Микро- Жатки Энергии - Альтернативный Источник Возобновляющей Энергии

Профессором Khalil Najafi

Edwar Romero1, Tzeno Galchev2, Erkan Aktakka2, Niloufar Ghafouri2, Hanseup Ким2, Майкл Neuman1, Khalil Najafi2,3 и Роберт Warrington1,3
1 Университет Мичигана Технологический
2 Отдел Мичиганского Университета Электротехники и Компьутерных Наук
3 Беспроволочный Интегрированный Центр Научно-исследовательской Работы Микро- Систем (WIMS ERC)
Соответствуя автор: najafi@umich.edu

Покрытые Темы

Конспект
Введение
Действительная Мощность
     Механически Источники Движения
     Солнечные и Термальные Источники
Методы Transduction
     Электромагнитные Генераторы
     Пьезоэлектрические Генераторы
     Мультимодные Генераторы Энергии
Возможности
     Эффективность
     Изготовлять
     Электроника
Заключения
Справки

Конспект

Увеличивая число автономных миниатюрных электронных устройств приносит с им проблему адекватнего, надежного электропитания. Энергия Micropower относящая к окружающей среде генераторы предлагает альтернативный источник возобновляющей энергии. Эти электропитания могут помочь поддержать относящие к окружающей среде, пригодные для носки или хирургически implantable микросистемы. Они могут помочь или даже заменить батареям в некоторых применениях.

Жать энергию от различных относящих к окружающей среде источников зона фокуса исследования на Беспроволочном Интегрированном Центре Научно-исследовательской Работы Микро- Систем (WIMS). Начинаются Микро- жатки энергии основанные на пьезоэлектрических, электромагнитных, термоэлектрических методах как от вибрации, так и от тепловых источников. Микро- батареи также изучаются.

Просмотрение исследования на преобразовании энергии, включая оптимизирование батаре-приведенных в действие систем для биологических implants, продувку энергии от транспирации, микро- термоэлектрический генератор для микросистем, мультимодную продувку энергии от окружающей среды, MEMS-основанную энергию для низкочастотных вибраций, и MEMS-основанный выноситель механически энергии для насекомых летания

Некоторые продолжающийся возможности остают прежде чем эти выносители можно принять на коммерчески маштабе. Эти включают: 1) Миниатюризация генераторов; 2) улучшающ плотность доступной энергии, 3) увеличивающ эффективность относящой к окружающей среде энергии соединяя к микро- жаткам, 4) превращаясь выпрямление и накопление энергии силы высокой эффективности, и 5) превращаясь соответствующий прибор упаковывая для долгосрочной надежности. Некоторые недавние результаты в этих областях.

Введение

дистанционного управления микросистемы были ограничены продолжительностью жизни батареи и размером батареи. Батареи типично доминантный компонент оперируя понятиями размера на микро- маштабе. Энергия посыл выставок как алтернатива для приводить эти приборы в действие. Устанавливало поколение Энергии от вибрации или движения, солнечного света, и изменений температуры как коммерчески жизнеспособный вариант на людск-приведенных в действие электрофонарях, солнечных чалькуляторах, и термальн-приведенных в действие wristwatches.

Жатки Micropower пристрелны к применениям где раскрытие батаре-основанных приборов или когда замена батареи трудна, дорог или невозможна. Положения Дистанционного зондирования, врезанный структурный контроль, отслеживать контейнеров для перевозок, ритмоводители, и humanimplants среди тех применений где батаре-работаемые приборы имеют ограничения.

Жать энергию от относящих к окружающей среде источников зона исследования над последней декадой, и фокус исследования на Беспроволочном Интегрированном Центре Научно-исследовательской Работы Микро- Систем (WIMS). WIMS методы превращаться пьезоэлектрические, электромагнитные, и термоэлектрические для жать энергию от вибрации и тепловых источников. Управление Силы и микро- батареи также изучаются. Просмотрение исследования на преобразовании энергии, включая недавние проекты WIMS.

Действительная Мощность

Механически Источники Движения

Механически движение источник энергии который привлек широкое внимание для жать энергии. Это можно сделать или активно или пассивно. Пассивные генераторы используют инерциальные механизмы, как массы доказательства прикрепленные к машинам или даже человеческим телам. Эти инерциальные генераторы используют смещение массы доказательства и механизм transduction для производства электроэнергии.

Общяя конструкция состоит из массы доказательства (m) прикрепленной к moving хозяину через a весн-как соединение. Электрический генератор типично амортизирует движение инерциального MASS. Сила доступная для линейного движения смещения на резонансе

Pmax elect = (1/я) mQ (2a/ω) (1)

Ограничивающие факторы 3, коэффициент из фактора (ASTF) ускорени-придавать квадратную форму-к-частоты (a/ω2), масса доказательства (m) и фактор качества (Q). Первое одно ограничение по источника входящего потока, и второе и третье одно ограничением по конструкции. От Таблицы 1, фактор ASTF может быть как низок как 0,001, для вибраций машины, к значениям как высоким как 3, для людской гулять.

Фактор Таблицы 1. ASTF1,2

Источник Вибрации

Ускорение (m/s2)

Частота (Hz)

ASTF (a/ω2)

Машинные отсеки Автомобиля

12

200

0,115

Основание механического инструмента 3 осей

10

70

0,227

Кожух Blender

6,4

121

0,054

Сушильщик Одежд

3,5

121

0,016

Приборный щиток Автомобиля

3

13

0,110

Breadmaker

1,03

121

0,001

Гулять (головное ускорение)

2-6.8

1.3-2.4

0.5-3.06

Максимальная сила поставленная к электрической нагрузке половина что доступно (Pmax elect = P/2)available3. Переставляющ для объемной плотности мощности, где m=ρV,

(Pmax elect /V) = (1/я) ρQ (2a/ω) (2)

Prokladkа Kursa (2) используя данные по Таблицы 1, выбирая Q-Факторы колебаясь от 1-1000, и принимая плотность массы доказательства 10 g/cm3 (для простоты, и подобно к молибдену), дает диаграмму Диаграммы 1 которая представляет максимальную силу которую можно перенести к электрической нагрузке.

Диаграмма 1 помогает визуализировать неиспользованные зоны для жать энергии. Польза движений человеческого тела, представленная высокими факторами ASTF и низкими Q-Факторами, раскрывает возможность основанной на человеке энергии на уровнях соответствующих к тем, котор достигли машин-основанные приборы (низкие факторы ASTF и Q>100).

Диаграмма 1. Максимальная сила доступная

Солнечные и Термальные Источники

Фотоэлементы или фотовольтайческие (PV) генераторы энергии могут преобразовать солнечную энергию в электричество используя фото эффект. Mono-Кристаллический кремний (mono-c-Si), поликристаллический кремний (поли-c-Si), и аморфический кремний (-Si) доминантные материалы для поколения PV. Клетки PV могут произвести до 100 W/m2 (с 10% из эффективности и интенсивности света 1000 W/m2). Клетки сделанные -Si произведут чем то из-за своей более низкой эффективности (5 до 7%). Типичные эффективности коммерчески клеток около 13-16% для mono-c-Si и 12-14% для поли-c-Si4. Эффективность фотоэлементов уменьшает логарифмически с интенсивностью света.

Термоэлектрические генераторы (TEG) производят электричество основанное на влиянии Seebeck. Это поколение электричества должное к разницам в температуры на 2 различных металлах формируя петлю. Типичная эффективность преобразования для этих систем хорошо под 10%. Были сообщены выходные мощности до 3402 mW/cm для ΔT = 200°C на эффективности 4,5%, и скромные значения 2 13µW/cm на ΔT = 1°C для wristwatch Гражданина TEG4.

Методы Transduction

Электромагнитные Генераторы

Энергия от электромагнитного transduction основана на индуктированном напряжении на катушке moving магнитом, или фикчированном магните и moving катушке. Произведенное количество силы зависит на основании магнитного поля, числа поворотов катушки, и изменения плотности магнитного потока через катушку должную к внешнему движению входного сигнала. Общий сценарий moving магнит прикрепленный к лучу или весне. Магнит собой типично действует как MASS. доказательства. Сопротивляясь магнитное поле произведенное течениями в катушке амортизирует движение магнита пока поставляющ энергию. Таблица 2 суммирует заключения инерциальных жаток энергии электромагнитного поля.

Предварительный прототип MEMS-основанной жатки энергии для низкочастотных вибраций на WIMS составлен дискретных магнитов NdFeB на осциллируя массе при шестерн-форменная разнослоистая катушка изготовленная используя фотолитографию5. Прототип производил µW 2rms силы на 2,5 Hz. Испытание для основанного на человеке поколения энергии произвело 7,4 mVrms под условиями нулевой нагрузки устанавливано близко к колену пока гуляющ. Более Высокие выходные мощности предположены для оптимизированных прототипов.

Жатки Энергии электромагнитного поля Таблицы 2.5

Заведение

VOL. (cm3)

Freq. (Hz)

Максимальная Сила (µW)

Плотность Мощности (µW/cm3)

Саутгемптон

0,24

322

530

2208

CUHK

1,0

110

830

830

ETH-Цюрих

0,5

2

35

70

HSG-IMIT

1,5

80

3000

2000

MTU/WIMS

1,5

2,5

2

1,3

Ferro Разрешения

30

21

9300

43

Пьезоэлектрические Генераторы

Основывают поколение Энергии от пьезоэлектрического transduction на произведенном напряжении тока когда пьезоэлектрический материал подлеубежал механически деформация. Пьезоэлектрические генераторы типично сформированы как консольные лучи, мембраны или другие структуры. Прикладное внешнее или инерциальное усилие производит деформацию необходимо для того чтобы произвести энергию. Таблица 3 суммирует различные подходы будучи изучанной для пьезоэлектрического поколения энергии.

Подготовительная работа на MEMS-основанном пьезоэлектрическом выносителе механически энергии для насекомых летания на WIMS была использована для поколения энергии от жуков летания. Пьезоэлектрические консольные лучи склеенные на задней части жуков начинают вибрировать когда их ударяют ходами крыла. Испытанные Прототипы обеспечили µW до 11,5 для прибора 113 mm на 92 Hz. 100 µW 15 силы можно предпологать от ходов крыла жука6.

Жатки энергии Таблицы 3. Пьезоэлектрические5

Заведение

VOL. (cm3)

Freq. (Hz)

Максимальная Сила (µW)

Плотность Мощности (µW/cm3)

MIT

10

1,1

8400

840

UC Berkeley

1

120

375

375

Небраска U.

6

1

850

142

K.U. Лёвен

0,6

1

40

67

MTU/ASU

0,4

1

176

440

UM/WIMS

0,01

92

11,5

1045

Мультимодные Генераторы Энергии

Мультимодная продувка энергии от окружающей среды проект WIMS который изыскивает начать блок производства электроэнергии который может scavenge энергия от различных источников включая вибрацию, жару или солнечную энергию. В дополнение к жать энергию от тех подходов к источников романных на поколении энергии превращайтесь, как транспираци-основанное, микро- термоэлектрическое для насекомых летания, и вверх-преобразование частоты.

Проект на продувке энергии от транспирации подход используя испарение на комнатной температуре. Подача наведенная испарением на микро--fluidic каналах управляет пузырями газа через обкладки конденсатора производя энергию. Плотность наивысшей мощности предположена от этого проекта7. Сообщены, что scavenge микро- термоэлектрический генератор для микросистем энергия от жуков летания. Ожидано, что произведена Сила µW 10-15 имплантировано на задней части жука, с плотностью мощности близко к 200 µW/cm2 и ΔT=11 °C.8

Схема преобразования частоты-вверх предназначена захватить относящую к окружающей среде низкочастотную вибрацию (более менее чем 100 Hz) для того чтобы активировать высок-резонирующую структуру частоты (над 1 КГц). Ожидано, что показывает Развитие на механически вверх-конвертерах частоты 23% увеличенную эффективность, и увеличение плотности энергии от 14,5 mW/cm3 (низкочастотного прибора) до 17,8 mW/cm3 (прибор вверх-преобразования)9.

Возможности

Несколько ограничений которые бросали вызов энергия на микромасштабе, как эффективность поколения и плотности энергии энергии, DC-выпрямления, накопления энергии и управления, изготавливания, долговечности и упаковывать. Обзор этих продолжающийся возможностей обсужен в следующих параграфах для того чтобы иметь более лучшее вникание их.

Эффективность

Эффективность представлена как коэффициент произведенной силы к действительной мощности. Хотя произведенная сила, и действительная мощность определена (1), не все термины Eq. сообщены, что оценивает (1) эффективность. Коэффициенты связи до 0.6-0.8 как возможные пределы для каждого из тех методов transduction3. В добавлении, проекты под развитием на WIMS, как подход к вверх-преобразования частоты9, могут помочь улучшить эффективность системы.

Электромагнитные жатки силы над 1 mW и под 1 см3 для вибраций машины вокруг 100 Hz, и жатки производящ над µW 100 и под 1 см3 для основанных на человеке деятельностей можно предпологать в ближайшее время. Уровни Силы от пьезоэлектрических жаток энергии близко к 10 mW на 1 Hz и плотности мощности 1 mW/cm3 на 92 Hz в жатках силы Таблицы 3. Пьезоэлектрических над 1 mW и под 1 см3 для машин-основанной вибрации вокруг 100 Hz можно предпологать более далее дальше.

Изготовлять

Одно из ограничений для электромагнитных датчиков изготовление постоянного (PM) магнита. MEMS-совместимые процессы не производят PMs с такими же характеристиками как навальные магниты. Типичные методы изготовления sputtering и гальванизировать слои продукции тонкопленочные (<10µm) хотя было изучено толстопленочное низложение (100-800µm) на низких температурах10. Делать По Образцу PM было продемонстрирован для mm-определенных размер картин магнитного полюса, или используя катушки или мягк-магнитные расположения для того чтобы навести замагничивание10,11.

Другое ограничение для вращательных электромагнитных генераторов потребность подшипников низк-трением соответствующих для процессов изготовления MEMS. подшипники Микро--Шарика, вращая оси, и магнитные подшипники могут быть возможными алтернативами. Жатки Энергии эксплуатируемые в вакууме имеют men6we потерь связанных с воздушным аэродинамическим демпфированием, но создают потребность для специальный упаковывать для поддержания рабочей Среды (био-имплантировано, структур-врезано, подвержение к жестковатой окружающей среде).

Электроника

Должно к природе поколения энергии, выход сигнал AC врем-варианта. Таким Образом, выпрямление DC и стабилизация напряжения необходимы для большинств электронных применений. Сети должны определить выпрямление, регулировку, управление, и хранение произведенной энергии. Большая Часть из жаток энергии использовала цепи выпрямления моста. Но прямое смещающее напряжение диодов может все еще быть высоко для выхода низшего напряжения некоторых приборов. В этот случай, множители или трансформаторы напряжения тока были использованы для того чтобы увеличить уровни напряжения тока.

Активная электроника может отжать некоторые из предыдущих ограничений, но баланс между их потреблением энергии и произведенной энергией должен быть учтен. Оптимизирование электропитаний для беспроволочных интегрированных микросистем также вниз изучение на WIMS. Micromachined батарея для поставк гибрид-силы которая совместима с процессами изготовления MEMS была превращена и результаты были использованы для того чтобы конструировать и оптимизировать источник питания для датчика внутриглазного давления WIMS implantable, и implant WIMS улитковый12.

Заключения

Жать Энергии растущая зона исследования которая медленно эволюционировала для того чтобы стать commercialized продуктами, от handcranking радио и встряхивание-управляемых электрофонарей к беспроволочным применениям контроля.

Фотовольтайческое поколение энергии производит выходную мощность наивысшей мощности (10 mW/cm2) а доказанная технология которую можно снабдить на MEMS-Маштабе. Термо- выработка электроэнергии зависел на температурных градиентах, tenths µW/cm2 можно получить от предложений скромных поколения энергии ΔT=1 °C. Пьезоэлектрических простой подход для жать энергию от движения или вибраций. Простота этих генераторов делает их хорошей - одето для изготовления MEMS и даже nano применений. Плотность энергии до 1 mW/cm3 была сообщена. Поколение Энергии электромагнитного поля солидный метод transduction, но на MEMS-маштабе постоянные магниты и печатать-катушки будут более менее эффективными. Хотя технология эволюционирует, они не кажется, что будут как просты изготовить как пьезоэлектрические генераторы. Коммерчески приборы показывали выходную мощность наивысшей мощности (~10 mW), mm-определенные размер приборы показывали до 3 mW, и более малые приборы на заказе tenths к сотниам µW.

Мультимодное поколение энергии подход где сила произведена от нескольких относящих к окружающей среде источников. Оно может принять самое лучшее вышеуказанных технологий transduction согласно доступным источникам энергии. Все вышеуказанные методы transduction доказывают что технология зреет на быстром тарифе для приводить в действие портативный, врезано, implantable или беспроводные устройства. Хотя ограничения на технологии все еще существуют, будущее смотрит перспективнейшим для широко распространённых применений.


Справки

1. S Roundy. На эффективности вибраци-основанный Жать Энергии. Толковейшая Циновка. Системы и Struc., J, V. 16, Номер 10. Октябрь 2005, pp. 809-823.
2. E Hirasaki, ST Moore, T Raphan, и B Cohen. Влияния гуляя скорости на вертикальных движениях головки и мальчика во время локомоции. Exp. исследование мозга, 1999, 127(2). pp.117-30.
3. N G Стефан. На энергии от окружающей вибрации. J. звука и вибрации, V. 293, No.1-2. Май 2006, pp. 409-425.
4. S F J Flipsen. Альтернативные источники питания для портативных машинок и wearables. Технологический Университет Делфта, 2005, P. 90.
5. E Romero. MEMS-Основанная Энергия Для Низкочастотных Вибраций. Неопубликованный докторский dissertation, Университет Мичигана Технологический. 2009.
6. E E Aktakka, H Ким, M Atashbar, и K Najafi. Механически Энергия От насекомых летания. Полупроводниковое Sens., Поступок., и Microsys. Мастерская, Июнь 2008, pp 382-383.
7. R Borno, J Steinmeyer, и M Maharbiz. Продувка Энергии От Транспирации. (Описание Проекта доступное от http://www.wimserc.org). Май 2008.
8. N Ghafouri, H Ким, и K Najafi. Микро- Термоэлектрический Генератор для Микросистем. (Описание Проекта доступное от http://www.wimserc.org). Май 2008.
9. T Galchev, H Ким, M Atashbar, и K Najafi. Мультимодная Продувка Энергии от Окружающей Среды. Неопубликованная рукопись, Мичиганский Университет, 2008.
10. B Pawlowski, S Schwarzer, Rahmig, и J Topfer. Thickfilms NdFeB подготовленные отливкой ленты. J. Магнетизма и Магнитной Циновки. V. 265, 2003, pp. 337-344
11. N Achotte, P Gilles, O Cugat, J Delamare, Gaud P, C Dieppedale. Плоскостное Безщеточное Магнитное Micromotors. J. Microelect. Sys. V. 15, N. 4, Август 2006, pp. 1001-1014.
12. F Albano и A.M. Sastry. Конструкция и Оптимизирование Электропитаний для Беспроволочных Интегрированных Микросистем. (Описание Проекта доступное от http://www.wimserc.org). Май 2008.

Представлено на COMS 2008, Мексика

Авторское Право AZoNano.com, MANCEF.org

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

Last Update: 15. July 2013 16:31

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