微能量採集器 - 的可再生能源的替代來源

哈利勒納傑菲教授

討論主題

摘要
簡介
可用功率
機械運動源
太陽能和熱源
轉導技術
電磁發生器
壓電發電機
多模能量發生器
挑戰
效率
製造
電子產品
結論
參考文獻

摘要

自主微型電子設備日益增多，帶來了足夠的，可靠的電力供應問題。微環境的能源收穫發電機提供了一個可再生能源的替代來源。這些電源可以幫助，以支持環保，耐磨或手術植入微。他們可以協助，甚至在某些應用中替換的電池。

從各種環境資源能源的收穫已在無線集成微系統工程研究中心（WIMS）研究的重點領域。基於壓電式，電磁振動和熱源，熱電技術的微能源收割機正在制定中。微型電池也正在研究中。

能量轉換的研究將提交檢討，包括生物植入電池供電系統的優化，能源蒸騰，一個微型熱電發生器，微系統低頻振動模能源，環境，基於 MEMS的能量收集清除清除飛蟲和基於 MEMS的機械能量清道夫

一些正在進行的挑戰依然存在，這些拾荒者之前，可以通過商業規模。這些措施包括：1）發電機的小型化; 2）改善現有的能量密度，3）增加了環境能量耦合到微型收割機，4的效率）開發高效率的電源整頓和儲存能量，和5）長期發展的合適的設備包裝長期的可靠性。在這些領域最近的一些結果將提交。

簡介

遠程控制微已有限的電池壽命和電池的大小。電池通常是在規模上，在微觀尺度的主要組成部分。的承諾，為這些設備供電的替代能源收割顯示。已被確立為商業上可行的替代人力驅動的手電筒，太陽能計算器和熱動力的手錶的能量產生振動或運動，太陽能燈，和溫度變化。

微收割機是針對以電池為基礎的設備部署時或更換電池的困難，昂貴或不可能的應用。遙感地點，嵌入式結構監測，跟踪集裝箱，心臟起搏器，並 humanimplants的應用電池供電設備的局限性之間。

從環境來源的能源收穫已在過去十年的研究領域，研究的重點在無線集成微系統工程研究中心（WIMS）。 WIMS是壓電，電磁，熱電技術發展收穫震動和熱源的能量。電源管理和微型電池也正在研究。一個能量轉換研究的審查，包括最近的WIMS項目。

可用功率

機械運動源

機械運動是能量的來源，吸引了收穫能源的廣泛關注。這是可以做到主動或被動。被動式發電機使用機制，如連接到機器甚至人體的證明群眾的慣性。這些慣性發電機使用證明的大規模流離失所和一個用於發電的傳導機制。

一個共同的設計由移動主機通過一個春天般的聯合證明質量（M）。通常發電機阻尼的慣性質量的議案。在共振的線性位移運動的電源

p _最大選出 =（1 / ^4）（2 /ω）MQ（1）

限制因素有三個，比例加速平方頻率（反走私特遣隊）的因素^（2 /ω），證明質量（m）和品質因數（Q） 。第一個是輸入信號源的約束，第二個和第三個是一個設計約束。從表1，反走私特遣隊因素可低至0.001，機械振動，值高達 3，為人類行走。

表1。反走私特遣隊的因素^{1 ， 2}

交付給電力負荷的最大功率是什麼是可用的（P _最大選出 = P _/ 2）的^一半 3的。重新整理為體積功率密度，其中m =ρV，

（P _最大選出 / V）=（1 / ^4）（2 /ω）ρ問（2）

繪圖（2）使用表1的數據，選擇從1-1000不等的Q -因素，並假設證明了10克/厘米³的質量密度（為簡單起見，以及類似的鉬），給出了圖1，它代表了最大功率可以轉移到電力負荷。

圖 1，有助於形象化能量收集的尚未開發的領域。打開使用的人體動作為代表的高反走私特遣隊因素和低Q值的因素，以人為本的收穫能源的可能性與基於機器設備（低反走私特遣隊因素和Q> 100）達成的水平。

圖1。最大可用功率

太陽能和熱源

太陽能電池或光伏（PV）能源發電可以採用光電效應轉換成電力的太陽能。 （單 - C - Si）的單晶矽，多晶矽（聚- C - SI），和無定形矽（A - Si）的光伏發電的主導材料。光伏電池可以產生高達100瓦/米^2（與10％的效率和一個1000瓦/米²的光照強度） 。的a - Si的細胞會產生小於因為其效率較低（5 - 7％）。典型的商業細胞的效率的單聲道- C - Si約13-16％和12-14％的聚- ^C - Si 4。太陽能電池的效率，降低對數與光的強度。

熱電發電機（TEG）產生電力基於塞貝克效應。這是由於兩種不同的金屬，形成一個循環溫度差異發電。這些系統的典型轉換效率遠低於 10％。功率輸出可達340毫瓦/平方^厘米 ，ΔT= 200 ° C時4.5％的效率，適度^值 13μW/cm2ΔT= 1 ° C的公民甘醇手錶^已報告4。

轉導技術

電磁發生器

電磁傳導能量的收穫是基於一個移動的磁鐵，或一個固定的磁鐵和一個移動的線圈上的線圈感應電壓。發電量取決於磁場的強度，線圈的匝數，由於外部輸入運動通過線圈的磁通密度的變化。一個常見的場景是一個移動的磁鐵連接到束或春季。磁鐵本身通常作為證明質量。反對的磁場線圈的電流所產生的潮濕磁鐵的運動，而能源供應。表2總結了慣性的電磁能量收割機的結果。

WIMS的低頻振動的初步原型是一個基於MEMS的能源收割機組成的離散釹鐵硼磁體上的一個齒輪狀的多層線圈採用^光刻的振盪質量5。 2微瓦_RMS的功率在2.5赫茲的原型製作。以人為本的能源發電的試驗無負載條件下產生7.4 _毫伏 RMS時，放置在靠近膝蓋，一邊走一邊。較高的輸出功率預計為優化原型。

表2。電磁能量收割機⁵

壓電發電機

壓電傳導產生的能量的基礎上產生的電壓時，壓電材料是受機械變形。壓電發電機通常是形如懸臂梁，膜或其他結構。應用外部或慣性力產生的變形，產生能量所需。表3總結了壓電發電正在研究不同的方法。

基於 MEMS的壓電 WIMS昆蟲飛行的機械能量清道夫的前期工作已用於飛行甲蟲能源發電。壓電懸臂梁上的甲蟲背面粘梁開始振動，當它們被擊中機翼招。原型測試提供了一個11毫米³設備在92赫茲到11.5μW。可以預計一百權力15μW甲蟲翼招⁶ 。

表3。壓電能量收割機⁵

多模能量發生器

多模式的能源，環境清理，是一個 WIMS的項目，該項目旨在建立一個發電的單位，可以清除從不同的來源，包括振動，熱或太陽能能源。除了收穫來自這些能源發電來源的新方法的能源正在開發中，如基於蒸騰，微型熱電飛蟲和頻率上轉換。

一個從蒸騰清除的能源項目的做法，採用在室溫下蒸發。在微流體通道的蒸發引起的流量驅動器通過電容極板產生能量的氣泡。預計從這個項目⁷的高功率密度。一個微型熱電發生器微報導清除飛行甲蟲能源。預計10-15μW的功率是要生成的植入甲蟲回時，功率密度接近200微瓦^/平方厘米和ΔT= 11℃ ^， 8 。

是為了捕捉環境低頻振動（低於 100赫茲）激活高共振頻率的結構（超過 1千赫茲）的頻率轉換計劃。發展機械頻率轉換器預計將顯示23％提高工作效率，並從能量密度增加14.5兆瓦/厘米^3（低頻設備）為17.8毫瓦/厘米^3（上轉換裝置） ⁹ 。

挑戰

有一些挑戰，在微尺度能量收集的局限性，如能源發電的效率和能量密度，DC整流，能量儲存和管理，生產製造，長壽和包裝。概述這些持續的挑戰，是為了有一個更好地了解他們在以下各段討論。

效率

代表作為發電的比率，可用的電源效率。雖然產生的權力，並給出可用的電源是由（1），並不是所有的條款式定義。 （1）據報導，估計效率。耦合係數高達0.6-0.8這些轉導技術的每一個可能^的限制3。此外，正在開發的項目在頻率上轉換的方法，如^WIMS ，9，可以幫助提高系統的效率。

電磁功率收割機超過1兆瓦，在1厘米³大約100赫茲的機械振動和收割機生產超過100微瓦，下1 ^厘米 3人為本的活動，可以預計在不久的將來。壓電能量採集器的功率水平接近1赫茲和10兆瓦功率密度為1毫瓦/ ^厘米 3 92赫茲在表3 。可以預期進一步超過1兆瓦和1厘米³基於機器的振動，大約100赫茲下的壓電電源收割機。

製造

電磁傳感器的局限性之一是永磁（PM）捏造。 MEMS兼容的進程不屈服散裝磁鐵相同的特徵的PMS。典型的製造技術，濺射和電鍍生產薄膜層（<10微米），雖然在低溫（100 -800μm）厚膜^沉積已研究10。一個下午的圖案已被證明為毫米大小的磁極模式，無論是使用線圈或軟磁性安排誘導^{磁化 10 ，} 11 。

旋轉電磁發生器的另一個限制是需要的低摩擦軸承，適用於 MEMS製造工藝。微型球軸承，旋轉樞軸，磁性軸承可以是可能的替代方案。在真空中運作的能源收割機與空氣阻尼的損失較少，但需要特殊包裝，以保持工作環境（生物植入式，嵌入式，結構暴露在惡劣的環境）。

電子產品

由於能源發電的性質，輸出的是一個隨時間變化的交流信號。因此，DC整流和電壓調節，對於大多數電子應用需要。電路應該考慮進行整改，調節，控制和存儲的能量產生。能源收割機大多採用橋式整流電路。但仍然可以高一些設備的低電壓輸出二極管正向偏置。在這種情況下，電壓倍增或變壓器已被用來提高電壓等級。

活躍的電子可以克服以前的一些限制，但應考慮他們的能源消耗和能源生產之間的平衡。無線集成微系統的電源供應器的優化也正在研究在WIMS。開發一個混合動力的供應與MEMS製造工藝兼容的微機械電池，並已用於設計和優化WIMS植入眼內的壓力傳感器的電源， ^WIMS人工耳蝸植入12的結果。

結論

能量收集是越來越多的研究領域，慢慢地已演變成為商業化的產品，從手搖收音機和無線監控應用動搖驅動手電筒。

太陽能光伏發電產量高輸出功率（10毫瓦/ ^厘米 2），它是一個成熟的的技術，可在MEMS的規模實施。熱發電是依賴於溫度梯度，十分之一的μW/cm2可從一個溫和的ΔT= 1 ° C。壓電發電提供了一個簡單的方法，收穫議案或振動的能量。這些發電機的簡單性，使得他們適合用於 MEMS製造，甚至是納米應用。已報導的能量密度高達1毫瓦/厘米^3。產生電磁能量傳導技術是行之有效的，但在MEMS規模的永久磁鐵和印刷線圈變得沒有效率。雖然技術是不斷發展的，它們不會出現那樣簡單，壓電發電機的製造。商用設備都表現出了高功率輸出（〜10 MW），毫米大小的裝置顯示了3兆瓦，較小的設備上的零點數百μW。

多模式的發電功率從幾個環境來源的方法。它可以採取上述傳導技術最好的，根據現有的能源來源。所有上述的轉導技術證明，該技術是在迅速成熟，為便攜式，嵌入式，植入或無線設備供電。雖然技術的局限性依然存在，未來看起來廣泛的應用前途。

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發表在2008 COMS，墨西哥

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