Micro Ceifeira da Energia - Source Alternativo da Energia Renovável

pelo Professor Khalil Najafi

Edwar Romero1, Tzeno Galchev2, Erkan Aktakka2, Niloufar Ghafouri2, Hanseup Kim2, Michael Neuman1, Khalil Najafi2,3 e Robert Warrington1,3
1 Universidade Tecnologico de Michigan
2 Departamento de Universidade Do Michigan da Engenharia Elétrica e da Informática
3 Micro Centro de Pesquisa Integrado Sem Fio da Engenharia dos Sistemas (WIMS ERC)
Autor Correspondente: najafi@umich.edu

Assuntos Cobertos

Sumário
Introdução
Potência Disponível
     Fontes Mecânicas do Movimento
     Fontes Solares e Térmicas
Técnicas da Transdução
     Geradores Eletromagnéticos
     Geradores Piezoeléctricos
     Geradores da Energia do Multi-Modo
Desafios
     Eficiência
     Fabricação
     Eletrônica
Conclusões
Referências

Sumário

O número crescente de dispositivos electrónicos diminutos autônomos traz com ele o problema de uma fonte de alimentação adequada, segura. A energia ambiental do Micropower que colhe geradores oferece uma fonte alternativa de energia renovável. Estas fontes de alimentação podem ajudar a apoiar microsistemas ambientais, wearable ou cirùrgica implantable. Podem ajudar ou mesmo substituir a baterias em algumas aplicações.

Colher a energia das várias fontes ambientais foi uma área do foco da pesquisa no Micro Centro de Pesquisa Integrado Sem Fio da Engenharia dos Sistemas (WIMS). As Micro ceifeira da energia baseadas em técnicas piezoeléctricas, eletromagnéticas, termoelétricos da vibração e dos fontes de calor estão sendo desenvolvidas. As Micro baterias estão sendo estudadas igualmente.

Uma revisão da pesquisa sobre a conversão de energia será apresentada, incluindo a optimização de sistemas a pilhas para implantes biológicos, a limpeza da energia da transpiração, um micro gerador termoelétrico para microsistemas, a limpeza multimodo da energia do ambiente, a energia MEMS-baseada que colhem para vibrações de baixa frequência, e o SCAVENGER MEMS-baseado da energia mecânica para insectos de vôo

Alguns desafios em curso permanecem antes que estes SCAVENGER possam ser adotados em uma escala comercial. Estes incluem: 1) Miniaturização dos geradores; 2) melhorando a densidade de energia disponível, 3) aumentando a eficiência da energia ambiental que acopla-se às micro ceifeira, 4) correcção da potência da eficiência elevada e armazenamento de energia tornando-se, e 5) dispositivo apropriado tornando-se que empacota para a confiança a longo prazo. Alguns resultados recentes nestas áreas serão apresentados.

Introdução

os microsistemas de controlo remoto foram limitados pela vida da bateria e pelo tamanho da bateria. As Baterias são tipicamente o componente dominante em termos do tamanho na micro escala. Energia que colhe a promessa das mostras como uma alternativa para pôr estes dispositivos. A geração da Energia da vibração ou o movimento, luz solar, e mudanças de temperatura foi estabelecida como uma alternativa viável comercial em lanternas elétricas humano-postas, em calculadoras solares, e em relógios de pulso térmico-postos.

As ceifeira do Micropower são visadas às aplicações onde desenvolvimento de dispositivos bateria-baseados ou quando a substituição da bateria for difícil, cara ou impossível. Os lugar da detecção Remota, a monitoração estrutural encaixada, seguimento dos contentores, pacemaker, e humanimplants estão entre aquelas aplicações onde os dispositivos a pilhas têm limitações.

Colher a energia das fontes ambientais foi uma área de pesquisa ao longo da última década, e um foco da pesquisa no Micro Centro de Pesquisa Integrado Sem Fio da Engenharia dos Sistemas (WIMS). WIMS é técnicas piezoeléctricas, eletromagnéticas, e termoelétricos tornar-se para colher a energia dos fontes da vibração e do calor. A gestão da Potência e as micro baterias estão sendo estudadas igualmente. Uma revisão da pesquisa sobre a conversão de energia é apresentada, incluindo projectos recentes de WIMS.

Potência Disponível

Fontes Mecânicas do Movimento

O movimento Mecânico é uma fonte de energia que atraia a atenção larga para a colheita da energia. Isto pode ser feito activamente ou passiva. Os geradores Passivos usam mecanismos com inércia, tais como as massas da prova anexadas às máquinas ou mesmo aos corpos humanos. Estes geradores com inércia usam o deslocamento da massa da prova e um mecanismo da transdução para a produção de electricidade.

Um projecto comum consiste em uma massa da prova (m) anexado a um anfitrião movente com a mola-como a junção. O gerador elétrico umedece tipicamente o movimento da massa com inércia. A potência disponível para um movimento linear do deslocamento na ressonância é

Pmax elect = (1/4) mQ (2a/ω) (1)

Os factores de limitação são três, a relação do factor (ASTF) da aceleração-esquadrar-à-freqüência (a/ω2), a massa da prova (m) e o factor de qualidade (Q). Primeiro é uma limitação da fonte de entrada, e segunda e terceira que é uma limitação de projecto. Da Tabela 1, o factor de ASTF pode ser tão baixo quanto 0,001, para vibrações da máquina, aos valores tão altos quanto 3, para o passeio humano.

Factor da Tabela 1. ASTF1,2

Vibração Source

Aceleração (m/s2)

Freqüência (Hertz)

ASTF (a/ω2)

Compartimentos do motor de Automóveis

12

200

0,115

Base da máquina-instrumento de 3 linhas centrais

10

70

0,227

Embalagem do Misturador

6,4

121

0,054

Secador de Roupa

3,5

121

0,016

Painel de instrumento do Carro

3

13

0,110

Breadmaker

1,03

121

0,001

Andar (aceleração principal)

2-6.8

1.3-2.4

0.5-3.06

A potência máxima entregada a uma carga elétrica é metade do que está disponível (Pmax elect = P/2available)3. Rearranjando para a densidade de potência volumétrico, onde m=ρV,

(Pmax elect /V) = (1/4) ρQ (2a/ω) (2)

O Traço (2) usando os dados da Tabela 1, selecionando os Q-Factores que variam de 1-1000, e supor uma densidade da massa da prova de 10 g/cm3 (para a simplicidade, e similar ao molibdênio), dá o gráfico de Figura 1 que representa a potência máxima que pode ser transferida à carga elétrica.

Figura 1 ajuda a visualizar áreas não furadas para a colheita da energia. O uso de movimentos do corpo humano, representado por factores altos de ASTF e por baixos Q-Factores, abre a possibilidade de energia humano-baseada que colhe a níveis comparáveis àqueles alcançada por dispositivos máquina-baseados (baixos factores de ASTF e Q>100).

Figura 1. potência Máxima disponível

Fontes Solares e Térmicas

As Células solares ou os geradores (PV) fotovoltaicos da energia podem converter a energia solar na electricidade que emprega o efeito fotoelétrico. o silicone Mono-Cristalino (mono-c-Si), o silicone policristalino (poli-c-Si), e o silicone amorfo (um-Si) são os materiais dominantes para a geração do PICOVOLT. As pilhas do PICOVOLT podem produzir até 100 W/m2 (com 10% da eficiência e de uma intensidade de luz de 1000 W/m)2. As Pilhas feitas do um-Si produzirão menos do que aquele devido a sua mais baixa eficiência (5 - 7%). As eficiências Típicas de pilhas comerciais são aproximadamente 13-16% para o mono-c-Si e 12-14% para o poli-c-Si4. A eficiência das células solares diminui logarìtmica com a intensidade de luz.

Os geradores Termoelétricos (TEG) produzem a electricidade baseada no efeito de Seebeck. Esta é a geração de electricidade devido às diferenças da temperatura em dois metais diferentes que formam um laço. A eficiência de conversão Típica para estes sistemas está bem abaixo de 10%. As Saídas de potência até 340 mW/cm2 para ΔT = 200°C na eficiência 4,5%, e os valores modestos de 13µW/cm2 em ΔT = 1°C para o relógio de pulso do Cidadão TEG foram relatados4.

Técnicas da Transdução

Geradores Eletromagnéticos

A Energia que colhe da transdução eletromagnética é baseada na tensão induzida em uma bobina por um ímã movente, ou um ímã fixo e uma bobina movente. A quantidade de potência gerada depende da força do campo magnético, do número de voltas da bobina, e da mudança da densidade de fluxo magnético através da bobina devido ao movimento externo da entrada. Uma encenação comum é um ímã movente anexado a um feixe ou a uma mola. O ímã por si só actua tipicamente como a massa da prova. O campo magnético de oposição gerado por correntes na bobina umedecerá o movimento do ímã ao fornecer a energia. A Tabela 2 resume os resultados de ceifeira com inércia da energia eletromagnética.

Um protótipo preliminar de uma ceifeira MEMS-baseada da energia para vibrações de baixa frequência em WIMS é compor de ímãs discretos de NdFeB em uma massa de oscilação com uma bobina engrenagem-dada forma da multi-camada fabricada usando a fotolitografia5. O protótipo produziu o µW 2rms da potência em 2,5 Hertz. Um teste para a geração humano-baseada da energia gerou 7,4 milivoltrms sob condições da nenhum-carga quando colocado perto do joelho ao andar. Umas saídas de potência Mais Altas são esperadas para protótipos aperfeiçoados.

Ceifeira da energia Eletromagnética da Tabela 2.5

A Instituição

Vol. (cm3)

Freq. (Hertz)

Potência Máxima (µW)

Densidade de Potência (µW/cm3)

Southampton

0,24

322

530

2208

CUHK

1,0

110

830

830

ETH-Zurique

0,5

2

35

70

HSG-IMIT

1,5

80

3000

2000

MTU WIMS

1,5

2,5

2

1,3

Soluções Ferro

30

21

9300

43

Geradores Piezoeléctricos

A geração da Energia da transdução piezoeléctrica está baseada na tensão gerada quando um material piezoeléctrico é sujeito a uma deformação mecânica. Os geradores Piezoeléctricos são dados forma tipicamente como feixes de modilhão, membranas ou outras estruturas. Uma força externo ou com inércia aplicada produz a deformação necessário para gerar a energia. A Tabela 3 resume as aproximações diferentes que estão sendo estudadas para a geração piezoeléctrica da energia.

O trabalho Preliminar em um SCAVENGER piezoeléctrico MEMS-baseado da energia mecânica para insectos de vôo em WIMS foi usado para a geração da energia dos besouros do vôo. Os feixes de modilhão Piezoeléctricos colados na parte de trás dos besouros começam vibrar quando são batidos pelos cursos da asa. Os Protótipos testados tinham fornecido o µW até 11,5 para um dispositivo de 113 milímetros em 92 Hertz. Cem µW quinze da potência podem ser esperados dos cursos da asa do besouro6.

Ceifeira Piezoeléctricas da energia da Tabela 3.5

A Instituição

Vol. (cm3)

Freq. (Hertz)

Potência Máxima (µW)

Densidade de Potência (µW/cm3)

MIT

10

1,1

8400

840

Uc Berkeley

1

120

375

375

Nebraska U.

6

1

850

142

K.U. Lovaina

0,6

1

40

67

MTU/ASU

0,4

1

176

440

UM/WIMS

0,01

92

11,5

1045

Geradores da Energia do Multi-Modo

a limpeza da energia do Multi-Modo do ambiente é um projecto de WIMS que procure desenvolver uma unidade da produção de electricidade que possa limpar a energia das fontes diferentes que incluem a vibração, o calor ou a energia solar. Além do que a colheita da energia daquelas aproximações novas das fontes na geração da energia estão sendo tornados, como termoelétrico transpiração-baseado, micro para insectos de vôo, e a acima-conversão da freqüência.

Um projecto na limpeza da energia da transpiração é uma aproximação que emprega a evaporação na temperatura ambiente. O Fluxo induzido pela evaporação nos canais micro-fluidic conduz bolhas de gás através das placas do capacitor que geram a energia. Uma densidade de poder superior é esperada deste projecto7. Um micro gerador termoelétrico para microsistemas é relatado para limpar a energia dos besouros do vôo. A Potência do µW 10-15 é esperada ser gerada quando implantada na parte de trás de um besouro, com uma densidade de potência perto de 200 µW/cm2 e de um ΔT=11 °C.8

Um esquema da conversão da freqüência-acima é pretendido capturar a vibração de baixa frequência ambiental (menos de 100 Hertz) para activar uma estrutura alto-ressonante da freqüência (sobre 1 quilohertz). A Revelação em acima-conversores mecânicos da freqüência é esperada mostrar 23% uma eficiência aumentada um aumento, e da densidade de energia de 14,5 mW/cm3 (dispositivo de baixa frequência) a 17,8 mW/cm3 (dispositivo da acima-conversão)9.

Desafios

Há algumas limitações que desafiaram a energia que colhe no microscale, tal como a eficiência da geração da energia e a densidade de energia, C.C.-correcção, armazenamento e gestão de energia, fabricação, longevidade e empacotamento. Uma vista geral destes desafios em curso é discutida nos seguintes parágrafos a fim ter uma compreensão melhor deles.

Eficiência

A eficiência é representada como a relação da potência gerada à potência disponível. Embora a potência produzida seja apresentada, e a potência disponível seja definida por (1), não todos os termos de Eq. (1) são relatados para calcular a eficiência. Os coeficientes do Acoplamento até 0.6-0.8 foram apresentados como limites possíveis para cada um daquelas técnicas da transdução3. Além, os projectos em desenvolvimento em WIMS, tal como a aproximação da acima-conversão da freqüência9, podem ajudar a melhorar a eficiência do sistema.

As ceifeira Eletromagnéticas da potência sobre 1 mW e sob 1 cm3 para vibrações da máquina ao redor 100 Hertz, e as ceifeira produzindo sobre o µW 100 e sob 1 cm3 para actividades humano-baseadas podem ser esperadas em um futuro próximo. Os níveis de Potência das ceifeira piezoeléctricas da energia perto de 10 mW em 1 Hertz e densidade de potência de 1 mW/cm3 em 92 Hertz foram apresentados em ceifeira Piezoeléctricas da potência da Tabela 3. sobre 1 mW e sob 1 cm3 para a vibração máquina-baseada ao redor 100 Hertz podem ser esperados mais sobre.

Fabricação

Uma das limitações para transdutores eletromagnéticos é a fabricação do ímã (PM) permanente. os processos MEMS-compatíveis não rendem PMs com as mesmas características que os ímãs maiorias. Técnicas Típicas da fabricação de engasgar e de galvanizar as camadas de fita fina do produto (<10µm) embora o depósito do grosso-filme (100-800µm) em baixas temperaturas fosse estudado10. A Modelação de um PM foi demonstrada para os testes padrões milímetro-feitos sob medida do pólo magnético, usando bobinas ou o regime macio-magnético para induzir a magnetização10,11.

Uma Outra limitação para geradores eletromagnéticos rotatórios é a necessidade de rolamentos da baixo-fricção apropriados para processos da fabricação de MEMS. os rolamentos da Micro-Bola, os pivôs de giro, e os rolamentos magnéticos podem ser alternativas possíveis. As ceifeira da Energia operadas no vácuo têm menos perdas associadas com o ar que umedece, mas criam a necessidade para que o empacotamento especial mantenha o ambiente de trabalho (bio-implantado, estrutura-encaixado, exposição ao ambiente áspero).

Eletrônica

Devido à natureza da geração da energia, a saída é um sinal da C.A. da tempo-variação. Assim, a correcção da C.C. e o regulamento de tensão são necessários para a maioria de aplicações eletrônicas. Os Circuitos devem esclarecer a correcção, o regulamento, o controle, e o armazenamento da energia produzida. A Maioria das ceifeira da energia empregaram circuitos da correcção da ponte. Mas polarizar dos diodos pode ainda ser alto para a saída de baixa voltagem de alguns dispositivos. Neste caso, os multiplicadores da tensão ou os transformadores foram usados para aumentar os níveis de tensão.

A eletrônica Activa pode superar algumas das limitações precedentes, mas um balanço entre seu consumo de energia e a energia produzida deve ser levado em consideração. A Optimização de fontes de alimentação para microsistemas integrados sem fio é igualmente abaixo estudo em WIMS. Uma bateria micromachined para fontes da híbrido-potência que fosse compatível com processos da fabricação de MEMS fosse tornada e os resultados foram usados para projectar e aperfeiçoar a fonte de energia para o sensor implantable da pressão intraocular de WIMS, e o implante cocleário de WIMS12.

Conclusões

A colheita da Energia é uma área de pesquisa crescente que lentamente esteja evoluindo para se transformar produtos comercializados, dos rádios girando manualmente e das lanternas elétricas agitação-conduzidas às aplicações sem fio da monitoração.

A geração Fotovoltaico da energia rende uma saída de poder superior (10 mW/cm2) e é uma tecnologia provada que possa ser executada na MEMS-Escala. A geração elétrica Thermo é dependente dos inclinações de temperatura, os décimos de µW/cm2 podem ser obtidos das ofertas Piezoeléctricas modestas de uma geração da energia de ΔT=1 °C. uma aproximação simples para colher a energia do movimento ou das vibrações. A simplicidade destes geradores fá-los bons - serido para a fabricação de MEMS e mesmo aplicações nano. A densidade de Energia até 1 mW/cm3 foi relatada. A geração da energia Eletromagnética é uma técnica bem conhecida da transdução, mas na MEMS-escala os ímãs permanentes e as imprimir-bobinas tornam-se menos eficientes. Embora a tecnologia esteja evoluindo, não parecem ser tão simples fabricar como geradores piezoeléctricos. Os dispositivos Comerciais mostraram uma saída de poder superior (~10 mW), dispositivos milímetro-feitos sob medida apareceram a 3 mW, e os dispositivos menores são na ordem dos décimos às centenas de µW.

a geração da energia do Multi-Modo é uma aproximação onde a potência seja produzida de diversas fontes ambientais. Pode tomar o melhor das tecnologias acima da transdução de acordo com as fontes de energia disponíveis. Todas As técnicas acima da transdução mostram que a tecnologia se está amadurecendo em uma taxa rápida para pôr portátil, encaixado, implantable ou dispositivos sem fios. Embora as limitações na tecnologia ainda existam, o futuro olha prometedor para aplicações difundidas.


Referências

1. S Roundy. Na eficácia da Colheita vibração-baseada da Energia. Esteira Inteligente. Sistemas e Struc., J, V. 16, No. 10. Outubro de 2005, pp. 809-823.
2. E Hirasaki, ST Moore, T Raphan, e B Cohen. Efeitos da velocidade de passeio em movimentos verticais da cabeça e do menino durante a locomoção. Exp. pesquisa do cérebro, 1999, 127(2). pp.117-30.
3. N G Stephen. Na energia que colhe da vibração ambiental. J. do som e da vibração, V. 293, No.1-2. Maio de 2006, pp. 409-425.
4. S F J Flipsen. Fontes de energia Alternativas para portables e wearables. Universidade Tecnológica da Louça de Delft, 2005, 90 P.
5. E Romero. Energia MEMS-Baseada que Colhe para Vibrações De baixa frequência. Dissertação doutoral Não-publicado, Universidade Tecnologico de Michigan. 2009.
6. E E Aktakka, H Kim, M Atashbar, e K Najafi. Energia Mecânica que Colhe dos insectos de vôo. Sens De Circuito Integrado., Acto., e Microsys. Oficina, Em junho de 2008, pp 382-383.
7. R Borno, J Steinmeyer, e M Maharbiz. Limpeza da Energia da Transpiração. (Descrição de Projecto disponível de http://www.wimserc.org). Maio de 2008.
8. N Ghafouri, H Kim, e K Najafi. Um Micro Gerador Termoelétrico para Microsistemas. (Descrição de Projecto disponível de http://www.wimserc.org). Maio de 2008.
9. T Galchev, H Kim, M Atashbar, e K Najafi. Limpeza da Energia do Multi-Modo do Ambiente. Manuscrito Não-publicado, Universidade Do Michigan, 2008.
10. B Pawlowski, S Schwarzer, Um Rahmig, e J Topfer. Thickfilms de NdFeB preparados pela carcaça da fita. J. do Magnetismo e da Esteira Magnética. V. 265, 2003, pp. 337-344
11. N Achotte, P um Gilles, O Cugat, J Delamare, Gaud de P, C Dieppedale. Micromotors Magnético Sem Escova Planar. J. Microelect. Sistema. V. 15, N. 4, Em agosto de 2006, pp. 1001-1014.
12. F Albano e A M. Sastry. Projecto e Optimização de Fontes de Alimentação para Microsistemas Integrados Sem Fio. (Descrição de Projecto disponível de http://www.wimserc.org). Maio de 2008.

Apresentado em COMS 2008, México

Copyright AZoNano.com, MANCEF.org

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

Last Update: 15. July 2013 16:28

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