MikroEnergiHarvesters - En Alternativ Källa av Förnybar Energi

vid Professorn Khalil Najafi

Edwar Romero1, Tzeno Galchev2, Erkan Aktakka2, Niloufar Ghafouri2, Hanseup Kim2, Michael Neuman1, Khalil Najafi2,3 och Robert Warrington1,3
1 Michigan Teknologisk Universitetar
2 MichiganuniversitetetAvdelning av Elektrisk Iscensätta och Datavetenskap
3 Inbyggda MikroSystem för Radio som Iscensätter Forskningscentrat (WIMS ERC)
Motsvarande författare: najafi@umich.edu

Täckte Ämnen

Abstrakt begrepp
Inledning
Tillgängligt Driva
     Mekaniskt Vinka Källor
     Sol- och Termiska Källor
TransductionTekniker
     Elektromagnetiska Generatorer
     Piezoelectric Generatorer
     Mång--Funktionsläge EnergiGeneratorer
Utmaningar
     Effektivitet
     Fabriks-
     Elektronik
Avslutningar
Hänvisar till

Abstrakt begrepp

Det ökande numrerar av autonom miniatyr som elektroniska apparater kommer med med det problemet av ett adekvat som är pålitligt driver tillförsel. För energiplockning för Micropower erbjuder miljö- generatorer en alternativ källa av förnybar energi. Dessa driver tillförsel kan hjälpa att stötta miljö-, wearable eller surgically implantable microsystems. De kan hjälpa eller även byta ut batterier i några applikationer.

Plockningenergi från olika miljö- källor har varit ett område av forskning fokuserar på Radion Integrerade MikroSystemen som Iscensätter Forskningscentrat (WIMS). Mikroenergiharvesters som baseras på piezoelectric, elektromagnetiska thermoelectric tekniker från både vibration och, värmer källor framkallas. Mikrobatterier är också utstuderade.

En granska av forskning på energiomvandling ska framläggas, inklusive optimization av batteri-drev system för biologiska implantat, energi som äta as från transpiration, en mikrothermoelectric generator för microsystems, multimode energi som äta as från miljön, denbaserade energiplockningen för lowen - frekvensvibrationer och denbaserade scavengeren för mekanisk energi för att flyga kryp

Några pågående utmaningar återstår, för dessa scavengers kan adopteras på ett reklamfilmfjäll. Dessa inkluderar: 1) Miniatyrisering av generatorer; 2) förbättra tätheten för tillgänglig energi, 3) ökande effektiviteten av miljö- energi som kopplar ihop till mikroharvesters, 4) framkallande kickeffektivitet driver beriktigande och energilagring, och 5) framkallande passande apparat som paketerar för långsiktig pålitlighet. Några nya resultat i dessa områden ska framläggas.

Inledning

fjärrstyrda microsystems har begränsats av batterilivstid, och batteriet storleksanpassar. Batterier är typisk det framträdande del- benämner in av storleksanpassar på mikrofjäll. Energiplockningshows lovar som ett alternativ för att driva dessa apparater. Energiutvecklingen från vibration eller vinkar, sol- ljust, och temperaturändringar har varit etablerade som ett livsdugligt alternativ för reklamfilm på människa-drev ficklampor, sol- räknemaskiner och termisk-drev armbandsur.

Micropowerharvesters uppsätta som mål till applikationer var utplacering av batteri-baserade apparater eller när batteriutbytet är svårt, dyrt eller omöjligt. Fjärrkontrollen som avkänner lägen, inbäddad strukturell övervakning, spårning av sändningsbehållare, pacemakers och humanimplants är bland de applikationer var batteri-fungeringsapparater har begränsningar.

Plockningenergi från miljö- källor har varit ett område av forskning över det sist årtiondet, och en forskning fokuserar på Radion Integrerade MikroSystemen som Iscensätter Forskningscentrat (WIMS). WIMS är piezoelectric, elektromagnetiska och thermoelectric tekniker för framkallning för att skörda energi från vibration och värmer källor. Driva ledning, och mikrobatterier är också utstuderade. En granska av forskning på energiomvandling framläggas, inklusive ny WIMS projekterar.

Tillgängligt Driva

Mekaniskt Vinka Källor

Mekaniskt vinka är en energikälla som har tilldragit bred uppmärksamhet för energiplockning. Detta kan göras endera aktivt eller passivt. Passivumgeneratorer använder trög mekanism, liksom motståndskraftigt samlas fäst bearbetar med maskin eller även människokroppar. Dessa tröga generatorer använder det motståndskraftigt samlas förskjutning, och en transductionmekanism för driver utvecklingen.

En allmänningdesign består av ett motståndskraftigt samlas (M) fäst till en flyttning varar värd till och med en gemensam fjädra-något liknande. Den elektriska generatorn fuktar typisk vinka av det trögt samlas. Driva som är tillgänglig för en linjär förskjutningsrörelse på resonans, är

Pmax elect = (1/4) mQ (2a/ω) (1)

Begränsa dela upp i faktorer är tre, dela upp i faktorer förhållandet av (ASTF) acceleration-kvadrera-till-frekvens (a/ω2), det motståndskraftigt samlas (M), och det kvalitets- dela upp i faktorer (Q). Första är ett mata inkälltvång, och understödja och thirden en som den är ett designtvång. Från Bordlägga 1, ASTFEN dela upp i faktorer kan vara så lågt, som 0,001, för bearbetar med maskin vibrationer, värderar som kick som 3, för att gå för människa.

Bordlägga 1. ASTF dela upp i faktorer1,2

VibrationsKälla

Acceleration (m/s2)

Frekvens (Hertz)

ASTF (a/ω2)

Bilmotorrum

12

200

0,115

Basera av 3 som axeln bearbetar med maskin bearbetar

10

70

0,227

Blandarecasing

6,4

121

0,054

Beklär torken

3,5

121

0,016

Bilen instrumenterar panelen

3

13

0,110

Breadmaker

1,03

121

0,001

Gå (head acceleration)

2-6.8

1.3-2.4

0.5-3.06

Maximat driver levererat till ett elektriskt laddar är halvan av vad är tillgänglig (Pmax elect = P/2available)3. Organisera Om för volymetriskt driva täthet, var m=ρV,

(Pmax elect /V) = (1/4) ρQ (2a/ω) (2)

Konspirera (2) att använda Bordlägga 1 data, Q-Dela upp i faktorer att välja att spänna från 1-1000, och anta ett motståndskraftigt samlas täthet av 10 g/cm3 (för enkelhet, och liknande till molybdenum), ger grafen av Figure 1 som föreställer maximat driver, som kan överföras till det elektriskt laddar.

Figurera hjälp 1 för att visualisera outnyttjade områden för energiplockning. Bruket av människokroppförehavanden som föreställs av kicken ASTF, dela upp i faktorer och low Q-Dela upp i faktorer, öppnar möjligheten av denbaserade energiplockningen på jämnar jämförbart till de som nes av bearbeta med maskin-baserade apparater (låg ASTF dela upp i faktorer och Q>100).

Figurera 1. Maximat driver tillgängligt

Sol- och Termiska Källor

Sol- celler eller photovoltaic (PV) energigeneratorer kan konvertera sol- energi in i elektricitet som använder det photoelectric, verkställer. Mono-Crystalline silikoner (mono-c-Si), polycrystalline silikoner (poly-c-Si) och amorphous silikoner (en-Si) är de framträdande materialen för PV-utveckling. PV-celler på burk jordbruksprodukter upp till 100 W/m2 (med 10% av effektivitet och en ljus styrka av 1000 W/m2). Celler som göras av en-Si att ska jordbruksprodukter mindre än det på grund av dess lägre effektivitet (5 - 7%). Typisk effektivitet av reklamfilmceller är omkring 13-16% för mono-c-Si och 12-14% för poly-c-Si4. Effektiviteten av sol- cellminskningar logarithmically med den ljusa styrkan.

Thermoelectric generator (TEG)jordbruksprodukterelektricitet som baseras på Seebecken, verkställer. Denna är utvecklingen av temperaturskillnader för elektricitet på olika två belägger med metall tack vare bilda en kretsa. Typisk omvandlingseffektivitet för dessa system är väl nedanför 10%. Driva tillverkar upp till 340 mW/cm2 för ΔT = 200°C på effektivitet 4,5%, och blygsamt värderar av 13µW/cm2 på ΔT = 1°C för Medborgaren, TEG- somarmbandsuret har anmälts4.

TransductionTekniker

Elektromagnetiska Generatorer

Energiplockningen från elektromagnetisk transduction baseras på den framkallade spänningen på en spole av en röra magnet, eller en fixad magnet och en röra spole. Beloppet av driver frambragt beror på styrkan av det magnetiskt sätter in, numrera av vänd av spolen, och ändringen av tätheten för magnetisk flux till och med spolen utsidan matar in tack vare rörelse. Ett allmänningscenario är en röra magnet som fästas till en stråla eller, fjädrar. Magneten vid honom agerar typisk, som det motståndskraftigt samlas. Motsätta som är magnetiskt, sätter in frambragt av strömmar i spolen ska fukten den levererande energin för magnetrörelsestunder. Bordlägga 2 resumerar rönet av tröga harvesters för elektromagnetisk energi.

En förberedande åtgärdprototyp av enbaserad energiharvester för low - frekvensvibrationer på WIMS komponeras av åtskilda NdFeB magneter på svänga samlas med utrusta-formad en fabricerad mång--lagrar spole genom att använda photolithography5. Prototypen har producerat 2 som µWrms av driver på 2,5 Hertz. En testa för människa-baserad energiutveckling frambragte 7,4 som millivoltrms ingen-laddar under villkorar, när förlagt nästan gå för knästunder. Driva Higher tillverkar förväntas för optimerade prototyper.

Bordlägga 2. Harvesters för Elektromagnetisk energi5

Institution

Vol. (cm3)

Freq. (Hertz)

Max Driva (µW)

Driva Täthet (µW/cm3)

Southampton

0,24

322

530

2208

CUHK

1,0

110

830

830

ETH-Zurich

0,5

2

35

70

HSG-IMIT

1,5

80

3000

2000

MTU/WIMS

1,5

2,5

2

1,3

Ferro Lösningar

30

21

9300

43

Piezoelectric Generatorer

Energiutvecklingen från piezoelectric transduction baseras på den frambragda spänningen, när ett piezoelectric materiellt är betvingar till en mekanisk deformering. Piezoelectric generatorer formas typisk, som cantileveren strålar, membran, eller annan strukturerar. En applicerad yttre eller trög styrka producerar deformeringen som behövs för att frambringa energi. Bordlägga 3 resumerar det olikt att närma sig att vara utstuderat för piezoelectric energiutveckling.

Förberedande åtgärdarbete på enbaserad piezoelectric scavenger för mekanisk energi för att flyga kryp på WIMS har använts för energiutveckling från flygskalbaggar. Den Piezoelectric cantileveren strålar limmat på baksidaen av skalbaggestarten som vibrerar, när de slås av påskynda slår. Testade Prototyper hade git upp till µW 11,5 för en apparat för en mm3 11 på 92 Hertz. Hundra femtonµW av driver kan förväntas från skalbagge påskyndar slår6.

Bordlägga 3. Piezoelectric energiharvesters5

Institution

Vol. (cm3)

Freq. (Hertz)

Max Driva (µW)

Driva Täthet (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

Mång--Funktionsläge EnergiGeneratorer

Mång--Funktionsläget energi som äta as från miljön är en WIMS projekterar att sökanden att framkalla en drivautvecklingsenhet, som kan äta as energi från inklusive vibration för olika källor, värmer eller sol- energi. Förutom plockningenergi från de källor som romanen att närma sig på energiutvecklingen, framkallas, liksom transpiration-baserat mikrothermoelectric för att flyga kryp och frekvensupp-omvandling.

En projektera på energi som äta as från transpiration, är en att närma sig som använder avdunstning på rumstemperaturen. Flöde som framkallas av avdunstning på mikro-fluidic, kanaliserar drev gasar bubblar till och med kondensatorn pläterar utveckling av energi. En kick driver täthet förväntas från denna projekterar7. En mikrothermoelectric generator för microsystems anmälas för att äta as energi från flygskalbaggar. Driva av µW 10-15 förväntas att frambringas, när du inympas på baksidaen av en skalbagge, med en drivatäthet nästan 200 µW/cm2 och en ΔT=11 °C.8

En frekvens-uppomvandlingsintrig ämnas till den miljö- låg-frekvens för tillfångatagandet vibrationen (mindre än 100 Hertz) att aktivera enresonant frekvens strukturerar (över 1 kHz). Utveckling på mekaniska frekvensupp-omformare förväntas för att visa 23% en ökande effektivitet och en förhöjning för energitäthet från 14,5 mW/cm3 (låg-frekvens apparat) till 17,8 mW/cm3 (upp-omvandling apparat)9.

Utmaningar

Det finns några begränsningar som har utmanat energiplockning på microscalen, liksom effektiviteten av energiutvecklingen och energitätheten, DC-beriktigande, energilagring och ledning, fabriks-, livslängden och att paketera. En överblick av dessa pågående utmaningar diskuteras i stycker efter för att ha en bättre överenskommelse av dem.

Effektivitet

Effektiviteten föreställs som förhållandet av frambragt driver till det tillgängligt driver. Även Om den producerade driva framläggas, och de tillgängliga driver definieras by (1), inte alla benämner av Eq. (1) anmälas till bedömningen effektiviteten. Koppla Ihop koefficienter upp till 0.6-0.8 har framlagts, som möjligheten begränsar för varje av de transductiontekniker3. I tillägg projekterar under utveckling på WIMS, liksom frekvensupp-omvandlingen att närma sig9, kan hjälpa att förbättra effektiviteten av systemet.

Elektromagnetiskt driva harvesters över 1 mW, och under 1 cm3 för bearbeta med maskin vibrationer omkring 100 Hertz, och harvesters producera över µW 100 och under 1 cm3 för människa-baserade aktiviteter kan förväntas i den near framtiden. Driva jämnar från piezoelectric energiharvesters nästan 10 mW på 1 Hertz och driver tätheter av 1 mW/cm3 på 92 Hertz framlades in Bordlägger 3. Piezoelectric driva harvesters över 1 mW, och under 1 cm3 för bearbeta med maskin-baserad vibration kan omkring 100 Hertz förväntas vidare på.

Fabriks-

En av begränsningarna för elektromagnetiska omformare är den permanent magnet (PM)fabriceringen. MEMS-kompatibelt bearbetar gör inte avkastning PMs med de samma kännetecknen som de bulk magneterna. Typiska fabriceringtekniker av att fräsa och att electroplating jordbruksprodukter tunn-filmar lagrar (<10µm) även om tjock-filma (100-800µm) avlagring på låga temperaturer har varit utstuderat10. att Mönstra av en PM har visats för en mm-storleksanpassad magnetisk pol mönstrar, endera genom att använda spolar eller mjuk-magnetiska ordningar för att framkalla magnetization10,11.

En Annan begränsning för rotationselektromagnetiska generatorer är behovet av passande låg-friktion lager för MEMS-fabricering bearbetar. Mikro-Klumpa ihop sig lager och att rotera hänger, och magnetiska lager kan vara möjlighetalternativ. Energiharvesters fungerings in dammsuger har mer få förluster som är tillhörande med att lufta att fukta, men skapar behovet för sakkunniga som paketerar för att underhålla den funktionsdugliga miljön (bio-inympat, strukturera-inbäddat, exponering till den hårda miljön).

Elektronik

Tack vare är naturen av energiutvecklingen, tillverkad envariant AC signalerar. Således är DC-beriktigande och spänningsregleringen nödvändiga för mest elektroniska applikationer. Strömkrets bör redogöra för beriktigande, reglering, kontrollerar, och lagring av den producerade energin. Mest av de använda energiharvestersna överbryggar beriktigande går runt. Men framåt-snedheten av dioderna kan stilla är kicken för låg-spänningen som tillverkas av några apparater. I detta fall har spänningsmultiplikatorer eller transformatorer varit van vid förhöjning som spänningen jämnar.

Aktivelektronik kan betaget några av de föregående begränsningarna, men en balansera mellan deras energiförbrukning och den producerade energin bör tas in i konto. Optimization av driver tillförsel för radion integrerade microsystems är också under studie på WIMS. Ett micromachined batteri för hybrid--driver tillförsel som är kompatibelt med MEMS-fabricering bearbetar framkallades, och resultaten har varit den van vid designen och optimerar drivakällan för WIMSEN som implantable intraocular pressar avkännaren och den cochlear implantatet för WIMS12.

Avslutningar

Energiplockningen är ett växande forskningområde, som långsamt har evolving för att bli kommersialiserade produkter, från handcranking radior och skaka-drivande ficklampor till trådlösa övervakningapplikationer.

Photovoltaic energiutvecklingsavkastningar som en kick driver tillverkat (10 mW/cm2), och det är en bevisad teknologi som kan genomföras på MEMS-Fjäll. Den Thermo elektriska utvecklingen är anhörigen på temperaturlutningar, kan tenths av µW/cm2 erhållas från blygsamma Piezoelectric erbjudanden för en energiutveckling för ΔT=1 °C. som ett enkelt att närma sig för att skörda energi från vinkar eller vibrationer. Enkelheten av dessa generatorer gör dem väl - passat för MEMS-fabricering och även nano applikationer. Energitäthet upp till 1 mW/cm3 har anmälts. Utvecklingen för Elektromagnetisk energi är en väletablerad transductionteknik, men på MEMS-fjäll blir permanent magneter och ut:skriva-spolar mindre effektiva. Även Om teknologi evolving, verkar de inte att vara så enkla att fabricera som piezoelectric generatorer. Reklamfilmapparater har visat att har en kick driver tillverkat (~10 mW), en mm-storleksanpassade apparater visat upp till 3 mW, och mindre apparater är på beställa av tenths till hundratals µW.

Mång--Funktionsläget energiutvecklingen är en att närma sig var driva produceras från flera miljö- källor. Den kan ta det bäst av de ovannämnda transductionteknologierna enligt källorna för tillgänglig energi. Alla ovannämnda transductiontekniker bevisar att teknologin mognar på en for klassar för bärbara, inbäddade, implantable eller trådlösa apparater för driva. Även Om begränsningar på teknologistillbilden finns, ser framtiden lova för utbredda applikationer.


Hänvisar till

1. S Roundy. På effektiviteten av denbaserade EnergiPlockningen. Intelligent Mattt. System och Struc., J, V. 16, Nr. 10. Oct. 2005, pp. 809-823.
2. E Hirasaki, ST Moore, T Raphan och B Cohen. Verkställer av att gå hastighet på lodlinjehuvud- och pojkeförehavanden under locomotion. Exp. hjärnforskning, 1999, 127(2). pp.117-30.
3. N-G Stephen. På energiplockning från omgivande vibration. J. av solitt och vibrationen, V. 293, No.1-2. Maj 2006, pp. 409-425.
4. S F J Flipsen. Alternativet driver källor för portables och wearables. Delft Universitetar av Teknologi, 2005, 90 P.
5. E Romero. MEMS-Baserad EnergiPlockning för Lowen - frekvensVibrationer. Unpublished doktors- avhandling, Michigan Teknologisk Universitetar. 2009.
6. E E Aktakka, H Kim, M Atashbar och K Najafi. Plockning för Mekanisk Energi från flygkryp. Halvledar- Sens., Agerar., och Microsys. Seminarium Jun 2008, pp 382-383.
7. R Borno, J Steinmeyer och M Maharbiz. Energi som Äta as Från Transpiration. (Projektera beskrivningen som är tillgänglig från http://www.wimserc.org). Maj 2008.
8. N Ghafouri, H Kim och K Najafi. En MikroThermoelectric Generator för Microsystems. (Projektera beskrivningen som är tillgänglig från http://www.wimserc.org). Maj 2008.
9. T Galchev, H Kim, M Atashbar och K Najafi. Mång--Funktionsläge Energi som Äta as från Miljön. Unpublished manuskript, Michiganuniversitetet, 2008.
10. B Pawlowski, S Schwarzer, En Rahmig och J Topfer. Förberedda NdFeB thickfilms tejpar by rollbesättning. J. av Magnetism och Magnetiskt Mattt. V. 265, 2003, pp. 337-344
11. N Achotte, P en Gilles, Nolla Cugat, J Delamare, P-Gaud, C Dieppedale. Planar Brushless Magnetiska Micromotors. J. Microelect. System. V. 15, N. 4, Aug. 2006, pp. 1001-1014.
12. F Albano och A M. Sastry. Designen och Optimization av Driver Tillförsel för Radion Integrerade MicroSystems. (Projektera beskrivningen som är tillgänglig från http://www.wimserc.org). Maj 2008.

Framlagt på COMS 2008, Mexico

Ta Copyrightt på AZoNano.com, MANCEF.org

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

Last Update: 15. July 2013 16:40

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