微能源收割機 - 可再造能源的其來源

由 Khalil Najafi 教授

Edwar Romero1, Tzeno Galchev2, Erkan Aktakka2, Niloufar Ghafouri2, Hanseup 金2,邁克爾 Neuman1, Khalil Najafi2,3 和羅伯特 Warrington1,3
1 密執安技術大學
2 密執安大學電氣工程的部門和計算機科學
3 無線集成微系統工程研究中心 (WIMS ERC)
對應的作者: najafi@umich.edu

包括的事宜

摘要
簡介
可用的功率
     機械行動來源
     太陽和熱量來源
換能技術
     電磁式生成器
     壓電生成器
     多重狀態的能源生成器
挑戰
     效率
     製造
     電子
結論
參考

摘要

自動微型電子設備的增長的數量帶來與它足够,可靠的供電的問題。 收穫生成器的微功率環境能源提供可再造能源的其來源。 這些供電可能幫助支持環境,便攜或者外科地可植入的可移植的微系統。 他們可以協助解決甚至替換在有些應用的電池。

收穫從多種環境來源的能源是研究領域重點在無線集成微系統工程研究中心 (WIMS)。 在從振動和熱源的壓電,電磁式,熱電技術基礎上的微能源收割機被開發。 微電池也被學習。

研究回顧對能量轉換的將存在,包括電池操作的系統的優化生物植入管的,從蒸騰的能源換氣,微系統的一臺微熱電生成器,從這個環境的多重狀態的能源換氣,基於 MEMS 的能源收穫為低頻率振動的和飛行昆蟲的基於 MEMS 的機械能淨化劑

在這些淨化劑在工業規模前,可以採用一些持續的挑戰依然是。 這些包括: 1) 生成器的小型化; 2) 改進有效能密度, 3) 增加耦合環境能源的效率對微收割機, 4) 開發的高效率功率整流和能量儲備和 5) 包裝開發的適當的設備長期可靠性的。 在這些區將存在一些最近結果。

簡介

遙控微系統由電池壽命和電池範圍限制了。 電池典型地是統治要素根據範圍在微縮放比例。 收穫顯示承諾的能源作為關閉的這些設備替代。 從振動的能源生成或行動、太陽光和溫度變化被設立了作為在人力動力的手電、太陽計算器和熱量動力的手錶的一個商業可行的選擇。

微功率收割機被瞄準對基於電池的設備配置或的應用電池替換是困難,昂貴或者不可能的。 遙感地點,嵌入結構上的監控,跟蹤發運集裝箱,心臟起搏器和 humanimplants 是在電池操作的設備有限制的那些應用中。

收穫從環境來源的能源是研究領域在過去十年和研究重點在無線集成微系統工程研究中心 (WIMS)。 WIMS 是收穫能源的開發壓電,電磁式和熱電技術從振動和熱源。 功率管理和微電池也被學習。 研究回顧對能量轉換的存在,包括最近 WIMS 項目。

可用的功率

機械行動來源

機械行動是受到了對能源收穫的寬關注的能源。 這可以有效地或被動地執行。 被動生成器使用慣性結構,例如證明質量附有設備甚至人體。 這些慣性生成器為發電使用證明質量位移和換能結構。

一個公用設計包括證明質量 (m) 附加一個移動主機通過像春天的聯接。 電子生成器典型地阻止這個慣性質量的行動。 功率可用為一個線性位移移動在共鳴是

Pmax elect = (1/4) (a/ω2) mQ (1)

限制因素是三,比例加速度擺正對頻率 (ASTF)系數 (a/ω2),證明質量 (m) 和質量因素 (q)。 第一個是輸入源約束和第二和第三個是設計約束。 從表 1, ASTF 系數可以是一樣低的像 0.001,設備振動的,對值高達 3,人力走的。

表 1. ASTF 系數1,2

振動來源

加速度 (m/s2)

頻率 (Hz)

ASTF (a/ω2)

發動機隔間

12

200

0.115

3 軸機械工具基礎

10

70

0.227

攪拌器框

6.4

121

0.054

乾衣機

3.5

121

0.016

汽車儀表盤

3

13

0.110

Breadmaker

1.03

121

0.001

走 (頂頭加速度)

2-6.8

1.3-2.4

0.5-3.06

最大功率被提供到用電量是什麼的一半是可用的 (Pmax elect = P/2)available3。 重新整理為容量功率密度, m=ρV,

(Pmax elect /V) = (1/4) (a/ω2) ρQ (2)

使用表 1 數據的密謀 (2),選擇範圍從 1-1000 和假設證明質量密度 10 个 g/cm 的 Q 系數3 (簡而言之,和類似於鉬),產生表示最大功率可以調用到用電量的圖形圖 1。

圖 1 幫助形象化能源收穫的未利用的區。 使用人體移動,表示由高 ASTF 系數和低 Q 系數,開闢基於設備的設備收穫在級別可比較與那些到達的基於人力的能源的可能性 (低 ASTF 系數和 Q>100)。

圖 1. 可用最大的功率

太陽和熱量來源

太陽能電池或光致電壓的 (PV)能源生成器可能轉換太陽能成使用這個光電效應的電。 單晶質的硅 (單音 c Si),多晶的硅 (多 c Si) 和無定形的硅 (Si) 是 PV 生成的統治材料。 PV 細胞可能生產 100 个 W/m2 (與 10% 效率和光強度 1000 W/m)2。 由於其更低的效率 (5 - 7%),細胞由 Si 製成比那將生產較少。 商業細胞典型的效率約為 13-16% 單音 c Si 的和 12-14% 多 c Si 的4。 太陽能電池效率對數減少與光強度。

熱電生成器 (TEG)導致在 Seebeck 作用基礎上的電。 這是發電由於在形成循環的二種不同金屬的溫度區別。 這些系統的典型的換能效率低於 10%。 至 340 个 mW/cm 的功率輸出2 為在 4.5% 效率的ΔT = 200°C 和普通的值為 13µW/cm2 在公民 TEG 手錶的ΔT = 1°C 報告了4

換能技術

電磁式生成器

收穫從電磁式換能的能源在捲的導致的電壓基礎上由一塊移動磁鐵或者一塊固定的磁鐵和移動捲。 產生的功率取決於依賴磁場、捲的輪的數量和磁感應強度的更改通過捲由於外部輸入移動。 一個公用方案是一塊移動磁鐵附加射線或彈簧。 磁鐵典型地單獨作為證明質量。 在捲的當前生成的這個反對的磁場將阻止磁鐵移動,當提供能源時。 表 2 總結慣性電磁能量收割機的發現。

一臺基於 MEMS 的能源收割機的初步的還原低頻率振動的在 WIMS 由在一個擺動的質量的分離 NdFeB 磁鐵組成與使用石版影印被製造的齒輪型多層捲5。 還原導致了 2 功率rms µW 在 2.5 Hz。 基於人力的能源生成的一個測試在無載情況下rms 生成了 7.4 mV,當安置接近膝蓋,當走時。 更大的功率輸出為優化還原預計。

表 2. 電磁能量收割機5

機構

捲 (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 蘇黎世

0.5

2

35

70

HSG-IMIT

1.5

80

3000

2000年

MTU/WIMS

1.5

2.5

2

1.3

耶老島的解決方法

30

21

9300

43

壓電生成器

當壓電材料是受機械變形支配時,從壓電換能的能源生成在被生成的電壓基礎上。 壓電生成器典型地被塑造作為懸梁、膜或者其他結構。 應用的外部或慣性力導致必要的變形生成能源。 表 3 總結為壓電能源生成被學習的不同的途徑。

在一種基於 MEMS 的壓電機械能淨化劑的初步工作在 WIMS 的飛行昆蟲的為從飛行甲蟲的能源生成使用了。 當他們由翼中風時,擊中壓電懸梁被膠合在甲蟲背面開始振動。 被測試的還原為一個 11 mm 設備提供了 11.53 µW 在 92 Hz。 功率一百十五 µW 可以期望甲蟲翼中風6

表 3. 壓電能源收割機5

機構

捲 (cm3)

Freq。 (Hz)

最大功率 (µW)

功率密度 (µW/cm3)

MIT

10

1.1

8400

840

加州大學伯克利分校

1

120

375

375

內布拉斯加 U。

6

1

850

142

K.U. 魯汶

0.6

1

40

67

MTU/ASU

0.4

1

176

440

UM/WIMS

0.01

92

11.5

1045

多重狀態的能源生成器

從這個環境的多重狀態的能源換氣是尋求開發發電部件可能清除從不同的來源的能源包括振動、熱或者太陽能的 WIMS 項目。 除收穫從那些來源新方法的能源之外在能源生成被開發,例如基於蒸騰的,微熱電飛行昆蟲的和頻率轉換。

在能源換氣的一個項目從蒸騰是使用蒸發的途徑在室溫。 在微型能流動的通道的蒸發導致的流通過生成能源的電容器牌照驅動氣泡。 一個大功率密度期望此項目7。 微系統的一臺微熱電生成器報告清除從飛行甲蟲的能源。 10-15 µW 的功率預計產生,當種入在一隻甲蟲背面,與功率密度近 200 个 µW/cm2 和ΔT=11 °C。8

頻率轉換模式打算獲取環境低頻率振動 (少於 100 Hz) 激活一個高共振頻率結構 (1 kHz)。 在機械頻率交換器的發展預計顯示 23% 增加的效率和從 14.5 mW/cm (低頻率設備) 的3 一個能量密度增量到 17.8 mW/cm3 (轉換設備)9

挑戰

有質詢了收穫在微小等級的能源,例如能源生成效率和能量密度、 DC 整流、能量儲備和管理、製造,長壽和包裝的那些限制。 這些持續的挑戰概覽在下列段討論為了有更好的瞭解對他們。

效率

這張效率表示作為產生的功率比與可用的功率。 雖然存在導致的功率,并且可用的功率是由 (1) 定義的,不是 Eq 的所有的術語。 (1) 報告估計這張效率。 至 0.6-0.8 的聯結系數存在了作為那些換能技術中的每一個的可能的限額3。 另外,項目開發中在 WIMS,例如頻率轉換途徑9,可能幫助改進這個系統的效率。

電磁式功率收割機 1 兆瓦和在設備3 振動的 1 cm 以下大約 100 Hz 和收割機生產 100 µW 和在基於人力的3 活動的 1 cm 以下可以在不久的將來預計。 從壓電能源收割機的功率電平近 10 兆瓦在 1 Hz 和功率密度在 923 Hz 的 1 个 mW/cm 在表 3. 壓電功率收割機存在了 1 兆瓦,并且在基於設備的3 振動的 1 cm 以下大約 100 Hz 可以進一步預計。

製造

其中一個電磁式變換裝置的限制是永磁鐵 (PM)製造。 MEMS 兼容進程不產生與特性的 PMs 和批量磁鐵一樣。 飛濺和電鍍產物薄膜層典型的製造技術 (<10µm),雖然在低溫的厚膜 (100-800µm) 證言被學習了10。 仿造 PM 為 mm 尺寸磁極模式被展示了,使用捲或軟磁性排列導致磁化10,11

旋轉的電磁式生成器的另一個限制是低摩擦的軸承的需要適當對 MEMS 製造進程。 微型球軸承、轉動的樞軸和磁向位可以是可能的選擇。 在真空管理的能源收割機有少量損失與阻止的航空相關,但是創建對特殊包裝的需要維護工作環境 (生物種入,結構埋置,對苛刻的環境的暴露)。

電子

由於能源生成的本質,輸出是定期變形 AC 信號。 因此, DC 整流和電壓變動率為多數電子應用是需要的。 電路應該佔整流、管理規定、導致的這個能源的控制和存貯。 大多能源收割機使用了橋梁整流電路。 但是二極管的正向加偏壓可能仍然是高為有些設備低壓輸出。 在這種情況下,電壓因子或變壓器用於增加電壓電平。

有效的電子可能解決某些早先限制,但是應該考慮到在他們的能源消耗和導致的這個能源之間的一個平衡。 供電的優化無線集成微系統的也是下研究在 WIMS。 是與 MEMS 製造進程兼容被開發雜種力量用品的一個 micromachined 電池和結果用於設計和優選 WIMS 可植入的可移植的眼壓傳感器的電源和 WIMS 匙形植入管12

結論

能源收穫是遲緩地演變成為商業化的產品的一個生長研究領域,從手柄的收音機和震動主導的手電到無線監控應用。

光致電壓的能源生成產生大功率輸出 (10 个 mW/cm2),并且它是可以被實施在 MEMS 縮放比例的證明的技術。 熱電生成依靠溫度差,銅幣 µW/cm2 可以從普通的ΔT=1 °C. 壓電能源生成聘用獲得收穫的能源一個簡單的途徑從行動或振動。 這些生成器簡單使他們非常合適為 MEMS 製造和甚而納諾應用。 至 1 个 mW/cm 的能量密度3 報告了。 電磁能量生成是一個源遠流長的換能技術,但是在 MEMS 縮放比例永久磁鐵和打印捲變得較不高效。 雖然技術演變,他們不看來是一樣簡單製造作為壓電生成器。 商業設備顯示了大功率輸出 (~10 兆瓦), mm 尺寸設備出現了到 3 兆瓦,并且更小的設備是大約銅幣對數百 µW。

多重狀態的能源生成是功率由幾個環境來源導致的途徑。 它可能根據可用的能源採取上述換能技術的最好。 所有上述換能技術證明,技術為關閉以快速成熟可移植,埋置,可植入的可移植或者無線電設備。 雖然在技術的限制仍然存在,遠期為普遍應用看起來有為。


參考

1. S Roundy。 在基於振動的能源收穫的效果。 智能蓆子。 系統和 Struc。, J, V. 16,沒有 10. 頁 10月 2005年。 809-823.
2. E Hirasaki, ST 穆爾, T Raphan 和 B 科恩。 走的速度的作用對垂直的題頭和男孩移動在運動時。 Exp. 腦子研究, 1999年, 127(2)。 pp.117-30.
3. N G 斯蒂芬。 在收穫從四周振動的能源。 聲音和振動, V. 293, No.1-2 J。 頁 5月 2006年。 409-425.
4. S F J Flipsen。 便攜式和 wearables 的替代電源。 德爾福特科技大學, 2005年, 90 P。
5. E Romero。 收穫為低頻率振動的基於 MEMS 的能源。 未出版的博士論文,密執安技術大學。 2009年.
6. E E Aktakka, H 金, M Atashbar 和 K Najafi。 收穫從飛行昆蟲的機械能。 固體 Sens。,操作。和 Microsys。 討論會,頁 6月 2008年, 382-383。
7. R Borno, J Steinmeyer 和 M Maharbiz。 從蒸騰的能源換氣。 (項目說明表可得到從 http://www.wimserc.org)。 2008年 5月。
8. N Ghafouri, H 金和 K Najafi。 微系統的一臺微熱電生成器。 (項目說明表可得到從 http://www.wimserc.org)。 2008年 5月。
9. T Galchev, H 金, M Atashbar 和 K Najafi。 從環境的多重狀態的能源換氣。 未出版的原稿,密執安大學, 2008年。
10. B Pawlowski, S Schwarzer、 Rahmig 和 J Topfer。 磁帶鑄件準備的 NdFeB thickfilms。 磁性和磁性蓆子 J。 V. 265, 2003年,頁。 337-344
11. N Achotte, P 吉勒斯, O Cugat, J Delamare, P 俗麗的裝飾品, C Dieppedale。 平面無刷子的磁性 Micromotors。 J. Microelect。 Sys. V. 15, N. 4,頁 8月 2006年。 1001-1014.
12. F Albano 和 A.M. Sastry。 供電的設計和優化無線集成微系統的。 (項目說明表可得到從 http://www.wimserc.org)。 2008年 5月。

存在 COMS 2008年,墨西哥

版權 AZoNano.com, MANCEF.org

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

Last Update: 15. July 2013 15:50

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