Micro Energi Skördare - en alternativ källa till förnybar energi

av professor Khalil Najafi

Ämnen som tas upp

Abstrakt
Inledning
Tillgänglig effekt
Mekanisk rörelse Källor
Sol-och Termisk Källor
Transduktion Tekniker
Elektromagnetiska Generatorer
Piezoelektriska generatorer
Multi-Mode energi Generatorer
Utmaningar
Effektivitet
Tillverkning
Elektronik
Slutsatser
Referenser

Abstrakt

Det ökande antalet fristående miniatyr elektroniska apparater för med sig problemet med en tillräcklig och tillförlitlig kraftförsörjning. Micropower miljö-energi skörd generatorer erbjuda en alternativ källa till förnybar energi. Dessa nätaggregat kan bidra till att stödja miljö-, bärbara eller kirurgiskt implantat Microsystems. De kan hjälpa eller ersätta batterier i vissa program.

Skörd energi från olika källor i miljön har varit ett forskningsområde fokuserar på trådlösa integrerade mikro Systems Engineering Research Center (WIMS). Micro energi skördare baserade på piezoelektriska, elektromagnetiska, termoelektriska tekniker från både vibrationer och värmekällor är under utveckling. Micro batterier studeras också.

En genomgång av forskning om energiomvandling kommer att presenteras, bland annat optimering av batteridrivna system för biologiska implantat, energi sophantering från transpiration, en mikro termoelektrisk generator för mikrosystem, multimode energi rensning från omgivningen, MEMS-baserade energi skörd för lågfrekventa vibrationer och MEMS-baserad mekanisk energi renhållare för flygande insekter

Vissa pågående utmaningar återstår innan dessa asätare kan antas i kommersiell skala. Dessa inkluderar: 1) miniatyrisering av generatorer, 2) förbättra de tillgängliga energitäthet, 3) öka effektiviteten i miljö-energi koppling till mikro skördare, 4) utveckla hög effektivitet effekt rättelse och energilagring, samt 5) att utveckla lämplig anordning förpackningar för långa sikt tillförlitlighet. Vissa senaste resultaten inom dessa områden kommer att presenteras.

Inledning

Fjärrstyrd mikrosystem har begränsats av batteriets livslängd och batteriets storlek. Batterierna är normalt den dominerande komponenten i fråga om storlek på mikronivå skala. Energi skörd visar löfte som ett alternativ för att driva dessa enheter. Energiproduktion från vibrationer eller rörelse, sol ljus och temperaturförändringar har etablerats som ett kommersiellt lönsamt alternativ om mänskliga-drivna ficklampor, sol miniräknare och termiskt drivna armbandsur.

Micropower skördare är riktade till applikationer där användningen av batteri-baserade enheter eller när batteribyte är svårt, dyrt eller omöjligt. Fjärranalys platser, inbyggda strukturella övervakning, spårning av transportbehållare, pacemakers och humanimplants är bland de applikationer där batteridrivna enheter har begränsningar.

Skörd energi från källor i miljön har varit ett forskningsområde under det senaste decenniet, och ett forskningsfokus på Wireless Integrated Micro Systems Engineering Research Center (WIMS). WIMS utvecklar piezoelektriska, elektromagnetiska och termoelektrisk tekniker för skörd energi från vibrationer och värmekällor. Power Management och mikro batterier studeras också. En genomgång av forskning om energiomvandling presenteras, inbegripet den senaste WIMS projekt.

Tillgänglig effekt

Mekanisk rörelse Källor

Mekanisk rörelse är en energikälla som har rönt stor uppmärksamhet för energi skörd. Detta kan göras antingen aktivt eller passivt. Passiv generatorer använder tröga mekanismer, såsom bevis massor knutna till maskiner eller till och med mänskliga kroppar. Dessa tröga generatorer använda förskjutning bevis massa och en transduktion mekanism för kraftgenerering.

En vanlig konstruktion består av ett bevis massa (m) bifogas en rörlig värd genom ett vårlikt gemensamt. Den elektriska generatorn dämpar normalt rörelse tröga massan. Kraften finns för en linjär förskjutning rörelse resonans

P _{max välja} = (1 / 4) (a ² / ω) MQ (1)

De begränsande faktorerna är tre, förhållandet mellan acceleration-kvadrat-till-frekvens (ASTF) faktor (en ² / ω), beviset massa (m) och kvalitetsfaktor (Q). Den första är en ingångskälla tvång och det andra och tredje ena är en design tvång. Av tabell 1 kan ASTF faktor vara så låg som 0,001, för maskinens vibrationer, för att så höga värden som 3, för människors promenader.

Tabell 1. ASTF faktor ^{1 , 2}

Den maximala effekt som levereras till en elektrisk belastning är hälften av vad som finns tillgängligt (P _{max välja} = P _{tillgängligt} / 2) ³ . Ordna för volymetrisk effekttäthet, där m = ρ V,

(P _{max välja} / V) = (1 / 4) ⁽² / ω) ρ Q (2)

Plottning (2) använd tabell 1 data, val av Q-faktorer som sträcker sig från 1 till 1000, och för en densitet bevis massa av 10 g / cm ³ (för enkelhet och liknande molybden), ger grafen i figur 1 som representerar den maximala effekt som kan överföras till den elektriska lasten.

Figur 1 hjälper till att visualisera outnyttjade områden för energi skörd. Användning av mänskliga kroppsrörelser, företrädd av hög ASTF faktorer och lågt Q-faktorer, öppnar för möjligheten människa-baserade energi skörd på nivåer jämförbara med dem som nås med maskin-baserade enheter (låg ASTF faktorer och Q> 100).

Figur 1. Maximal effekt tillgänglig

Sol-och Termisk Källor

Solceller eller solceller (PV) energigeneratorer kan omvandla solenergi till elektricitet anställa den fotoelektriska effekten. Mono-kristallint kisel (mono-c-Si), polykristallina kisel (poly-c-Si) och amorft kisel (a-Si) är den dominerande material för PV generation. PV celler kan producera upp till 100 W / m ² (med 10% effektivitet och en ljusintensitet på 1000 W / m ^2). Celler består av en-Si kommer att producera mindre än på grund av dess lägre verkningsgrad (5 - 7%). Typisk verkningsgrad för kommersiella celler är ca 13-16% för mono-c-Si och 12-14% för poly-c-Si ⁴ . Effektiviteten hos solceller minskar logaritmiskt med ljusintensiteten.

Termoelektriska generatorer (TEG) producerar el baserad på Seebeckeffekten. Detta är produktion av el på grund av temperaturskillnader på två olika metaller bildar en slinga. Typisk verkningsgrad för dessa system är långt under 10%. Effektklasser upp till 340 mW / cm ² för Dt = 200 ° C vid 4,5% verkningsgrad, och blygsam värden 13μW/cm ² vid Dt = 1 ° C för medborgarna TEG armbandsur har rapporterats ⁴ .

Transduktion Tekniker

Elektromagnetiska Generatorer

Energi upptagning från elektromagnetiska transduktion är baserad på den inducerade spänningen på en spole med en rörlig magnet, eller en fast magnet och en rörlig spole. Mängden producerad el beror på styrkan i det magnetiska fältet, antalet varv på spolen och förändringen av den magnetiska flödestätheten genom spolen på grund av den externa ingången rörelsen. Ett vanligt scenario är en rörlig magnet fäst vid en balk eller våren. Magneten i sig fungerar normalt som bevis massa. Den motsatta magnetfält genereras av ström i spolen blir fuktiga magneten rörelsen samtidigt som den tillför energi. Tabell 2 sammanfattar resultaten av tröga skördare elektromagnetisk energi.

En preliminär prototyp av en MEMS-baserad energi skördare för lågfrekventa vibrationer i WIMS består av åtskilda NdFeB magneter på en oscillerande massa med en växel-formad flera lager spole fabricerade användning fotolitografi ⁵ . Prototypen har producerat 2 μW _RMS vid 2,5 Hz. Ett test för mänsklig-baserad energiproduktion som genereras 7,4 mV _rms i tomgång villkor när de placeras nära knäet när hon gick. Högre effektuttag förväntas för optimerad prototyper.

Tabell 2. Elektromagnetisk energi skördare ⁵

Piezoelektriska generatorer

Energiproduktion från piezoelektrisk transduktion är baserad på den genererade spänningen när en piezoelektrisk material är föremål för en mekanisk deformation. Piezoelektriska generatorer är oftast formad som fribärande balkar, membran eller andra strukturer. En tillämpad extern eller tröghetsseparation kraft producerar deformation som behövs för att generera energi. Tabell 3 sammanfattar de olika metoder som studeras för piezoelektriska energiproduktion.

Förberedande arbete på en MEMS-baserad piezoelektriska mekanisk energi renhållare för flygande insekter i WIMS har använts för energiproduktion från flygande skalbaggar. Piezoelektrisk fribärande balkar limmas på baksidan av skalbaggar börjar vibrera när de träffas av vingslag. Prototyper testades hade gett upp till 11,5 μW för en 11 mm ^3-enhet på 92 Hz. Hundra femton μW av makt kan förväntas av skalbaggen vingslag ⁶ .

Tabell 3. Piezoelektrisk energi skördare ⁵

Multi-Mode energi Generatorer

Multi-mode energi sophantering från omgivningen är en WIMS projekt som syftar till att utveckla en enhet elproduktion som rensar energi från olika källor, inklusive vibrationer, värme eller solenergi. Förutom att skörda energi från dessa källor nya metoder för energiproduktion utvecklas, såsom transpiration-baserade, mikro termoelektrisk för flygande insekter och frekvens upp-konvertering.

En projekt om energi sophantering från transpiration är en metod som sysselsätter avdunstning vid rumstemperatur. Flow inducerad genom avdunstning på mikro-fluidic kanaler kör gasbubblor genom kondensatorn tallrikar generera energi. En hög effekttäthet förväntas från detta projekt ⁷ . En mikro termoelektrisk generator för mikrosystem rapporteras att leta energi från flygande skalbaggar. Power of 10-15 μW förväntas genereras vid implantation på baksidan av en skalbagge, med en effekttäthet närmare 200 μW / cm ² och ett Dt = 11 ° C ⁸ .

En frekvens-up omställning syftar till att fånga miljö lågfrekventa vibrationer (mindre än 100 Hz) för att aktivera en hög resonansfrekvens struktur (över 1 kHz). Utvecklingen på mekanisk frekvens upp-omvandlare väntas visa en 23% ökad effektivitet och en energitäthet ökning från 14,5 mW / cm ³ (lågfrekvent enhet) till 17,8 mW / cm ³ (up-omvandlare) ⁹ .

Utmaningar

Det finns vissa begränsningar som har utmanat energi skörd i mikroskala, såsom effektiviteten i energiproduktion och energitäthet, DC-rättelse, energilagring och hantering, tillverkning, livslängd och förpackningar. En översikt av dessa pågående utmaningar diskuteras i följande punkter för att få en bättre förståelse av dem.

Effektivitet

Verkningsgraden är representerad som förhållandet mellan producerad el till tillgänglig effekt. Även om kraften produceras presenteras och tillgänglig effekt definieras av (1), inte alla villkor i Ekv. (1) rapporteras att uppskatta effektiviteten. Koppling koefficienter upp till 0,6-0,8 har presenterats som möjligt gränser för var och en av dem transduktion tekniker ³ . Dessutom projekt under utveckling i WIMS, till exempel hur ofta uppkonvertering tillvägagångssätt ⁹ kan bidra till att förbättra effektiviteten i systemet.

Elektromagnetiska kraften skördare över 1 MW och under 1 cm ³ för maskinens vibrationer runt 100 Hz, och skördare producerar över 100 μW och under 1 cm ³ för mänsklig-aktiviteter kan förväntas inom en snar framtid. Kraft nivåer från piezoelektriska energi skördare nära 10 mW vid 1 Hz och strålningstätheter på 1 mW / cm ³ vid 92 Hz presenterades i tabell 3. Piezoelektrisk effekt skördare över 1 MW och under 1 cm ³ för maskin-baserade vibrationer runt 100 Hz kan väntas längre fram.

Tillverkning

En av de begränsningar för elektromagnetiska givare är permanentmagnet (PM) tillverkning. MEMS-kompatibla processer ger ingen PMS med samma egenskaper som huvuddelen magneter. Typiska tillverkningsteknik för sputtring och galvanisering producera tunnfilms-lager (<10μm) även tjock-film (100-800μm) nedfall vid låga temperaturer har studerats ¹⁰ . Mönstring av en PM har visats för mm-stora magnetiska mönster, antingen med slingor eller mjuk magnetiska arrangemang för att få magnetisering ^{10 , 11} .

En annan begränsning för roterande elektromagnetiska generatorer är behovet av låg friktion kullager lämpliga för processer MEMS tillverkning. Micro-kullager, roterande pivoter och magnetiska lager kan vara möjliga alternativ. Energi skördare drivs i vakuum har färre förluster i samband med luft dämpning, men skapar behovet av särskilda förpackningar för att bibehålla arbetsmiljön (bio-implantat, struktur-embedded, exponering för hårda miljö).

Elektronik

På grund av den typ av energiproduktion, är utdata en time-variant AC-signal. Således är DC-rättelse och spänningsreglering som behövs för de flesta elektroniska tillämpningar. Kretsar skall redovisa rättelse, producerade reglering, kontroll och lagring av energi. Merparten av den energi skördare anställd bro rättelse kretsar. Men framåt fördomar av dioder kan fortfarande vara hög för lågspänning effekt på vissa enheter. I detta fall har spänning multiplikatorer eller transformatorer använts för att öka spänningen nivåer.

Aktiv elektronik kan övervinna några av de tidigare begränsningar, men en balans mellan energiförbrukning och den energi som produceras bör beaktas. Optimering av nätaggregat för trådlös integrerade mikrosystem är också under utredning på WIMS. En micromachined batteri för hybrid-nätaggregat som är kompatibel med processer MEMS tillverkning utvecklades och resultaten har använts för att utforma och optimera strömkälla för WIMS implanterbara ögontryck sensor och den WIMS cochleaimplantat ¹² .

Slutsatser

Energi skörd är ett växande forskningsområde som långsamt har utvecklats till att bli kommersiella produkter, från hand-cranking radio och skaka driven ficklampor till trådlös övervakning applikationer.

Solceller energiproduktion ger en hög uteffekt (10 mW / cm ²⁾ och det är en beprövad teknik som kan genomföras på MEMS-Scale. Thermo el-generering är beroende av temperaturgradienter kan tiondelar av μW/cm2 erhållas från en blygsam Dt = 1 ° C. Piezoelektrisk energiproduktion erbjuder en enkel metod för avverkning energi från rörelser eller vibrationer. Enkelheten i dessa generatorer gör dem väl lämpade för MEMS tillverkning och även nano applikationer. Energitäthet upp till 1 mW / cm ³ har rapporterats. Elektromagnetisk energi generation är en väletablerad transduktion teknik, men på MEMS-skala permanentmagneter samt tryckta spolar blir mindre effektiva. Trots att tekniken utvecklas, verkar de inte vara så enkelt att fabricera som piezoelektriska generatorer. Kommersiella enheter har visat en hög effekt (~ 10 mW), har mm stora enheter visas upp till 3 MW och mindre enheter är i storleksordningen tiondelar till hundratals μW.

Multi-mode energiproduktion är ett förhållningssätt där makten produceras från flera källor i miljön. Det kan ta det bästa av det ovanstående transduktion teknik enligt tillgängliga energikällor. Alla ovanstående transduktion tekniker bevisa att tekniken håller på att mogna i snabb takt för att driva bärbara, inbäddade, implanterbara eller trådlösa enheter. Även begränsningar i tekniken fortfarande finns, ser framtiden lovande ut för omfattande applikationer.

Referenser

1. S Roundy. Om hur effektiv vibrations-baserade energi skörd. Intelligent Mat. System och struktur., J, V. 16, nr 10. Oktober 2005, pp 809-823.
2. E Hirasaki, ST Moore, T Raphan och B-Cohen. Effekter av promenader hastighet på vertikala huvud och rörelser pojke under förflyttning. Exp. hjärnforskning, 1999, 127 (2). pp.117-30.
3. NG Stephen. På energi upptagning från omgivande vibrationer. J. av ljud och vibrationer, V. 293, nr 1-2. Maj 2006, pp 409-425.
4. SFJ Flipsen. Alternativa energikällor för bärbara datorer och kläder. Delft University of Technology, 2005, 90 s.
5. E Romero. MEMS-baserade energi skörd för lågfrekventa vibrationer. Opublicerad doktorsavhandling, Michigan Technological University. 2009.
6. EE Aktakka, H Kim, M Atashbar och K Najafi. Mekanisk energi skörd från flygande insekter. Solid State Sens, lag. Och Microsys. Workshop, jun 2008, pp 382-383.
7. R Borno, J Steinmeyer och M Maharbiz. Energi rensning Från transpiration. (Projektbeskrivning tillgängliga från http://www.wimserc.org ). Maj 2008.
8. N Ghafouri, H Kim, och K Najafi. En Micro termoelektrisk generator för Microsystems. (Projektbeskrivning tillgängliga från http://www.wimserc.org ). Maj 2008.
9. T Galchev, H Kim, M Atashbar och K Najafi. Multi-Mode Energi rensning från omgivningen. Opublicerat manuskript, University of Michigan, 2008.
10. B Pawlowski, S Schwarzer, A Rahmig och J Töpfer. NdFeB thickfilms utarbetats av tejpgjutning. J. för magnetism och magnetiska Mat. V. 265, 2003, pp 337-344
11. N Achotte, PA Gilles, O Cugat, J Delamare, P GRANNLÅT, C Dieppedale. Planar Brushless Magnetisk mikromotorer. J. Microelect. Sys. V. 15, 4 N., 2006 Augusti, s. 1001-1014.
12. F Albano och AM Sastry. Design och optimering av Nätaggregat för trådlösa integrerade mikrosystem. (Projektbeskrivning tillgängliga från http://www.wimserc.org ). Maj 2008.

Presenterat vid COMS 2008, Mexiko

Copyright AZoNano.com, MANCEF.org