微能源收割机 - 可再造能源的其来源

由 Khalil Najafi 教授

Edwar Romero1, Tzeno Galchev2, Erkan Aktakka2, Niloufar Ghafouri2, Hanseup 金2,迈克尔 Neuman1, Khalil Najafi2,3 和罗伯特 Warrington1,3
1 密执安技术大学
2 密执安大学电气工程的部门和计算机科学
3 无线集成微系统工程研究中心 (WIMS ERC)
对应的作者: najafi@umich.edu

包括的事宜

摘要
简介
可用的功率
     机械行动来源
     太阳和热量来源
换能技术
     电磁式生成器
     压电生成器
     多重状态的能源生成器
挑战
     效率
     制造
     电子
结论
参考

摘要

自动微型电子设备的增长的数量带来与它足够,可靠的供电的问题。 收获生成器的微功率环境能源提供可再造能源的其来源。 这些供电可能帮助支持环境,便携或者外科地可植入的可移植的微系统。 他们可以协助解决甚至替换在有些应用的电池。

收获从多种环境来源的能源是研究领域重点在无线集成微系统工程研究中心 (WIMS)。 在从振动和热源的压电,电磁式,热电技术基础上的微能源收割机被开发。 微电池也被学习。

研究回顾对能量转换的将存在,包括电池操作的系统的优化生物植入管的,从蒸腾的能源换气,微系统的一台微热电生成器,从这个环境的多重状态的能源换气,基于 MEMS 的能源收获为低频率振动的和飞行昆虫的基于 MEMS 的机械能净化剂

在这些净化剂在工业规模前,可以采用一些持续的挑战依然是。 这些包括: 1) 生成器的小型化; 2) 改进有效能密度, 3) 增加耦合环境能源的效率对微收割机, 4) 开发的高效率功率整流和能量储备和 5) 包装开发的适当的设备长期可靠性的。 在这些区将存在一些最近结果。

简介

遥控微系统由电池寿命和电池范围限制了。 电池典型地是统治要素根据范围在微缩放比例。 收获显示承诺的能源作为关闭的这些设备替代。 从振动的能源生成或行动、太阳光和温度变化被设立了作为在人力动力的手电、太阳计算器和热量动力的手表的一个商业可行的选择。

微功率收割机被瞄准对基于电池的设备配置或的应用电池替换是困难,昂贵或者不可能的。 遥感地点,嵌入结构上的监控,跟踪发运集装箱,心脏起搏器和 humanimplants 是在电池操作的设备有限制的那些应用中。

收获从环境来源的能源是研究领域在过去十年和研究重点在无线集成微系统工程研究中心 (WIMS)。 WIMS 是收获能源的开发压电,电磁式和热电技术从振动和热源。 功率管理和微电池也被学习。 研究回顾对能量转换的存在,包括最近 WIMS 项目。

可用的功率

机械行动来源

机械行动是受到了对能源收获的宽关注的能源。 这可以有效地或被动地执行。 被动生成器使用惯性结构,例如证明质量附有设备甚至人体。 这些惯性生成器为发电使用证明质量位移和换能结构。

一个公用设计包括证明质量 (m) 附加一个移动主机通过象春天的联接。 电子生成器典型地阻止这个惯性质量的行动。 功率可用为一个线性位移移动在共鸣是

Pmax elect = (1/4) (a/ω2) mQ (1)

限制因素是三,比例加速度摆正对频率 (ASTF)系数 (a/ω2),证明质量 (m) 和质量因素 (q)。 第一个是输入源约束和第二和第三个是设计约束。 从表 1, ASTF 系数可以是一样低的象 0.001,设备振动的,对值高达 3,人力走的。

表 1. ASTF 系数1,2

振动来源

加速度 (m/s2)

频率 (Hz)

ASTF (a/ω2)

发动机隔间

12

200

0.115

3 轴机械工具基础

10

70

0.227

搅拌器框

6.4

121

0.054

干衣机

3.5

121

0.016

汽车仪表盘

3

13

0.110

Breadmaker

1.03

121

0.001

走 (顶头加速度)

2-6.8

1.3-2.4

0.5-3.06

最大功率被提供到用电量是什么的一半是可用的 (Pmax elect = P/2)available3。 重新整理为容量功率密度, m=ρV,

(Pmax elect /V) = (1/4) (a/ω2) ρQ (2)

使用表 1 数据的密谋 (2),选择范围从 1-1000 和假设证明质量密度 10 个 g/cm 的 Q 系数3 (简而言之,和类似于钼),产生表示最大功率可以调用到用电量的图形图 1。

图 1 帮助形象化能源收获的未利用的区。 使用人体移动,表示由高 ASTF 系数和低 Q 系数,开辟基于设备的设备收获在级别可比较与那些到达的基于人力的能源的可能性 (低 ASTF 系数和 Q>100)。

图 1. 可用最大的功率

太阳和热量来源

太阳能电池或光致电压的 (PV)能源生成器可能转换太阳能成使用这个光电效应的电。 单晶质的硅 (单音 c Si),多晶的硅 (多 c Si) 和无定形的硅 (Si) 是 PV 生成的统治材料。 PV 细胞可能生产 100 个 W/m2 (与 10% 效率和光强度 1000 W/m)2。 由于其更低的效率 (5 - 7%),细胞由 Si 制成比那将生产较少。 商业细胞典型的效率约为 13-16% 单音 c Si 的和 12-14% 多 c Si 的4。 太阳能电池效率对数减少与光强度。

热电生成器 (TEG)导致在 Seebeck 作用基础上的电。 这是发电由于在形成循环的二种不同金属的温度区别。 这些系统的典型的换能效率低于 10%。 至 340 个 mW/cm 的功率输出2 为在 4.5% 效率的ΔT = 200°C 和普通的值为 13µW/cm2 在公民 TEG 手表的ΔT = 1°C 报告了4

换能技术

电磁式生成器

收获从电磁式换能的能源在卷的导致的电压基础上由一块移动磁铁或者一块固定的磁铁和移动卷。 产生的功率取决于依赖磁场、卷的轮的数量和磁感应强度的更改通过卷由于外部输入移动。 一个公用方案是一块移动磁铁附加射线或弹簧。 磁铁典型地单独作为证明质量。 在卷的当前生成的这个反对的磁场将阻止磁铁移动,当提供能源时。 表 2 总结惯性电磁能量收割机的发现。

一台基于 MEMS 的能源收割机的初步的还原低频率振动的在 WIMS 由在一个摆动的质量的分离 NdFeB 磁铁组成与使用石版影印被制造的齿轮型多层卷5。 还原导致了 2 功率rms µW 在 2.5 Hz。 基于人力的能源生成的一个测试在无载情况下rms 生成了 7.4 mV,当安置接近膝盖,当走时。 更大的功率输出为优化还原预计。

表 2. 电磁能量收割机5

机构

卷 (cm3)

Freq。 (Hz)

最大功率 (µW)

功率密度 (µW/cm3)

南安普敦

0.24

322

530

2208

CUHK

1.0

110

830

830

ETH 苏黎世

0.5

2

35

70

HSG-IMIT

1.5

80

3000

2000年

MTU/WIMS

1.5

2.5

2

1.3

耶老岛的解决方法

30

21

9300

43

压电生成器

当压电材料是受机械变形支配时,从压电换能的能源生成在被生成的电压基础上。 压电生成器典型地被塑造作为悬梁、膜或者其他结构。 应用的外部或惯性力导致必要的变形生成能源。 表 3 总结为压电能源生成被学习的不同的途径。

在一种基于 MEMS 的压电机械能净化剂的初步工作在 WIMS 的飞行昆虫的为从飞行甲虫的能源生成使用了。 当他们由翼中风时,击中压电悬梁被胶合在甲虫背面开始振动。 被测试的还原为一个 11 mm 设备提供了 11.53 µW 在 92 Hz。 功率一百十五 µW 可以期望甲虫翼中风6

表 3. 压电能源收割机5

机构

卷 (cm3)

Freq。 (Hz)

最大功率 (µW)

功率密度 (µW/cm3)

MIT

10

1.1

8400

840

加州大学伯克利分校

1

120

375

375

内布拉斯加 U。

6

1

850

142

K.U. 鲁汶

0.6

1

40

67

MTU/ASU

0.4

1

176

440

UM/WIMS

0.01

92

11.5

1045

多重状态的能源生成器

从这个环境的多重状态的能源换气是寻求开发发电部件可能清除从不同的来源的能源包括振动、热或者太阳能的 WIMS 项目。 除收获从那些来源新方法的能源之外在能源生成被开发,例如基于蒸腾的,微热电飞行昆虫的和频率转换。

在能源换气的一个项目从蒸腾是使用蒸发的途径在室温。 在微型能流动的通道的蒸发导致的流通过生成能源的电容器牌照驱动气泡。 一个大功率密度期望此项目7。 微系统的一台微热电生成器报告清除从飞行甲虫的能源。 10-15 µW 的功率预计产生,当种入在一只甲虫背面,与功率密度近 200 个 µW/cm2 和ΔT=11 °C。8

频率转换模式打算获取环境低频率振动 (少于 100 Hz) 激活一个高共振频率结构 (1 kHz)。 在机械频率交换器的发展预计显示 23% 增加的效率和从 14.5 mW/cm (低频率设备) 的3 一个能量密度增量到 17.8 mW/cm3 (转换设备)9

挑战

有质询了收获在微小等级的能源,例如能源生成效率和能量密度、 DC 整流、能量储备和管理、制造,长寿和包装的那些限制。 这些持续的挑战概览在下列段讨论为了有更好的了解对他们。

效率

这张效率表示作为产生的功率比与可用的功率。 虽然存在导致的功率,并且可用的功率是由 (1) 定义的,不是 Eq 的所有的术语。 (1) 报告估计这张效率。 至 0.6-0.8 的联结系数存在了作为那些换能技术中的每一个的可能的限额3。 另外,项目开发中在 WIMS,例如频率转换途径9,可能帮助改进这个系统的效率。

电磁式功率收割机 1 兆瓦和在设备3 振动的 1 cm 以下大约 100 Hz 和收割机生产 100 µW 和在基于人力的3 活动的 1 cm 以下可以在不久的将来预计。 从压电能源收割机的功率电平近 10 兆瓦在 1 Hz 和功率密度在 923 Hz 的 1 个 mW/cm 在表 3. 压电功率收割机存在了 1 兆瓦,并且在基于设备的3 振动的 1 cm 以下大约 100 Hz 可以进一步预计。

制造

其中一个电磁式变换装置的限制是永磁铁 (PM)制造。 MEMS 兼容进程不产生与特性的 PMs 和批量磁铁一样。 飞溅和电镀产物薄膜层典型的制造技术 (<10µm),虽然在低温的厚膜 (100-800µm) 证言被学习了10。 仿造 PM 为 mm 尺寸磁极模式被展示了,使用卷或软磁性排列导致磁化10,11

旋转的电磁式生成器的另一个限制是低摩擦的轴承的需要适当对 MEMS 制造进程。 微型球轴承、转动的枢轴和磁向位可以是可能的选择。 在真空管理的能源收割机有少量损失与阻止的航空相关,但是创建对特殊包装的需要维护工作环境 (生物种入,结构埋置,对苛刻的环境的暴露)。

电子

由于能源生成的本质,输出是定期变形 AC 信号。 因此, DC 整流和电压变动率为多数电子应用是需要的。 电路应该占整流、管理规定、导致的这个能源的控制和存贮。 大多能源收割机使用了桥梁整流电路。 但是二极管的正向加偏压可能仍然是高为有些设备低压输出。 在这种情况下,电压因子或变压器用于增加电压电平。

有效的电子可能解决某些早先限制,但是应该考虑到在他们的能源消耗和导致的这个能源之间的一个平衡。 供电的优化无线集成微系统的也是下研究在 WIMS。 是与 MEMS 制造进程兼容被开发杂种力量用品的一个 micromachined 电池和结果用于设计和优选 WIMS 可植入的可移植的眼压传感器的电源和 WIMS 匙形植入管12

结论

能源收获是迟缓地演变成为商业化的产品的一个生长研究领域,从手柄的收音机和震动主导的手电到无线监控应用。

光致电压的能源生成产生大功率输出 (10 个 mW/cm2),并且它是可以被实施在 MEMS 缩放比例的证明的技术。 热电生成依靠温度差,铜币 µW/cm2 可以从普通的ΔT=1 °C. 压电能源生成聘用获得收获的能源一个简单的途径从行动或振动。 这些生成器简单使他们非常合适为 MEMS 制造和甚而纳诺应用。 至 1 个 mW/cm 的能量密度3 报告了。 电磁能量生成是一个源远流长的换能技术,但是在 MEMS 缩放比例永久磁铁和打印卷变得较不高效。 虽然技术演变,他们不看来是一样简单制造作为压电生成器。 商业设备显示了大功率输出 (~10 兆瓦), mm 尺寸设备出现了到 3 兆瓦,并且更小的设备是大约铜币对数百 µW。

多重状态的能源生成是功率由几个环境来源导致的途径。 它可能根据可用的能源采取上述换能技术的最好。 所有上述换能技术证明,技术为关闭以快速成熟可移植,埋置,可植入的可移植或者无线电设备。 虽然在技术的限制仍然存在,远期为普遍应用看起来有为。


参考

1. S Roundy。 在基于振动的能源收获的效果。 智能席子。 系统和 Struc。, J, V. 16,没有 10. 页 10月 2005年。 809-823.
2. E Hirasaki, ST 穆尔, T Raphan 和 B 科恩。 走的速度的作用对垂直的题头和男孩移动在运动时。 Exp. 脑子研究, 1999年, 127(2)。 pp.117-30.
3. N G 斯蒂芬。 在收获从四周振动的能源。 声音和振动, V. 293, No.1-2 J。 页 5月 2006年。 409-425.
4. S F J Flipsen。 便携式和 wearables 的替代电源。 德尔福特科技大学, 2005年, 90 P。
5. E Romero。 收获为低频率振动的基于 MEMS 的能源。 未出版的博士论文,密执安技术大学。 2009年.
6. E E Aktakka, H 金, M Atashbar 和 K Najafi。 收获从飞行昆虫的机械能。 固体 Sens。,操作。和 Microsys。 讨论会,页 6月 2008年, 382-383。
7. R Borno, J Steinmeyer 和 M Maharbiz。 从蒸腾的能源换气。 (项目说明表可得到从 http://www.wimserc.org)。 2008年 5月。
8. N Ghafouri, H 金和 K Najafi。 微系统的一台微热电生成器。 (项目说明表可得到从 http://www.wimserc.org)。 2008年 5月。
9. T Galchev, H 金, M Atashbar 和 K Najafi。 从环境的多重状态的能源换气。 未出版的原稿,密执安大学, 2008年。
10. B Pawlowski, S Schwarzer、 Rahmig 和 J Topfer。 磁带铸件准备的 NdFeB thickfilms。 磁性和磁性席子 J。 V. 265, 2003年,页。 337-344
11. N Achotte, P 吉勒斯, O Cugat, J Delamare, P 俗丽的装饰品, C Dieppedale。 平面无刷子的磁性 Micromotors。 J. Microelect。 Sys. V. 15, N. 4,页 8月 2006年。 1001-1014.
12. F Albano 和 A.M. Sastry。 供电的设计和优化无线集成微系统的。 (项目说明表可得到从 http://www.wimserc.org)。 2008年 5月。

存在 COMS 2008年,墨西哥

版权 AZoNano.com, MANCEF.org

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

Last Update: 15. July 2013 15:46

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