend. De dichtheid van de Energie tot 1 mW/cm is3 gemeld. De Elektromagnetische energiegeneratie is een reeds lang gevestigde transductietechniek, maar bij MEMS-Schaal worden de permanente magneten en de drukken-rollen minder efficiënt. Hoewel de technologie evolueert, schijnen zij niet zo eenvoudig te zijn om als piezoelectric generators te vervaardigen. De Commerciële apparaten hebben een hoge machtsoutput (~10 mw) getoond, zijn de mm-gerangschikte apparaten aan 3 mw verschenen, en de kleinere apparaten zijn op de orde van tienden aan honderden µW.

Multi-mode energiegeneratie is een benadering waar de macht uit verscheidene milieubronnen wordt veroorzaakt. Het kan het beste van de bovengenoemde transductietechnologieën volgens de beschikbare energiebronnen nemen. Alle bovengenoemde transductietechnieken bewijzen dat de technologie aan een snel tarief om draagbare, ingebedde, inplanteerbare of draadloze apparaten aan te drijven rijpt. Hoewel er beperkingen op de technologie nog bestaan, kijkt de toekomst belovend voor wijdverspreide toepassingen.


Verwijzingen

1. S Roundy. Op de doeltreffendheid van hetgebaseerde Oogsten van de Energie. Intelligente Mat. Systemen en Struc., J, V. 16, Nr 10. Okt. 2005, blz. 809-823.
2. E Hirasaki, ST Moore, T Raphan, en B Cohen. Gevolgen van het lopen snelheid voor verticale hoofd en jongensbewegingen tijdens beweging. Exp. hersenen onderzoek, 1999, 127(2). pp.117-30.
3. N G Stephen. Bij energie het oogsten van omringende trilling. J. van geluid en trilling, V. 293, no.1-2. Mei 2006, blz. 409-425.
4. S F J Flipsen. Alternatieve krachtbronnen voor portables en wearables. De Universiteit van Delft van Technologie, 2005, 90 p.
5. E Romero. Hetgebaseerde Oogsten van de Energie voor Trillingen Met lage frekwentie. Ongepubliceerde dissertatie, de Technologische Universiteit van Michigan. 2009.
6. E E Aktakka, H Kim, M Atashbar, en K Najafi. Het Oogsten van de Mechanische Energie van vliegende insecten. In Vaste Toestand Sens., Akte., en Microsys. Workshop, Jun 2008, pp 382-383.
7. R Borno, J Steinmeyer, en M Maharbiz. Het Reinigen van de Energie Van Transpiratie. (Beschrijving van het project beschikbaar bij http://www.wimserc.org). Mei 2008.
8. N Ghafouri, H Kim, en K Najafi. Een Micro- Thermo-elektrische Generator voor Microsystems. (Beschrijving van het project beschikbaar bij http://www.wimserc.org). Mei 2008.
9. T Galchev, H Kim, M Atashbar, en K Najafi. Het Multi-Mode Reinigen van de Energie van het Milieu. Ongepubliceerd manuscript, Universiteit van Michigan, 2008.
10. B Pawlowski, S Schwarzer, een Rahmig, en J Topfer. NdFeB thickfilms door bandafgietsel dat wordt voorbereid. J. van Magnetisme en Magnetische Mat. V. 265, 2003, blz. 337-344
11. N Achotte, P Gilles, O Cugat, J Delamare, Gaud van P, C Dieppedale. Vlak Brushless Magnetische Micromotors. J. Microelect. Sys. V. 15, N. 4, Augustus 2006, blz. 1001-1014.
12. F Albano en A.M. Sastry. Ontwerp en Optimalisering van de Levering van de Macht voor Draadloze Geïntegreerde MicroSystems. (Beschrijving van het project beschikbaar bij http://www.wimserc.org). Mei 2008.

Voorgesteld bij COMS 2008, Mexico

Copyright AZoNano.com, MANCEF.org

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

Last Update: 15. July 2013 15:54

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit