Микрогенераторы: принцип работы, виды и применение в быту и промышленности — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое микрогенераторы энергии. Как работают различные типы микрогенераторов. Где применяются микрогенераторы в быту и промышленности. Какие преимущества дает использование микрогенераторов.

Содержание

Что такое микрогенераторы и как они работают

Микрогенераторы — это компактные устройства для производства электроэнергии малой мощности. Они преобразуют различные виды энергии (механическую, тепловую, световую) в электрическую.

Основные принципы работы микрогенераторов:

Электромагнитная индукция (в генераторах с вращающимся магнитом)
Пьезоэлектрический эффект (в пьезоэлектрических генераторах)
Термоэлектрический эффект (в термоэлектрических генераторах)
Фотоэлектрический эффект (в солнечных элементах)

Мощность микрогенераторов обычно не превышает нескольких ватт или десятков ватт. Этого достаточно для питания маломощных электронных устройств.

Основные виды микрогенераторов

Инерционные микрогенераторы

Инерционные микрогенераторы преобразуют механическую энергию движения в электрическую. Их принцип работы основан на электромагнитной индукции.

Устройство инерционного микрогенератора:

Магнитный шарик, свободно перемещающийся внутри корпуса
Катушки с проводом, расположенные вокруг корпуса
Выпрямитель для преобразования переменного тока в постоянный

При движении устройства магнитный шарик колеблется, пересекая магнитным полем витки катушек. В результате в катушках индуцируется переменный электрический ток.

Пьезоэлектрические микрогенераторы

Пьезоэлектрические микрогенераторы используют пьезоэлектрический эффект — возникновение электрического заряда при деформации некоторых кристаллов.

Принцип работы:

Механическое воздействие деформирует пьезоэлемент
В пьезоэлементе возникает электрический заряд
Заряд снимается с электродов пьезоэлемента

Пьезоэлектрические генераторы эффективны для преобразования вибраций в электроэнергию.

Термоэлектрические микрогенераторы

Термоэлектрические микрогенераторы преобразуют тепловую энергию в электрическую за счет эффекта Зеебека.

Устройство:

Термопары из разнородных проводников
Горячая и холодная стороны

При нагреве одной стороны термопары и охлаждении другой возникает разность потенциалов, создающая электрический ток.

Применение микрогенераторов в быту

В бытовых условиях микрогенераторы находят следующее применение:

Зарядка мобильных устройств от энергии движения
Питание автономных датчиков в системах «умный дом»
Освещение садовых дорожек от солнечных микрогенераторов
Подзарядка аккумуляторов в туристических фонарях
Питание наручных часов от тепла тела

Использование микрогенераторов в быту позволяет сделать некоторые устройства полностью автономными и независимыми от внешних источников питания.

Промышленное применение микрогенераторов

В промышленности микрогенераторы применяются в следующих областях:

Питание беспроводных датчиков в системах мониторинга
Автономное энергоснабжение маяков и буев
Преобразование энергии вибраций в электричество на транспорте
Питание имплантируемых медицинских устройств
Сбор рассеянной энергии в промышленных установках

Микрогенераторы позволяют создавать автономные системы сбора данных и управления в труднодоступных местах без прокладки кабелей питания.

Преимущества использования микрогенераторов

Применение микрогенераторов дает ряд важных преимуществ:

Автономность работы устройств без замены батарей
Экологичность за счет использования возобновляемых источников энергии
Возможность размещения в труднодоступных местах

Длительный срок службы без обслуживания
Миниатюрность и легкость конструкции

Эти преимущества делают микрогенераторы перспективным направлением для создания автономных электронных устройств.

Ограничения и недостатки микрогенераторов

При всех достоинствах, микрогенераторы имеют ряд ограничений:

Низкая выходная мощность (единицы или десятки милливатт)
Нестабильность генерации энергии
Зависимость от наличия первичного источника энергии
Относительно высокая стоимость
Необходимость накопления энергии для питания мощных потребителей

Эти факторы ограничивают массовое применение микрогенераторов, но в ряде специфических задач их использование оказывается оптимальным решением.

Перспективы развития технологий микрогенерации

Технологии микрогенерации активно развиваются. Основные направления исследований:

Повышение эффективности преобразования энергии
Увеличение удельной мощности микрогенераторов
Разработка гибких и растяжимых генераторов

Создание гибридных микрогенераторных систем
Интеграция микрогенераторов в одежду и обувь

Развитие этих направлений позволит существенно расширить сферы применения микрогенераторов и сделать их использование более эффективным.

Микрогенератор инерционный

Авторы патента:

Овечко Виталий Герасимович (RU)

Смирнов Валентин Петрович (RU)

H02N11 — Генераторы или двигатели, не отнесенные к другим рубрикам; предполагаемые вечные двигатели с использованием электрических или магнитных средств (вечные двигатели с использованием гидростатического давления F03B 17/04; электродинамические вечные двигатели H02K 53/00)

H02K35/02 — с подвижным магнитом и неподвижной системой катушек

Владельцы патента RU 2390089:

Смирнов Валентин Петрович (RU)

Овечко Виталий Герасимович (RU)

Микрогенератор предназначен для использования в качестве маломощного источника тока в автономных подзарядных устройствах, например в сотовых и спутниковых телефонах, маломощных радиоприемных и радиопередающих устройствах, фонарях и т.д. Микрогенератор содержит изогнутый канал из немагнитного материала с катушками электропровода вокруг него, торцевыми отбойниками и магнитным шариком внутри канала; шарик выполнен из нескольких постоянных магнитов в виде усеченных пирамид или конусов, объединенных разноименными полюсами общим магнитопроводом, находящимся в центре шарика. При ходьбе или перевозке в результате колебаний генерируется электрический ток. Изобретение обеспечивает повышение КПД и упрощение конструкции. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к маломощным источникам тока, используемым для питания маломощной радиоаппаратуры и подзарядки аккумуляторов сотовой аппаратуры, питания маломощных источников света. Устройство может служить аварийным источником тока в походных условиях, в местах техногенных катастроф, в армейских частях и т.д.

Известны устройства для подобного назначения, использующие энергию солнца, механические воздействия при колебании устройства и прочие приводные устройства.

Прототип изобретения — патент RU 2234638 (заявка №2001124880), опубликован 20.08.2004. Прототип включает в себя корпус, немагнитный канал с катушками на его поверхности и магнитным шариком, помещенным в канал. При качании устройства в плоскости, проходящей вдоль оси канала, шарик перекатывается и в катушках наводится ток, который накапливается электронной схемой, и может использоваться при необходимости.

Недостатками прототипа являются

— двуполярность шарика, что вызывает неопределенность магнитного потока при перекатывании шарика вдоль канала и, как следствие этого, снижение КПД устройства;

— прямолинейность канала требует горизонтального его расположения иначе, даже при незначительном наклоне, шарик откатывается в конец трубки.

Изобретение решает техническую задачу получения равномерного сигнала при перемещении магнитного шарика вдоль канала с катушками, с одновременным снижением требований к горизонтальности положения самого канала.

Поставленная задача решается тем, что микрогенератор включает канал из немагнитного материала с катушками электропровода вокруг него, торцевыми отбойниками и магнитным шариком внутри канала, причем магнитный шарик включает в себя несколько постоянных магнитов, имеющих форму усеченных пирамид или конусов (например, шесть), объединенных разноименными полюсами общим магнитопроводом, находящимся в центре шарика, а немагнитный канал имеет изгиб концами вверх.

Сущность изобретения иллюстрируются на фиг.1-4, где на фиг.1 показана конструкция микрогенератора, на фиг.2 — схематичное устройство магнитного шарика. Фиг.3 и фиг.4 показывают примеры встраивания микрогенератора в автономный источник тока, где 1 — корпус, 2 — микрогенератор, 3 — электронный блок, 4 — выходной адаптер, (фиг.3) и в сотовый телефон (фиг.4).

Микрогенератор содержит канал в виде изогнутой концами вверх немагнитной трубки 1, заглушенной с обоих концов упругими отбойниками 2. На трубке размещены катушки (катушка) с электропроводом 3.

Внутри трубки расположен шарик 4 из немагнитной матрицы с несколькими магнитами 5, которые выполнены в виде (например, шести) усеченных конусов или пирамид, узкие концы которых соединены магнитопроводом 6. Шарик сверху покрыт немагнитной оболочкой 7.

Работает микрогенератор следующим образом. При покачивании устройства происходит перекатывание шарика вдоль канала, при котором магнитные силовые линии от суммарного магнитного поля всех пирамид пересекают обмотку катушек и в них индуктируется ток, который снимается с выводных клемм, поступающий в схему накопления и подзарядки бустерного аккумулятора.

Схема обработки снятого напряжения обычна и не является предметом данной заявки.

Такой микрогенератор может быть встроен в любое низковольтное устройство (сотовый или спутниковый телефон, подзарядное устройство, не связанное с электрической сетью, маломощный передатчик), которое при эксплуатации подвержено естественным колебаниям, как то: ходьба, бег, езда в транспорте, плаванье и т.д.

Наличие полимагнитного шарика и изгиба канала обеспечивает большую чувствительность устройства к его колебаниям, а соответственно и более высокий КПД.

Таким образом, ожидаемый от изобретения технический результат подтвержден.

1. Микрогенератор, включающий канал из немагнитного материала с катушками электропровода вокруг него, торцевыми отбойниками и магнитным шариком внутри канала, отличающийся тем, что магнитный шарик включает в себя несколько постоянных магнитов, имеющих форму усеченных пирамид или конусов (например, шесть), объединенных разноименными полюсами общим магнитопроводом, находящимся в центре шарика.

2. Микрогенератор по п.1, отличающийся тем, что немагнитный канал имеет изгиб концами вверх.

Похожие патенты:

Спиральный взрывомагнитный генератор // 2388135

Изобретение относится к технике генерирования сильных импульсных электромагнитных полей и токов, а именно к устройствам преобразования энергии взрывчатого вещества (ВВ) в электромагнитную энергию.

Устройство для получения тепловой и электрической энергии // 2387072

Изобретение относится к области машиностроения, где используются тепловые генераторы, и представляет гидравлический кавитационный аппарат, построенный на базе статора электродвигателя переменного 3-х фазного тока.

Индуктивно-емкостный энергетический элемент // 2382486

Изобретение относится к электротехнике, к устройствам, преобразующим внешние электромагнитные излучения с целью получения электрической энергии. .

Способ создания вращающего момента // 2379551

Изобретение относится к области обеспечения движения машин и механизмов, например транспортных средств. .

Электрогенератор с ручным приводом // 2376700

Электромашинный генератор с ручным приводом // 2376699

Генератор тока // 2374750

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано при создании автономных низковольтных источников питания радиоэлектронных приборов. .

Генератор тока // 2374749

Способ получения индуктированной электродвижущей силы // 2374748

Изобретение относится к электронике и может быть использовано при создании автономных генераторов тока (низковольтных источников питания) радиоэлектронных приборов.

Способ получения индуктированной электродвижущей силы // 2374747

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано при создании автономных генераторов тока (низковольтных источников питания) радиоэлектронных приборов.

Магнитоэлектрический источник тока // 2340995

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в ракетно-космической технике, отраслях электроэнергетики и в быту. .

Магнитоэлектрический генератор // 2340069

Изобретение относится к области ракетно-космической техники и может быть использовано в отраслях электроэнергетики и в быту. .

Электрогенератор // 2336623

Изобретение относится к электротехнике. .

Скважинный электрогенератор // 2334340

Изобретение относится к электротехнике, к электрическим машинам и может быть использовано в генераторах питания скважинной аппаратуры. .

Скважинный электрогенератор // 2331149

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в генераторах питания скважинной аппаратуры. .

Винт // 2321939

Изобретение относится к устройствам для преобразования кинетической энергии ветра или потока воды в электрическую энергию и может являться составным элементом малых энергетических установок, игрушек, средств развлечений, образовательных стендов для учащихся школ и училищ.

Автономный возобновляемый источник тока // 2313171

Изобретение относится к области электротехники. .

Генератор возвратно-поступательного движения // 2304342

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электромагнитным генераторам, которые служат автономными источниками питания микроэлектронных схем автономных объектов.

Линейный электрический генератор // 2304341

Изобретение относится к области электрорадиотехники. .

Динамическая система магнитов // 2294589

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в динамических магнитных системах для выработки электрической энергии. .

Портативный линейный электрогенератор // 2395890

Изобретение относится к электромагнитомеханическим линейным генераторам с ручным приводом, применяемым в качестве автономных источников тока в быту и в походных условиях

Микрогенераторы постоянного тока это

Ремонт сварочного генератора

Несмотря на то, что сварочный генератор отличается высокими техническими характеристиками и степенью надежности, иногда, как и все электромеханическое оборудование, он ломается. Причины выхода аппарата из строя могут быть разными: некачественное топливо, ненадлежащее обслуживание, некорректно установленный режим работы и т.д.

Чтобы избежать неожиданного отказа сварочного генератора и последующей остановки работ на объекте, необходимо своевременно проводить его техническое обслуживание и по возможности устранять выявленные неисправности. Как правило, к каждому аппарату прилагается инструкция, в которой подробно описываются самые распространенные проблемы и методы их решения.

Однако самостоятельный ремонт сварочного генератора требует определенных познаний в сферах электрики и механики. Если таковых не имеется, лучше остановиться на стандартном профилактическом обслуживании, а все остальное доверить профессионалам сервисных центров. Подобное распределение ответственности, несомненно, позволит увеличить срок службы сварочного генератора от любого производителя. Типичные работы по устранению дефектов можно разделить на две основные группы:

Ремонт двигателя

Обычно предусматривает периодическую проверку и при необходимости замену поршневых колец. Срок непрерывной эксплуатации данных элементов сварочного генератора указывается в инструкции. Поэтому если при разборе двигателя выявляется изношенность этих запчастей, их следует заменить. Дальнейшая пригодность к службе или необходимость смены смазки для двигателя и свечи также определяется путем визуального осмотра;

Ремонт электрики

Чаще всего такие работы заключаются в замене истертых токосъемных щёток и перематывании обмоток в ситуации межвиткового замыкания. Даже если выявлен износ только одной щетки, обязательно меняют сразу обе. Именно для этого типовой ремнабор комплектуется парой запасных. Еще одним распространённым дефектом является поломка валовых подшипников или их прокрутка внутри корпуса. Подобные неисправности сварочного генератора сопровождаются ощутимым шумом и повышенной температурой.

Схемы сварочных генераторов

Современная промышленная индустрия предлагает широкий ассортимент моделей этих установок. Схемы сварочных генераторов, определяющие принципы их функционирования и управления, выполняются в различных модификациях и отличаются внешними характеристиками. Сегодня практически все известные производители используют собственные наработки в данной сфере.

Такой подход весьма полезен для конечных потребителей, поскольку обеспечивает возможность выбрать продукцию не только с учетом планируемых работ, но и по бюджету. В настоящее время наибольшим спросом пользуется оборудование, функционирующее по типу независимого или самовозбуждения и следующим схемам:

универсальная;
с падающей характеристикой;
с жесткой или пологопадающей характеристикой.

Расходы

В зависимости от выбранной конфигурации (схема финансового вознаграждения, электростанция, дополнительное оборудование) цены могут варьироваться. Согласно « Практическому действию» , микрогенерация дома, в которой используются новейшие технологии экономии затрат (жгуты проводов, готовые платы, дешевые электростанции своими руками, например ветряные турбины), домашние расходы могут быть чрезвычайно низкими. Фактически, в «Практическом действии» упоминается, что многие домохозяйства в фермерских сообществах в развивающихся странах тратят на электроэнергию менее 1 доллара в месяц. . Однако, если вопросы решаются менее экономично (с использованием большего количества коммерческих систем / подходов), затраты будут значительно выше. Однако в большинстве случаев финансовая выгода по-прежнему будет достигаться за счет использования микрогенерации на возобновляемых электростанциях; часто в диапазоне 50-90%, поскольку местное производство не имеет потерь при транспортировке электроэнергии по линиям электропередач на большие расстояния или потерь энергии из-за эффекта Джоуля в трансформаторах, где в целом теряется 8-15% энергии.

В Великобритании правительство предлагает как гранты, так и обратную связь, чтобы помочь предприятиям, общинам и частным домам установить эти технологии. Предприятия могут списать полную стоимость установки из налогооблагаемой прибыли, в то время как домовладельцы получают грант по фиксированной ставке или выплаты за кВт · ч электроэнергии, произведенной и возвращенной в национальную сеть. Общественные организации также могут получить до 200 000 фунтов стерлингов в виде грантов.

В Великобритании Схема сертификации микрогенерации обеспечивает одобрение установщиков и продуктов микрогенерации, что является обязательным требованием для схем финансирования, таких как льготные тарифы и поощрение за возобновляемое тепло.

Сетевой паритет

Сетка четность (или четность сокета ) происходит , когда альтернативная энергия источник может генерировать электричество при levelized стоимости энергии (LCOE) , которая меньше или равна цене покупательной способности от электрической сети . Достижение сетевого паритета считается точкой, в которой источник энергии становится претендентом на широкое развитие без субсидий или государственной поддержки. Широко распространено мнение, что массовый переход поколения к этим видам энергии произойдет, когда они достигнут сетевого паритета.

Сетевой паритет был достигнут в некоторых местах с использованием энергии ветра на суше около 2000 года, а с помощью солнечной энергии он был впервые достигнут в Испании в 2013 году.

Применение

До недавнего времени использование тяговых генераторов постоянного тока на ж/д транспорте было безальтернативным. Однако уже начался процесс вытеснения этих генераторов синхронными трёхфазными устройствами. Переменный ток, синхронного альтернатора выпрямляют с помощью выпрямительных полупроводниковых установок. На некоторых российских локомотивах нового поколения уже применяют асинхронные двигатели, работающие на переменном токе.

Похожая ситуация наблюдается с автомобильными генераторами. Альтернаторы постоянного тока заменяют асинхронными генераторами, с последующим выпрямлением. Пожалуй, только передвижные сварочные аппараты с автономным питанием неизменно остаются в паре с альтернаторами постоянного тока. Не отказались от применения мощных генераторов постоянного тока также некоторые отрасли промышленности.

КАК НА ВЫХОДЕ ПОЛУЧАЕТСЯ ПОСТОЯННЫЙ ТОК

Для того, чтобы можно было пользоваться генератором, как источником энергии, ток нужно сгладить. Если увеличить количество рамок до двух и расположить их перпендикулярно друг другу. Тогда пиковые значения Е и, соответственно, тока будут возникать уже каждые четверть оборота.

Если их соединить последовательно, индуцируемый ток будет суммироваться. А его выходная характеристика будет иметь вид двух, смещенных между собой на четверть периода выпрямленных синусоид. Пульсация значительно уменьшится.

Если количество последовательных рамок еще увеличивать, тогда значение тока будет все больше приближаться к идеальной прямой. Кроме того, величина электродвижущей силы напрямую зависит от длины проводника. Поэтому количество рамок делают большим, а их совокупность и составляет обмотку вращающейся части генератора — якоря.

Для последовательного соединения витков обмотки, конец предыдущего нужно соединить с началом следующего. Делают это на полукольцах или, как их называют, пластинах. Их количество будет равняться количеству витков.

Другим фактором, влияющим на величину Е, является сила магнитного поля. Индукция магнитного потока обычного магнита слишком маленькая, а потери в среде между двумя полюсами наоборот очень большие.

Для решения первой проблемы вместо постоянного магнита используют гораздо более сильный электромагнит. Для решения второй проблемы сердечник якоря выполняют из стали. Также уменьшают до самого минимума зазор между якорем генератора и полюсами электромагнита.

Ток, протекающий в якоре, образуют своего рода электромагнит, и создает свое магнитное поле. Это явление называется реакция якоря. В нем также возникает реактивная э.д.с. Вместе они искажают магнитное поле. Чтобы это скомпенсировать, устанавливаются добавочные полюса. Они включаются в цепь якоря и полностью перекрывают это негативное воздействие.

По источнику тока возбуждения генераторы бывают:

с независимым возбуждением;
с самовозбуждением.

Необходимый для работы генератора магнитный поток создается благодаря току, проходящему через обмотки главных полюсов. Этот ток называется током возбуждения. При независимом возбуждении обмотка питается от аккумулятора или другого источника питания. При самовозбуждении питается током якоря.

Благодаря тому, что сердечники полюсов обладают остаточным магнетизмом, они создают небольшой магнитный поток. Если якорь начинает вращаться, этого потока достаточно для появления в витках якоря небольшого индукционного тока.

Этот ток, попадая в обмотку возбуждения полюсов, усиливает рабочий магнитный поток. Это приводит к увеличению тока в якоре и происходит цепная реакция. Таким образом, генератор быстро выходит на расчетную мощность.

По схеме подключения обмотки якоря к обмотке возбуждения генераторы с самовозбуждением делятся на три типа:

с параллельным возбуждением;
с последовательным возбуждением;
со смешанным возбуждением.

Схема возбуждения влияет на характеристики генератора и особенности его применения. Основным его параметром является внешняя характеристика, выражающая зависимость напряжения на выходе от тока нагрузки при заданной частоте вращения и параметрах возбуждения. Также к основным характеристикам относится мощность и КПД, который достигает 90-95%.

Где используются

Еще совсем недавно генераторы постоянного тока устанавливались на транспорте для железных дорог. Но сейчас их вытесняют синхронные трехфазные устройства. Переменный ток синхронных агрегатов выпрямляют полупроводниковыми установками. Некоторые новые локомотивы используют асинхронные двигатели, которые работают на переменном токе.

Применение ГПТ

Такие же обстоятельства и с автогенераторами, которые постепенно замещают асинхронными устройствами с дальнейшим выпрямлением.

Сварочный генератор

Стоит заметить, что передвижное оборудование для сварки (имеющие автономное питание) обычно находится в паре с таким генератором. Отдельные отрасли промышленности продолжают применять мощные агрегаты описанного типа.

Схема генераторов вентильного типа

Бензогенераторы данного типа выполнены в виде индукторного трехфазного генератора переменного тока. Он отличается повышенной частотой, а в схеме имеется встроенный выпрямительный блок. Трехфазная якорная обмотка переменного тока установлена на статоре. Она соединяется по схеме «звезда» или «треугольник». Между двумя роторными пакетами, на статоре также расположена обмотка возбуждения.

Сам ротор изготовлен в виде двух пакетов, состоящих из зубчатых элементов, изготовленных из электротехнической стали. Он не имеет обмоток и вращается вокруг своей оси. В каждом пакете ротора имеется восемь зубцов, смещенных относительно друг друга на 180 градусов.

Когда по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, в ней происходит возникновение переменного магнитного потока. Его распределение осуществляется таким образом, чтобы первый пакет создавал лишь северные полюсы, а второй – южные. При совмещении зубцов ротора и статора достигается максимальное значение магнитного потока, а величина сопротивления на пути этого потока будет минимальной. Магнитный поток становится минимальным, когда зубец статора совпадает с пазом ротора.

Таким образом наглядно видно, что обмотка возбуждения принимает непосредственное участие в создании пульсирующего или переменного магнитного потока. Пронизывая трехфазную обмотку статора, этот поток вызывает наведение в ней переменной ЭДС с повышенной частотой. В свою очередь, переменная ЭДС с помощью выпрямительного блока преобразуется в постоянное напряжение вентильного генератора.

Название устройства связано с выпрямительным блоком, в котором используются кремниевые вентили, собранные по трехфазной схеме в виде моста. Питание обмотки возбуждения осуществляется через трехфазную силовую цепь генератора. Для этого существует специальный блок, в который входят трансформаторы тока и напряжения, а также выпрямители. После запуска генератор изначально самовозбуждается за счет остаточного магнитного потока.

Обоснование идеи

Вначале обозначим три базовых правила:

1 Всё нижеизложенное касается только частных домохозяйств.

Частник опирается исключительно на свои силы и любая помощь для такого – подарок судьбы. Финансирование или субсидирование от госорганов – фикция.

2 Используются только возобновляемые источники энергии.

Аппетит приходит во время еды, и правительство кушает очень много. Но пока альтернативные источники энергии бесплатны.

3 Автономное электроснабжение полноценно функционирует только при комплексном подходе.

Это примерно как установка зимой шипованной резины на автомобиль. Если поменять только одно колесо, то даже если оно будет супер-нано-японским, то пользы от этого для автомобиля не будет.

Задача при таком подходе стоит не только в генерации электричества, но и в бесперебойном энергообеспечении объекта.

Преимущества воды перед солнцем и ветром

Хотя Солнце светит постоянно, ночь никто не отменял. Это слабое место фотоэлектрических преобразователей.

Ветер… с библейских времён ветер был синонимом непредсказуемости. Конечно же есть такие участки суши, где ветра дуют постоянно, но разве можно считать разумным человека, который надеется на постоянство ветра.

А вот реки текут постоянно, притом в строго известном направлении.

Это и есть базовое преимущество рек для выработки электроэнергии. Но река, это собирательный термин в рамках данного проекта. Ручей, родник или водоотводной канал, также входят в эту категорию.

В расходе воды микро-ГЭС прослеживается прямая зависимость – чем больше перепад высот, тем меньше расход воды. Этот аспект несколько регулируется разными конструкциями микро-ГЭС, но всё равно эти требования приходится соблюдать.

Неисправности тахогенераторов

Каждый тахогенератор перед вводом в постоянную эксплуатацию должен быть подвержен нескольким этапам тестирования. Если не придерживаться рекомендаций производителя, то тахогенератор может не только прослужить мало времени, но и получить серьезную поломку уже в начале своей работы.

Из-за неисправностей может неверно определяться скорость вращения вала, что приведет к механической поломке. Большие нагрузки могут повредить не только тахогенератор, но и устройство, к которому он подключен.

Зачастую в тахогенераторах приходят в неисправность:

шкив — в результате износа или механических повреждений;
токосъемные щетки — в большинстве случаев из-за износа;
износ токосъемных колец;
проблемы с регулятором напряжения;
короткое замыкание витков статорной обмотки;
подшипник может разрушиться;
повреждения диодного моста;
провода зарядной цепи приходят в негодность.

Неисправности автогенераторов и способы их устранения

При работе генераторов могут возникать неисправности механического и электрического характера. Зачастую одна вовремя не исправленная поломка становится причиной других.

Признаки повреждения генератора:

мигание или постоянная работа лампы зарядки при работающем моторе;
недостаточная зарядка или перезаряд аккумулятора;
тусклый свет внешней световой сигнализации;
пульсации свечения ламп;
значительное увеличение яркости свечения ламп при повышении оборотов;
посторонние звуки, источником которых является генератор или привод.

Механические поломки

Распространенные неисправности механического характера:

появление трещин на приводном шкиве;
обрыв ремня привода;
износ подшипников якоря, который приводит к заклиниванию генератора.

Трещины и сколы на шкиве обнаруживаются при визуальном осмотре узла. Острые кромки начинают разрушать приводной ремень, который может сойти со шкива по поврежденным кромкам. Поломанный или лопнувший шкив требуется заменить новым, ремонт узла невозможен. Новый шкив должен иметь такие же геометрические параметры, как и изношенный.

Поврежденные подшипники якоря начинают издавать при работе характерный свист. Затягивать с ремонтом не следует, поскольку нарушается режим работы генератора из-за изменения зазора между якорем и статором. В итоге якорь может заклинить, что приведет к обрыву ремня и повреждениям щеток и обмотки.

Электрические поломки

Поломки электрической части генераторов:

истирание токосъемных щеток;
протирание коллекторной части ротора генератора;
выход из строя регулятора напряжения;
межвитковые замыкания обмотки статора;
выгорание выпрямительного диодного моста;
разрушение соединительной проводки;
обгорание или окисление мест подключения проводки.

Для проверки работоспособности генератора применяется мультиметр или вольтметр, предназначенный для измерения постоянного напряжения 0-20 В. Перед началом замеров рекомендуется прогреть агрегат, дав ему поработать 10-15 минут при холостых оборотах двигателя и работающем потребителе (например, ближнем свете фар). Замер напряжения между положительной клеммой генератора и массой автомобиля должен показать значение в пределах 13,5-14,5 В. Более точная информация имеется в инструкции по ремонту и обслуживанию машины. При отклонении напряжения от норматива требуется замена реле-регулятора.

Проверка напряжения на клеммах батареи позволяет обнаружить повреждения соединительной проводки. Для полноценного замера требуется увеличить обороты двигателя до высоких и подключить мощные потребители энергии (например, дальний свет фар, обогревы стекол и сидений). В этом случае напряжение должно быть близким к значению на реле-регуляторе. В противном случае требуется провести проверку проводов и точек подключения.

Исправность диодного моста проверяется путем установки мультиметра на положительный вывод генератора и массу в режиме замера переменного тока. Значение напряжения должно находиться в пределах до 0,5 В. Более высокое напряжение является признаком неисправности диодного моста.

Процесс замены генератора на Форд Фокус 2 показан в видео, предоставленном каналом «Азбука Форд».

Замер пробоев обмоток генератора производится при отключенном аккумуляторе и отсоединенной от положительной клеммы устройства проводке. Тестер, переключенный в режим амперметра, подключается между клеммой и проводкой. Допустимым считается значение до 0,5 мА. При повышенном токе возможен пробой деталей диодного моста либо обмоток.

Для проверки обмоток возбуждения необходимо снять генератор с автомобиля. Работы ведутся при удаленном регуляторе напряжения и щеточном узле. Перед началом проверки контактные кольца очищаются от грязи. Тестирование выполняется мультиметром, переведенным в режим омметра. Подключение ведется к контактным кольцам. Нормальное значение сопротивления находится в интервале 5-10 Ом. Для замера пробоя на массу омметр цепляется к кольцам и корпусу. В исправном состоянии значение сопротивления будет бесконечным, при иных значениях — имеется пробой.

Категорически запрещается проверять работу генераторов методом короткого замыкания. Подобные действия приводят к выходу из строя не только агрегата, но и электронных блоков. Диагностику устройства рекомендуется проводить на стендах, имеющихся в специализированных центрах. Самостоятельные действия могут стать причиной дорогостоящего ремонта.

Создание постоянного тока

В генераторе, продуцирующем постоянный ток, проводящий контур вращается в пространстве магнитной насыщенности. Причем за определенный момент вращения каждая половина контура оказывается вблизи того или иного полюсника. Заряд в проводнике за этот полуоборот движется в одном направлении.

Чтобы получить съем частиц, сделан механизм отвода энергии. Его особенность в том, что каждая половина обмотки (рамки) соединена с токопроводящим полукольцом. Полукольца между собой не замкнуты, а закреплены на диэлектрическом материале. За период, когда одна часть обмотки начинает проходить определенный полюс, полукольцо замыкается в электрическую схему щеточными контактными группами. Получается, на каждую клемму приходит только одного вида потенциал.

Правильнее назвать энергию не постоянной, а пульсирующей, с неизменной полярностью. Пульсация вызвана тем, что магнитный поток на проводник при вращении оказывает как максимальное, так и минимальное влияние. Чтобы эту пульсацию выровнять, применяют несколько обмоток на роторе и мощные конденсаторы на входе схемы. Для уменьшения потерь магнитного потока зазор между якорем и статором делают минимальным.

Типы сварочных генераторов

Приобретая такую технику, следует осознавать, что она предназначена для производства определенного объема электричества, которое нужно для сварки. В связи с этим все конкретные требования потребителя должны совпадать с эксплуатационными возможностями оборудования. В противном случае его эффективная работа невозможна. В зависимости от технических и функциональных характеристик, выделяют следующие типы сварочных генераторов:

Трансформаторы – удобные в работе и компактные агрегаты, выдающие переменный ток и отличающиеся доступной стоимостью.
Выпрямители – станции, предназначенные для производства постоянного тока. Это оборудование используется для получения качественных сварочных швов и обработки деталей из нержавеющей стали.
Инверторы – устройства с функцией высокоточной настройки рабочих параметров. Чаще всего применяются для сваривания в автоматическом или аргонодуговом режиме.

Также в продаже имеются сварочные генераторы, классифицируемые по виду используемого топлива на:

Бензиновые

Эти установки характеризуются небольшой мощностью и доступной ценой. Они непригодны для длительных работ в сложных условиях, но считаются наилучшим решением для периодического применения в быту. Отличаются оптимальными габаритами и малым весом, при работе производят мало шума, не загрязняют окружающую среду.

Дизельные

Главные характеристики таких агрегатов – высокая надежность в эксплуатации и солидный спектр мощностей. Благодаря этому дизельные установки отличаются значительным рабочим ресурсом и возможностью функционирования при низкой температуре, а, следовательно, и более высокой рыночной стоимостью. Но их эксплуатация обходится значительно дешевле, чем оборудования, работающего на бензине.

Синхронные тахогенераторы переменного тока

Синхронные тахогенераторы обладают меньшим внутренним сопротивлением, по этой причине они отдают довольно сильную мощь. В случае, изменения частоты оборотов, у таких устройств сменяется и исходящее напряжение, и периодичность.

Фото — внешний вид синхронных тахогенераторов

Из-за того, что исходящее напряжение зачастую выпрямляется, используют схемы, которые контролируют частоту сигналов, исходящих тахогенераторов.

Из-за механической стойкости синхронные тахогенераторы используют в наземном и подземном транспорте, на машинах в шахтах, и других агрегатах, которые подвергаются постоянной встряске.

Виды синхронных тахогенераторов: ТГС-12Э, ТС45, ТС50, ТС71.

Более сложные схемы генераторов

Несмотря на то, что ток протекает только в одном направлении, и поэтому называется громко постоянным, постоянно изменяется его величина, из-за чего подобные схемы практически неприменимы на практике.

Рассмотрим строение более сложных генераторов, которые позволяют получить ток с меньшей пульсацией.

Двухвитковый генератор

Представим такую конструкцию генератора, в которой перпендикулярно друг другу расположены две рамки, соединенные в свою очередь с коллектором, который теперь сделан не из полу, а четвертьколец.
При вращении рамок или витков, в них также как и в предыдущем случае возникает ЭДС. Однако максимальное и минимальное значение «Е» теперь достигается не через пол оборота всей рамки, а через четверть, то есть поворот одного витка на 90 градусов.
На представленном выше рисунке хорошо видно, что через сторону витка 1, ровно, как и через сторону 3 (считаем в примере по часовой стрелке) протекает максимальный ток, тогда как на частях 2 и 4 ЭДС будет равна нулю, так как эти проводники скользят вдоль силовых линий.
Соответственно конструкция всего генератора делается таким образом, чтобы именно в этот момент щетки касались контактных пластин коллектора 1 и 3.
Представим вращение генератора. При этом значение ЭДС на витке 1 начинает убывать, тогда как на 2, наоборот, возрастать. Когда будет совершена 1\8 полного оборота, Е1 будет минимальна, но она не будет соответствовать нулю, так как проводник до сих пор при движении пересекает силовые линии.
Именно в этот момент и происходит перемена щеток на противоположные, и ЭДС начинает снова расти, так и не упав до нуля. Теперь ток начинает течь по витку, постепенно возрастая до своего максимума. Спустя четверть оборота снова происходит смена щеток, и так далее. Подробнее понять изменившиеся величины ЭДС можно из следующего графика.

Пульсации ЭДС на четырехвитковом генераторе

Получается, что щетки постоянно соединены с «активными проводниками», в которых ЭДС постоянно колеблется от Еmin до Еmax.

Во внешней цепи при этом ничего не меняется, из-за разбитого на четыре части коллектора. Ток продолжает течь все в том же направлении от щетки 2 к щетке 1. Он, как и прежде, будет пульсировать, и пульсации станут происходить в два раза чаще, однако разница максимальных и минимальных величин ЭДС будет значительно меньше, чем в предыдущем случае.

Идя дальше по этому принципу, и увеличивая количество вращающихся витков и коллекторных пластин можно добиться минимальной пульсации постоянного тока, то есть он действительно станет практически постоянным.

Продолжаем усложнять схему

Рассматривая предложенные схемы генераторов, не сложно догадаться, что хоть увеличенное количество витков и уменьшает пульсации, сам генератор становится все менее эффективным. Так как фактически щетки одномоментно контактируют только с одной рамкой, когда другие остаются неиспользуемыми. ЭДС одного витка невелика, поэтому и мощность генератора будет невысокой.

Чтобы использовать весь потенциал генератора, витки соединяют друг с другом последовательно по определенной схеме, а количество коллекторных пластин уменьшают до числа витков обмотки.

К каждой коллекторной пластине будет подходить начало одного витка и конец другого. При этом витки представляют собой источники тока, соединенные последовательно, и все вместе это называется обмотка якоря или ротора генератора. При таком соединении сумма ЭДС будет равна индуктируемым значениям в витках, включенных между щетками.

При этом количество витков делается достаточно большим, чтобы можно было получить требуемую мощность генератора. Именно по этой причине, особо мощные генераторы, например, от тепловозов, имеют очень большое количество пластин.

Принцип действия машин постоянного тока

Принцип действия машин постоянного тока.

Принцип действия генератора. Простейший генератор можно представить в виде витка, вращающегося в магнитном поле (рис. 1.4, а, б). Концы витка выведены на две пластины коллектора. К коллекторным пластинам прижимаются неподвижные щетки, к которым подключается внешняя цепь.

Принцип работы генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Пусть виток приводится во вращение от внешнего приводного двигателя ПД. Проводники активной части витка пересекают магнитное поле и в них по закону электромагнитной индукции наводятся ЭДС e1 и e2, направление которых определяется по правилу правой руки. При вращении витка по направлению движения часовой стрелки в верхнем проводнике, находящемся под северным полюсом, ЭДС направлена от нас, а в нижнем, находящемся под южным полюсом, – к нам. По ходу витка ЭДС складываются, результирующая ЭДС е = е1 – е2.

Если внешняя цепь замкнута, то по ней потечет ток, направленный от нижней щетки к потребителю и от него – к верхней щетке. Нижняя щетка оказывается положительным выводом генератора, а верхняя – отрицательным. При повороте витка на 180° проводники из зоны одного полюса переходят в зону другого полюса и направление ЭДС в них изменяется на обратное. Одновременно верхняя коллекторная пластина входит в контакт с нижней щеткой, а нижняя – с верхней, направление тока во внешней цепи не изменяется. Таким образом, коллекторные пластины не только обеспечивают соединение вращающего витка с внешней цепью, но и выполняют роль переключающегося устройства, т. е. являются простейшим механическим выпрямителем.

Принцип действия двигателя. То же устройство работает в режиме электрического двигателя (рис. 1.5), если к щеткам подвести постоянное напряжение. Под действием напряжения U через щетки, пластины коллектора и виток потечет ток i. По закону электромагнитной силы (закон Ампера) взаимодействие тока и магнитного поля В создает силу f, которая направлена перпендикулярно i. Направление силы f определяется правилом левой руки (рис. 1.5): на верхний проводник сила действует вправо, на нижний – влево. Эта пара сил создает вращающий момент Мвр, поворачивающий виток по часовой стрелке. При переходе верхнего проводника в зону южного полюса, а нижнего – в зону северного полюса концы проводников и соединенные с ними коллекторные пластины вступают в контакт со щетками другой полярности.

Рис. 1.5

Направление тока в проводниках витка изменяется на противоположное, а направление сил f, момента Мвр и тока во внешней цепи не изменяется. Виток непрерывно будет вращаться в магнитном поле и может приводить во вращение вал рабочего механизма (РМ).

Таким образом, коллектор в режиме двигателя не только обеспечивает контакт внешней цепи с витком, но и выполняет функцию механического инвертора, т.е. преобразует постоянный ток во внешней цепи в переменный ток в витке.

Рассмотрение принципа действия показывает, что машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, т. е. обладает свойством обратимости.

Противодействующий момент и противо-ЭДС. При работе машины в режиме генератора по замкнутой внешней цепи и витку обмотки якоря протекает ток, направление которого совпадает с направлением ЭДС (рис. 1.4,6), взаимодействие тока с магнитным полем полюсов создает момент М, направленный в рассматриваемом случае против часовой стрелки. Так как приложенный к витку вращающий момент приводного двигателя Мвр направлен по часовой стрелке, то возникающий при работе генератора момент называется противодействующим моментом Мnp. По существу возникновение Мпр — это реакция машины на воздействие внешнего момента Мвр, а физическая природа противодействующего момента та же, что и вращающего момента у двигателя. В установившемся режиме работы генератора между Мвр и Мпр устанавливается равновесие и Мвр=Мпр.

При работе машины в режиме двигателя проводники якоря пересекают магнитное поле и в них наводится ЭДС (рис. 1.5,б). Ее направление определяется по правилу правой руки. В рассматриваемом случае она направлена против тока и, следовательно, навстречу приложенному напряжению сети U и поэтому называется противо-ЭДС Enp. Физическая природа противо-ЭДС та же, что и ЭДС генератора. В установившемся режиме работы двигателя между Enp и U устанавливается равновесие и можно считать, что Enp ≈ U .

Таким образом, при работе машины постоянного тока в любом режиме во вращающихся проводниках наводится ЭДС Е и возникает момент М, но роль их в разных режимах различная.

Всероссийский архитектурный блиц-конкурс ИНТЕРАКТИВНЫЙ МИКРОГЕНЕРАТОР

МОСМА и Архитектурный Коворкинг «На Гранатном» при поддержке Совета молодых ученых и специалистов РААСН (СМУС РААСН) приглашают вас принять участие в подготовке и проведении всероссийского архитектурного конкурса.

Формат конкурса

В конкурсном соревновании принимают участие специалисты из всех регионов Российской Федерации. В каждом городе-партнере будет действовать специальная конкурсная площадка для совместной работы. И в одну и ту же минуту — ранним утром в Москве, на Байкале в полдень, в Хабаровске ближе к вечеру — участники по всей стране получат задание и начнут работу над конкурсным проектом.

Конкурс продлится ровно 24 часа. Полноценную коммуникацию и соблюдение конкурсного регламента на каждой отдельной площадке будут обеспечивать тьюторы-фасилитаторы, которые помогают участникам, контролируют и корректируют процесс проектирования, отвечают на вопросы. В течение всех конкурсных суток все площадки остаются на связи друг с другом, по возможности проводятся теле-конференции, ведется интенсивное информационное сопровождение процесса проектирования.

По прошествии 24 часов работа завершается, работы отправляются на закрытое обсуждение командой жюри.

Тема конкурса

ИНТЕРАКТИВНЫЙ МИКРОГЕНЕРАТОР // ЭНЕРГИЯ ГОРОДСКИХ ПРОСТРАНСТВ

В России есть разные города — миллионники и десятитысячники, деловые и сонные, приморские и сибирские, с летом круглый год и с зимой круглый год. Их объединяет то, что в них живут люди, которым нужно где-то проводить время, и таких мест часто нет. Особенно это становится заметно в холодное время года.

Главная проблема открытых городских пространств в зимнее время — некомфортная температура. Люди стремятся проводить больше времени в помещениях, короткими перебежками перемещаясь между домом и работой. Архитекторам пора сделать шаги к изменению этой ситуации, и первое, о чем нужно задуматься — как создать энергию городских пространств, чтобы сделать их привлекательными для людей круглый год.

Энергия — это тепло. Энергия заключена в нас самих.

Задача архитектора, моделирующего круглогодичное публичное пространство — создать условия, в которых была бы возможна выработка, аккумуляция и использование энергии, вовлечь горожан в этот процесс.

Мы предлагаем вам поучаствовать во всероссийском конкурсе блиц-формата, целью которого является создание интерактивного микрогенератора энергии. Речь идет не только и не столько о том, чтобы изобрести новый альтернативный источник энергии, сколько о том, чтобы создать пространство активности — что-то, что сможет перезапустить и активировать зимнее пространство вашего города, перевернуть представление о зимнем времяпрепровождении.

Проблема:

Маргинализация городских общественных пространств в зимний период.

Задача:

Создать идею интерактивного объекта в общественном пространстве города, отвечающую требованиям конкурса.

Требования:

сценарий использования объекта должен предполагать генерацию энергии
объект должен быть сомасштабен ситуации
объект должен отвечать проблематике места
конструкция объекта и использованные материалы должны обеспечивать бесперебойное функционирование круглый год

Участок проектирования:

Реальные городские площадки и их проблематика будут представлены в день конкурсного соревнования

Цели:

придумать решения для городских объектов, делающих их востребованными гражданами круглый год (365/24/7)
создать новые общественные аттракторы в выбранных городских пространствах
привлечь внимание к проблематике микрогенерации энергии в России

Участники:

Архитекторы в городах-участниках

Цели конкурса

В профессиональном сообществе сегодня практически полностью отсутствуют горизонтальные коммуникации, архитекторы с трудом могут представить, чем живут их коллеги в других городах. Это обусловлено и территориальной разобщенностью, и своей спецификой в каждом регионе.

Цель конкурса — не только получить проект согласно теме и заданию. Глобальная цель такого формата — укрепить связи внутри российского архитектурного сообщества и наладить обмен специфическим опытом. Так, привлекая к решению одного и того же вопроса специалистов из районов с разными климатическими, историческими и культурными традициями, с различными архитектурными школами, мы получим проекты, выполненные с учетом локальных особенностей. Это позволит участникам увидеть, как еще неординарно можно решать поставленные перед ними задачи.

Организаторы

Инициаторы:

Молодежное объединение Союза Московских архитекторов в рамках проекта Архитектурный Коворкинг «На Гранатном»
Совет молодых ученых и специалистов РААСН (СМУС РААСН) Региональные партнеры:
Мастерская Урбанистики «Артполис» (Самара)
Объединение «Медиатека» (Хабаровск)
Проектно-образовательный центр “ПроОбраз” (Саратов)

Перечень партнеров открыт и может пополняться в случае, если пассионарные архитекторы в других городах и регионах захотят присоединиться к команде Сутки:Конкурс.

Сроки проведения

Конкурсное соревнование пройдет в выходные 26 и 27 сентября. Время начала конкурса — 10:00 по Московскому времени.

Микрогенерация — Энергетическое образование

Энергетическое образование

Меню навигации

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

Поиск

Термин «микрогенерация» обычно используется для описания типа генератора, который использует энергию из возобновляемых источников для питания дома, предприятия или другого местного потребителя электроэнергии. В зависимости от местоположения пользователя и государственных законов в этой области системы разного размера могут подпадать или не подпадать под классификацию микрогенераторов. Микрогенераторы либо «подключены к сети», либо «автономны». В «автономных» микрогенераторах используются батареи для компенсации разницы между электрической нагрузкой и вырабатываемой электроэнергией. Микрогенераторы, «подключенные к сети», не имеют никаких или других запоминающих устройств и используют электрическую сеть для компенсации этой разницы.

Типы

Примерная конфигурация системы микрогенерации, которая включает микроветряную турбину, фотоэлектрическую систему и блок накопления энергии. ^[1] .

Различные системы микрогенерации, которые обычно используются, включают солнечные батареи, микроветряные турбины, комбинированные теплоэлектростанции и микрогидростанции. Электроэнергия, вырабатываемая этими системами, обычно представляет собой постоянный ток (DC) и должна быть преобразована в переменный ток (AC) перед использованием в доме или экспортирована в электрическую сеть. Это достигается с помощью устройства, называемого инвертором.

Подключенный к сети

Микрогенератор, подключенный к сети, означает, что помимо подключения к нагрузке, такой как дом, он подключен к электрической сети и двунаправленному или «интеллектуальному» счетчику электроэнергии. Это позволяет владельцу системы экспортировать избыточную электроэнергию обратно в сеть и получать финансовую компенсацию. Подключение к сети также гарантирует, что независимо от погодных условий дом всегда будет иметь доступ к электричеству. Если система микрогенерации не производит энергию из-за отсутствия солнца или ветра, она будет получать электроэнергию из сети для удовлетворения потребностей владельца. Однако следует отметить, что в случае сбоя в сети, такого как отключение электроэнергии, микрогенераторы, подключенные к сети, автоматически отключаются в качестве меры безопасности, чтобы предотвратить подачу напряжения на электрические линии, которые, как считается, отключены и безопасны для эксплуатации. Подключенные к сети системы микрогенерации с резервным аккумулятором могут продолжать работу в случае отказа сети, но, как правило, только для работы с критическими или аварийными нагрузками, такими как водоотливные насосы, морозильные камеры и вентиляторы печей.

Вне сети

Микрогенератор, не подключенный к сети, обычно подключается к накопителю энергии, например к аккумулятору. Вместо того, чтобы экспортировать избыточную электроэнергию в сеть, электроэнергия хранится в аккумуляторе для будущего использования, когда ресурсы для производства электроэнергии (солнечные или ветряные) недоступны. Недостаток этого подхода заключается в том, что в часы пиковой нагрузки батарея может быть полностью заряжена, а избыточная электроэнергия будет потрачена впустую, поскольку ее нельзя сохранить. Емкость аккумулятора также является проблемой, поскольку аккумулятор может хранить достаточно электроэнергии в течение ограниченного периода времени. В зимние месяцы, когда солнечного и ветрового потенциала может не хватать, системы может быть недостаточно для удовлетворения потребностей в электроэнергии, что приводит к необходимости резервного бензинового или дизельного генератора.

Экономическая и экологическая оценка

Микрогенерация предлагает домовладельцам уникальную возможность не только производить экологически чистую энергию, но и субсидировать свои прямые затраты на энергию. Используя солнечные, ветряные и когенерационные системы в своих домах, потребители могут снизить потребление энергии в своем доме, а также субсидировать свои расходы на электроэнергию.

Стоимость электроэнергии

Системы микрогенерации обычно имеют длительные сроки окупаемости, что рассматривается многими потребителями как недостаток. Хотя цены продолжают падать с развитием технологий микрогенерации и ростом спроса, высокие первоначальные капитальные затраты могут быть непривлекательными для многих владельцев домов или предприятий. Однако варианты финансирования и государственные субсидии могут помочь уменьшить этот барьер. Хотя системам микрогенерации может потребоваться несколько лет, чтобы окупить себя, многие системы имеют гарантию от 10 до 25 лет.

Воздействие на окружающую среду

Микрогенерация считается экологически чистой технологией производства электроэнергии благодаря минимальным выбросам в течение жизненного цикла. ^[2] Например, солнечные фотогальваники и ветряные турбины не выделяют углекислый газ или другие газы при работе, поскольку они используют энергию солнца и ветра для выработки электроэнергии. Таким образом, при работе микрогенераторов выбросы минимальны или отсутствуют. Однако выбросы происходят во время производства, транспортировки и переработки/удаления этих технологий, что приводит к выбросам парниковых газов в течение жизненного цикла в размере 8-20 г CO ₂ /кВтч для ветра и 30-80 г CO ₂ /кВтч для солнечной энергии. Для сравнения, значения для производства природного газа и угля составляют 500 г CO ₂ /кВтч и 1000 г CO ₂ /кВтч соответственно. ^[3]

Для дальнейшего чтения

Микрогидростанции
Микроветряная турбина
Энергоэффективное проектирование зданий
Когенерация
Электрическая сеть
Или просмотрите случайную страницу

Ссылки

↑ ORGANIC POWER LIMITED, «Низкоуглеродные источники энергии. Микрогенерация», 2012. [Онлайн]. Доступно: http://www.organicpower.ie/micro_generation.php. [Доступ: 30 октября 2013 г. ].
↑ «Фотоэлектрическая энергия», Clean Energy Assoc. бр. Колумбия, том. 1.
↑ Межправительственная группа экспертов по изменению климата, «Специальный отчет о возобновляемых источниках энергии и смягчении последствий изменения климата». 2011, [Онлайн]. Доступно: https://www.ipcc.ch/pdf/special-reports/srren/SRREN_FD_SPM_final.pdf.

Микрогенерация | Alberta.ca

Содержание

Как работает микрогенерация

В соответствии с Законом об электроэнергетике , Постановление о микрогенерации позволяет жителям Альберты удовлетворять свои собственные потребности в электроэнергии, вырабатывая электроэнергию из возобновляемых или альтернативных источников энергии.

Микрогенераторы, производящие избыточную электроэнергию, получают кредиты за то, что они подают в сеть. Они либо;

Небольшие микрогенераторы (менее 150 киловатт), которые получают кредит за электроэнергию, возвращаемую в сеть ежемесячно по их розничным тарифам, но они также могут установить подходящий счетчик для получения кредита за избыточную электроэнергию на основе почасовой оптовой продажи рыночные цены; или
Крупные микрогенераторы (мощностью 150 киловатт и выше), которым начисляется электроэнергия, возвращаемая в сеть по почасовой оптовой рыночной цене.

Местный поставщик проводных услуг, также называемый распределительной компанией, отвечает за подключение системы микрогенератора. Отдельные микропроизводители не должны оплачивать обычные и разумные расходы на присоединение и инфраструктуру счетчиков, поскольку эти расходы распределяются между всеми потребителями в зоне обслуживания распределительной компании. Розничный продавец электроэнергии клиента должен управлять администрированием и выставлением счетов за избыточную энергию, отправляемую в сеть. Это контролируется Комиссией по коммунальным предприятиям Альберты (AUC), чтобы обеспечить справедливость расходов, перекладываемых на клиентов.

В 2016 году в правила были внесены поправки, чтобы увеличить предельный размер системы микрогенерации с одного мегаватта до пяти мегаватт и позволить системе микрогенерации обслуживать соседние объекты, другие изменения помогли повысить надежность, стабильность и безопасность. микрогенерации и распределительной сети. The Alberta Gazette, Часть II (PDF, 336 КБ), перечислены все поправки.

Во всех случаях микрогенератор должен доказать, что выбросы парниковых газов (ПГ) из системы составляют 418 килограммов на мегаватт-час (кг/МВтч) или меньше вырабатываемой электроэнергии и/или полезного тепла. Это гарантирует, что все микрогенераторы будут иметь более низкие выбросы парниковых газов, чем типичная электростанция с комбинированным циклом, работающая на природном газе.

Как стать микрогенератором

Микрогенераторы должны обратиться в свою распределительную компанию для подключения и эксплуатации генераторного агрегата. AUC отвечает за надзор и принятие решений AUC в отношении Регламента микрогенерации.

Найдите свою компанию в счете за электроэнергию.
Сообщите вашей компании о своем намерении.
Следуйте рекомендациям AUC, некоторые требования включают:
- консультация с электриком;
- получение муниципальных разрешений;
- подготовка плана участка.
Отправьте заполненную заявку через систему электронной регистрации AUC.
Отправьте заполненное заявление в свою дистрибьюторскую компанию.

Потребители микрогенерации также должны подписать соглашение о присоединении с распределительной компанией. Распределительная компания владеет системой распределения для вашего дома, фермы, бизнеса или промышленности. Распределительная система поставляет электроэнергию от провинциальных линий электропередач к потребителям. Распределительная компания рассматривает и утверждает заявки на микрогенерацию, устанавливает счетчики и предоставляет данные измерений розничным торговцам и оператору электрической системы Альберты

Вы должны обсудить компенсацию и выставление счетов с вашим продавцом. Они будут кредитовать вас за избыточную электроэнергию, которую вы поставляете в сеть. Ставка, по которой вы получаете кредит, согласовывается между вами и вашим продавцом электроэнергии. Правительство не решает, какой должна быть эта ставка. Ваш розничный продавец взимает с AESO зачисление вам превышения по той же ставке, которую вы платили при покупке электроэнергии из сети. То, как эти кредиты передаются между вами, вашим розничным продавцом и AESO, описано в разделе 9.0089 Положение о микрогенерации. Споры, которые не могут быть разрешены, могут быть переданы в AUC, провинциальный регулирующий орган.

Малая генерация

Коммерческие генераторы не соответствуют требованиям, предъявляемым к микрогенераторам, но малые коммерческие генераторы могут квалифицироваться как малые генераторы или распределенные генераторы. См. Руководство по применению распределенной генерации (PDF, 148 КБ), свяжитесь напрямую с AUC или узнайте, как самостоятельно производить электроэнергию.

Контакт

Электронная почта: [email защищено]

Была ли эта страница полезной?

Все поля обязательны для заполнения, если не указано иное.

Что ты пытался сделать? (не более 500 символов)

Что пошло не так? (не более 500 символов)

Вы не получите ответа. Не вводите никакую личную информацию, такую как номера телефонов, адреса или адреса электронной почты.

Ваши материалы контролируются нашей веб-командой и используются для улучшения работы сайта Alberta.ca. Если вам нужен ответ, пожалуйста, перейдите на нашу страницу контактов.

Пьезоэлектрический микрогенератор, работающий при низкой частоте и высоком ускорении, на основе соединения ЦТС и фосфористой бронзы

Пьезоэлектрический микрогенератор, работающий на низкой частоте и высоком ускорении, на основе соединения ЦТС и фосфористой бронзы

Скачать PDF

Открытый доступ
Опубликовано: 08 декабря 2016 г.

Бан Тан ^1,2 ,
Бин Ян ¹ ,
Ченг Хоу ² ,
Гуймиао Ли ¹ ,
Цзинцюань Лю ¹ ,
Сян Чен ¹ и
…
Чуншэн Ян ^{9 18
Научные отчеты том 6 , Номер статьи: 38798 (2016)
Процитировать эту статью
6136 доступов
32 Цитаты
Сведения о показателях
Предметы
Устройства для сбора энергии
Электротехника и электроника
Аннотация
В последнее время многие исследователи уделяют большое внимание пьезоэлектрическим сборщикам энергии (PEH) для преобразования механической энергии в электрическую и низкоуровневую вибрацию. В настоящее время большинство ТЭО работает в условиях вибрации высокой частоты и низкого уровня. В этой статье мы предлагаем микроконсольный генератор, основанный на соединении объемной пластины ЦТС и фосфористой бронзы, который изготовлен с использованием технологии МЭМС, такой как механическое химическое утонение и травление. Экспериментальные результаты показывают, что выходное напряжение холостого хода, выходная мощность и удельная мощность этого изготовленного прототипа составляют 35 В, 321 мкВт и 8664 мкВт см 9 .0017 −3 на резонансной частоте 100,8 Гц соответственно, когда она соответствует оптимальному нагрузочному сопротивлению 140 кОм при возбуждении ускорением 3,0 g. Изготовленный микрогенератор может получить стабильное выходное напряжение 61,2 В в режиме разомкнутой цепи, когда виброускорение достигает 7,0 g. Между тем, когда это устройство наклеено на вибрационный вакуумный насос, выходное напряжение составляет около 11 В. Это демонстрирует, что это новое предлагаемое устройство может улавливать энергию высокого уровня вибрации на низкой частоте для питания инерциальных датчиков в приложениях Интернета вещей.
Введение
В последние годы сбор энергии изучался не только в ответ на глобальный дефицит энергии, но и для реализации потенциального энергоснабжения микроприводов, микродатчиков, особенно устройств в гражданской медицине и военных областях. Теряемая впустую механическая энергия вибраций окружающей среды может быть преобразована в полезную электрическую энергию. Поэтому было предложено множество комбайнов для преобразования энергии окружающей среды в электрическую по разным механизмам, включая электромагнитный 9.0017 1,2,3,4,5 , электростатические ^6,7,8,9,10, трибоэлектрические ^{11,12,13,14,15,16,17} и пьезоэлектрические ^{18,19,20, 21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34} механизмов. Однако выходная мощность этих устройств на основе первых трех механизмов, изготовленных со сложными технологическими процессами, не может удовлетворить мощности электронных устройств. В последнее время было исследовано множество пьезоэлектрических сборщиков энергии (PEH), специально изготовленных по технологии MEMS ^18,19, благодаря ее преимуществам простой конфигурации и высокой производительности. В настоящее время большинство исследований по выработке электроэнергии вибрационными ПЭТ сосредоточено на конфигурации консольной униморфной балки с испытательной массой или без нее менее д _{31 режим} и д ₃₃ режим ²⁰ . Пленка PZT толщиной 5 мкм для МЭМС-генераторов d ₃₁ и d ₃₃ была приготовлена методом аэрозольного осаждения ²¹ . Кроме того, для толстых пленок толщиной более 5 мкм были разработаны гидротермический метод ²² и процесс трафаретной печати ²³. Температура спекания выше 550 °C может обеспечить высокое пьезоэлектричество ²⁴, который ограничивает применение следующего процесса изготовления МЭМС. Чтобы улучшить выходные характеристики пьезоэлектрических устройств, были разработаны методы объемного соединения PZT и утончения ^35,36,37,38 . В нашей предыдущей работе сообщалось о сборщике энергии пленок PZT толщиной 14 мкм ³⁹, который был реализован с помощью методов низкотемпературного (175 ° C) соединения и утончения на основе кремниевой подложки. Описанные выше пьезоэлектрические сборщики энергии, основанные на кремниевой технологии, могут легко ломаться и работать только при низком уровне вибрации от окружающих источников из-за хрупких свойств кремния. В настоящее время большинство зарегистрированных PEH работают на высокой частоте. Однако частоты источников вибрации окружающей среды относительно низкие (обычно менее 200 Гц) 9 .0017 40 . Например, небольшая микроволновая печь работает на резонансной частоте 121 Гц, стиральная машина — на 109 Гц, корпус кухонного блендера — на 121 Гц, а компакт-диск на ноутбуке — на 75 Гц ⁴⁰ . Лю и др. . продемонстрировал низкочастотный кремниевый пьезоэлектрический сборщик энергии, который генерировал выходную мощность от 19,4 нВт до 51,3 нВт в диапазоне рабочих частот от 30 Гц до 47 Гц при 1,0 g ⁴¹ . Затем сообщалось о S-образном микрогенераторе MEMS с пленкой PZT толщиной 2,5 мкм, нанесенной золь-гель процессом, который генерировал мощность 42 мВ на низкой частоте (<30 Гц) при 0,06 g ⁴² . Хотя в меньшем количестве статей сообщалось о низкочастотных пьезоэлектрических сборщиках энергии, они работали ниже 2,0 g. Кроме того, их выходная мощность очень мала. Однако в аэрокосмической и военной областях рабочее ускорение баллистической ракеты и ракеты при пуске может достигать от 4 до 15 g. Между тем, в наших условиях ускорение автомобиля и ручного инструмента также может достигать 10,0 g ^{43,44,45,46,47,48} . Фосфористая бронза как сплав меди обладает хорошей электропроводностью и сопротивлением усталости, поэтому фосфористая бронза может заменить кремний в качестве подложки энергосборщика, работающего при низкой частоте и высоком уровне вибрации.
В этой статье мы разработали микропьезоэлектрический генератор на основе объемного связывания PZT с композитной структурой из фосфористой бронзы для преобразования энергии вибрации в электричество, который может реализовать низкую резонансную частоту и поглощать энергию вибрации при высоком ускорении 7,0. грамм. Описаны ключевые методы изготовления микрогенераторов, в том числе объемное соединение PZT-Cu-Si, утончение объемного PZT и формирование рисунка. Для снижения резонансной частоты этого устройства, кроме включения кремниевой пробойной массы, на конце верхней поверхности композитного кантилевера собрана вольфрамовая масса. Этот предлагаемый сборщик энергии последовательно зажигает девять светодиодных ламп. Более того, он может эффективно отводить энергию вибрации от вакуумного насоса.
Результаты
Структура и изготовление
Рисунок 1 иллюстрирует процесс изготовления микрогенератора. Вся структура включает в себя фосфористую бронзу в качестве опорного слоя, объемную тонкую пленку PZT в качестве функционального пьезоэлектрического слоя, проводящую эпоксидную смолу в качестве низкотемпературного связующего слоя и контрольную массу. Исходная пластина из кремния толщиной 400 мкм со слоем оксида кремния толщиной 2 мкм используется для соединения с фосфористой бронзой толщиной 100 мкм, как показано на рис. 1 (а). Люминофорная бронза должна быть разбавлена до соответствующей толщины для снижения резонансной частоты, а верхняя поверхность должна быть отполирована для улучшения силы сцепления с объемным PZT, как показано на рис. 1 (b). Затем одна сторона PZT толщиной 400 мкм полируется и осаждается с нижним электродным слоем Cr/Au толщиной 20 нм/180 нм. Эта сторона объемного PZT была связана вместе с фосфористой бронзой с помощью эпоксидной смолы, как показано на рис. 1 (c). Слой ЦТС утоняли до необходимой толщины с помощью комбинированного метода механической притирки и жидкостного травления, как показано на рис. 1(г). На рис. 1(e) и (f) показан слой Cr/Au после того, как верхний электрод был напылен и сформирован методом сухого травления для формирования верхнего и нижнего электродов соответственно. На рис. 1(g) показано, что кремниевый слой ручки был протравлен с обратной стороны, чтобы высвободить кантилевер со структурой кремниевой пробной массы с помощью процесса глубокого реактивного ионного травления (DRIE). Наконец, на рис. 1(h) показано, что прямоугольная вольфрамовая пробная масса, вырезанная методом нарезки кубиками, собрана на вершине кантилевера. Расчетные размеры пьезоэлектрического микрогенератора указаны в таблице 1. Резонансная частота этого устройства моделируется с помощью конечно-элементного программного обеспечения ANSYS. Частота первой резонансной моды вычисляется как около 102,59.Гц, как показано на рис. 2.
Таблица 1 Размеры проектируемого микрогенератора. Полноразмерный стол
Рисунок 1 Процесс изготовления микрогенератора.
( a ) Оксид кремния, нанесенный на кремниевую пластину. ( b ) Склеивание фосфористой бронзы и кремниевой пластины и утончение фосфористой бронзы механической притиркой. ( c ) Объемный PZT с нижним электродом, склеенным фосфористой бронзой. ( d ) Утончение PZT с использованием комбинированного метода механической притирки и жидкостного травления и полировки. ( e ) Осаждение верхнего электрода. ( f ) Рисунок верхнего электрода. ( г ) Травление оборотной стороны DRIE. ( h ) Сборка вольфрамовой массы на конце кантилевера.
Изображение в натуральную величину
Рис. 2 Конечно-элементное моделирование проектируемого устройства.
Изображение в натуральную величину
Как правило, трудно утончить керамическую пластину до толщины менее 50 мкм из-за ее хрупкости. Таким образом, гибридный метод механической притирки и процессов влажного травления используется для уменьшения толщины объемного PZT толщиной 400 мкм до примерно 57 мкм путем механической притирки. Был применен дополнительный процесс механической полировки пленки ЦТС для улучшения шероховатости поверхности ЦТС для последующих процессов изготовления. Кроме того, хорошая шероховатость поверхности способствует улучшению адгезионной силы последующего слоя наплавленного металла. СЭМ-изображение поверхности ЦТС после шлифовки и полировки показано на рис. 3(а). Видно, что на рис. 3(б) нет больших отверстий. Шероховатость около 0,82 мкм измеряется с помощью цифрового микроскопа. На рис. 3(c) показано поперечное сечение высококачественного связующего слоя после утончения PZT. Хорошо видна проводящая эпоксидная смола между PZT и фосфористой бронзой. Толщина слоя ЦТС после утонения одинакова по всей диафрагме. На рис. 4(а) показано состояние изгиба микроконструкции кантилевера под действием небольшой силы сжатия, прикладываемой пальцами. Это демонстрирует, что композитный кантилевер на основе соединения PZT и пластины из фосфористой бронзы обладает хорошей гибкостью. Затем изготовленное устройство фиксируется на печатной плате акриловой прокладкой толщиной 2000 мкм, чтобы это устройство могло свободно двигаться даже при высоком уровне ускорения. Верхний и нижний электроды на функциональном слое PZT соединены двумя контактными площадками на печатной плате соответственно, как показано на рис. 4(b). На рис. 5 показана зависимость фазового угла изготовленного устройства от возбуждающих частот с помощью анализатора импеданса (KEYSIGHT E49). 90А). Пик кривой фазового угла находится на частоте около 105 Гц. Имеется хорошее соответствие между теоретическими и экспериментальными результатами.
Рис. 3 Микроскопические пьезоэлектрические изображения микроскопа.
( a ) РЭМ-изображение поверхности PZT после утонения и полировки. ( b ) Трехмерный цифровой микроскоп поверхности PZT после утончения и полировки. ( c ) Поперечный разрез композитного кантилевера.
Полноразмерное изображение
Рисунок 4 Изготовленный на микроуровне пьезоэлектрический кантилевер, собранный с печатной платой.
( a ) Изгиб изготовленного пьезоэлектрического кантилевера. ( b ) Микроскопическое пьезоэлектрическое устройство, собранное с печатной платой.
Изображение полного размера
Рис. 5 Измеренная резонансная частота типичного устройства с помощью анализатора импеданса.
Изображение полного размера
Выходные характеристики
Для исследования выходных характеристик изготовленного генератора соответствующая средняя выходная мощность была рассчитана по следующему уравнению:
, где U _{пик − пик} — пиковое напряжение переменного тока нагрузки замкнутой цепи, а R — сопротивление нагрузки. На рис. 6(а) показаны максимальные выходные напряжения холостого хода в зависимости от резонансной частоты вибрации при различных уровнях вибрации. Замечено, что выходные напряжения микрогенератора при ускорении 1,0, 2,0, 3,0, 4,0, 5,0, 6,0 и 7,0 g составляют 16,5 В, 27,1 В, 36,8 В, 42,6 В, 46,8 В. , 52,1 В и 61,2 В соответственно. Максимальное выходное напряжение увеличивается с увеличением значения виброускорения. Обнаружено, что при высоком входном ускорении 7,0g выходное напряжение остается стабильным. Чтобы получить подробные выходные характеристики генератора, выходные напряжения в диапазоне от 85 Гц до 120 Гц проводятся при ускорениях от 0,5 g до 3,0 g. Как видно из рис. 6(б), для входных ускорений 0,5 g, 0,7 g, 1,0 g, 1,5 g, 2,0 g, 2,5 g, 3,0 g выходные напряжения холостого хода могут достигать 10 В, 12,4 В, 16,5 В. , 21,7 В, 26,3 В, 30,4 В, 35 В на частотах 104,9Гц, 104,4 Гц, 104,0 Гц, 103,2 Гц, 102,3 Гц, 101,9 Гц, 100,8 Гц соответственно, которые постепенно уменьшаются с увеличением амплитуды ускорения. Разница в основном связана с нелинейным изменением модуля Юнга PZT ³⁹ .
Рисунок 6 Выходное напряжение холостого хода.
( a ) Выходное напряжение холостого хода от 1 g до 7,0 g на резонансной частоте. ( b ) Выходные напряжения холостого хода комбайна, когда он возбуждается при различных ускорениях от 0,5 g до 3,0 g.
Изображение полного размера
При достижении резонансной вибрации выходная мощность микрогенератора сильно зависела от сопротивления нагрузки, и максимальная выходная мощность может быть получена при определенном сопротивлении нагрузки. На рис. 7(а) показано выходное напряжение при различном сопротивлении нагрузки при различных возбужденных ускорениях от 0,5 g до 3,0 g. При определенных условиях возбуждения ускорения выходное напряжение увеличивалось с увеличением сопротивления нагрузки. Тенденция к увеличению в диапазоне более низкого согласующего сопротивления больше, чем в условиях более высокого сопротивления. При любых условиях возбуждения кривая выходного напряжения стремится к уровню и в конечном итоге начинает приближаться к значению выходного напряжения разомкнутой цепи. На основании уравнения (1) соответствующая выходная мощность показана на рис. 7(b). С увеличением сопротивления нагрузки выходная мощность сначала увеличивалась, а затем уменьшалась при некотором ускорении. Существует пиковое значение выходной мощности при каждом возбужденном состоянии ускорения при определенном сопротивлении нагрузки, которое называется оптимально согласованным сопротивлением. Когда сопротивление нагрузки согласовано с внутренним сопротивлением микрогенератора, максимальная выходная мощность составляет 13,1 мкВт, 24,4 мкВт, 45,8 мкВт, 91,9 мкВт, 148,6 мкВт, 225,8 мкВт и 321 мкВт при 0,5 г, 0,7 г, 1,0 г, 1,5 г, 2,0 г, 2,5 г и 3,0 г соответственно.
Рисунок 7 Выходное напряжение нагрузки, мощность и удельная мощность в зависимости от сопротивления нагрузки при различных ускорениях.
( a ) Выходное напряжение при различных сопротивлениях нагрузки. ( b ) Выходная мощность при различных сопротивлениях нагрузки. ( c ) Плотность мощности на резонансной частоте от 0,5 g до 3,0 g.
Полноразмерное изображение
Для того чтобы сравнить выходные характеристики изготовленного микрогенератора с различными процессами микрообработки соединения PZT с пластиной из фосфористой бронзы, необходимо оценить плотность выходной мощности. Эффективный объем изготовленного микрогенератора рассчитывается как 0,03732 см ³ , наряду с ускорением от 0,5 g до 3,0 g плотность мощности увеличилась в 24,7 раза, с 351,02 мкВт см ^-3 до 8664 мкВт см ^-3, как показано на рис. 7(c). По сравнению с плотностью мощности, о которой сообщает ³⁹ , это устройство имеет хорошие выходные характеристики, работая при высоком ускорении. Некоторые зарегистрированные устройства, работающие в диапазоне частот от 10 до 300 Гц, перечислены в таблице 2 для сравнения. Это указывает на то, что плотность мощности пьезоэлектрического устройства, описанного в этой статье, демонстрирует сравнимые характеристики в низкочастотном диапазоне. Тем не менее, толщина фосфористой бронзы и объемного PZT может быть уменьшена еще больше, чтобы уменьшить все размеры для повышения плотности выходной мощности.
Таблица 2. Сравнение производительности опубликованных пьезоэлектрических комбайнов, работающих в низкочастотном диапазоне. Полноразмерная таблица
Обсуждение
Для подтверждения работоспособности изготовленного микрогенератора в практическом применении микрогенератор был испытан на вакуумном насосе со скоростью вращения 1400 об/мин ⁻¹ (тип 2XZ-2), который использовался в вакуумной сушильной печи. На рис. 8(а) показана фотография изготовленного прототипа микрогенератора, закрепленного на насосе, и для записи выходного напряжения использовался осциллограф (Agilent DSO-X). Когда вакуумный насос работает, вибрация насоса заставляет консоль устройства колебаться. Впоследствии микрогенератор будет генерировать электрическое напряжение за счет колебаний кантилевера. На рис. 8(б) показано выходное напряжение микрогенератора, закрепленного на насосе. Выходное напряжение холостого хода достигает 11 В _п-п за 2 с. Как показано на рис. 8(с), выходной электрический сигнал этого генератора стабилен и стабилен в течение 20 с, что может быть использовано для питания большого количества микроэлектрооборудования или зарядки аккумулятора. На рис. 8(d) показано, что выходное напряжение стабильно с периодом волны 0,01 с. Поэтому рабочая частота этого устройства рассчитана примерно как 100 Гц, что близко к резонансной частоте этого генератора.
Рисунок 8 Выходное напряжение изготовленного микрогенератора, испытанного на вакуумно-компрессионном насосе.
( a ) Фотография изготовленного прототипа микрогенератора, испытанного на вакуумно-компрессионном насосе. ( b ) Выходное напряжение за 2 с. ( c ) Выходное напряжение за 20 с. ( d ) Выходное напряжение за 0,05 с.
Увеличить
При этом микрогенератор может зажигать светодиодные лампочки при работе на вакуумном насосе и виброускорении 3,0 g. На рис. 9(а) показано, что одна светодиодная лампочка подсвечивается микрогенератором, работающим на вакуумном насосе, из-за уровня его вибрации. При этом мы помещаем это устройство на встряхиватель с ускорением 3,0 g, как показано на рис. 9.(b), этот генератор освещает девять светодиодных лампочек, соединенных последовательно. На рис. 10 показана диаграмма напряжения и времени зарядки двух конденсаторов емкостью 3,3 мкФ и 10 мкФ при перегрузках 1,0, 2,0 и 3,0 g соответственно. Используя двухполупериодный выпрямитель, состоящий из четырех диодов, при ускорении 1,0 g микрогенератор может заряжать конденсаторы емкостью 3,3 мкФ и 10 мкФ до 3,6 В и 2,4 В за 2,3 и 2,4 с соответственно. С увеличением виброускорения зарядное напряжение становится выше, а времени требуется меньше. Когда ускорение увеличивается до 3,0 g, конденсаторы емкостью 3,3 мкФ и 10 мкФ достигают 5,2 В и 4,5 В через 1,8 с и 1,9с соответственно. Сделан вывод, что время зарядки конденсатора с емкостью 3,3 мкФ намного меньше, чем с емкостью 10 мкФ. С передовым развитием технологий изготовления микро-нано и схем микроэлектроники некоторые устройства с низким энергопотреблением разрабатываются для работы в течение длительного времени. Быстро развивались датчики с низким энергопотреблением, такие как беспроводная система датчиков температуры тела, управляемая блоком микроконтроллера, с потребляемой мощностью 27 мкВт в активном режиме ⁴⁹ . Рабочее напряжение некоторых датчиков мониторинга, таких как цифровой трехосевой датчик вибрации, составляет 3,0 В. Это подтвердило, что этот разработанный микрогенератор может обеспечить автономную работу некоторых электронных устройств с низким энергопотреблением.
Рисунок 9 Применение изготовленного микрогенератора.
( a ) Изготовленный микрогенератор, испытанный на вакуумно-компрессионном насосе, зажигает 1 светодиодную лампочку. ( b ) Изготовленный микрогенератор освещает 9Светодиодные лампы при ускорении 3,0 g.
Изображение в натуральную величину
Рисунок 10 Испытания на зарядку 3,3 мкФ и 10 мкФ от 1,0 до 3,0 g.
( a ) Напряжение и время зарядки 3,3 мкФ при различных виброускорениях. ( b ) Напряжение и время зарядки 10 мкФ с разным виброускорением.
Изображение в натуральную величину
Таким образом, в этой статье продемонстрированы проектирование, изготовление и описание нового пьезоэлектрического устройства для сбора энергии на основе МЭМС, основанного на технологии связывания PZT и фосфористой бронзы, которое работает при низкой частоте и высоком ускорении вибрации. . В этой конструкции вольфрамостойкая масса собрана с консольной балкой из фосфористой бронзы и пьезоэлектрической пластиной для реализации резонансной частоты до 105 Гц. Благодаря эластичности и сопротивлению усталости фосфористой бронзы устройство выдерживает виброускорение 7,0 g и генерирует выходное напряжение 61,2 В. В результате при входных ускорениях от 0,5 g до 3,0 g выходные напряжения составляют от от 10 В до 35 В. При ускорении 3,0 g выходная мощность микрогенератора может достигать 321 мкВт. Благодаря высокой выходной мощности микрогенератор смог зажечь один светодиод, испытанный на вакуумно-компрессионном насосе, и девять светодиодов при ускорении 3,0 g. Это устройство может применяться в средах с низкочастотными и высокоуровневыми вибрациями, например, в аэрокосмической и военной областях.
Методы
Процесс склеивания и утончения композитной структуры
Пластина из фосфористой бронзы (толщиной 100 мкм) была сначала соединена с кремниевой пластиной, затем утончена до необходимой толщины и отполирована для придания силы сцепления с последующей пластиной ЦТС. Наконец, полированный объемный ЦТС (толщиной 400 мкм) был соединен с подготовленной пластиной проводящей эпоксидной смолой лицом друг к другу. Склеенная пластина была помещена в вакуумную среду с давлением 0,1 МПа и постоянной температурой отверждения 175 °C в течение 3 часов.
Метод испытания выходной мощности
Выходную мощность микрогенератора оценивали с помощью системы вибрационных испытаний. Он состоит из электромагнитного шейкера (SINOCERA JZK-5), усилителя мощности (SINOCERA YE2706A), функционального генератора сигналов (Agilent 33220A) и акселерометра (SINOCERA YE5932A). Изготовленный микрогенератор и акселерометр были собраны на встряхивателе в ходе экспериментов. Частота и амплитуда вибрации вибратора контролировались генератором функций и усилителем мощности, а условия вибрации контролировались акселерометром. Выходной сигнал устройства был связан с различными сопротивлениями нагрузки для оптимизации выходной мощности при различных условиях вибрации. Выходные напряжения тестируемого образца регистрировались осциллографом (Agilent DSO-X).
Дополнительная информация
Как цитировать эту статью : Tang, G. et al . Пьезоэлектрический микрогенератор работал на низкой частоте и высоком ускорении на основе связки PZT и фосфористой бронзы. науч. Респ. 6 , 38798; doi: 10.1038/srep38798 (2016).
Примечание издателя: Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и институциональной принадлежности.
Ссылки
Beeby, S.P. et al. Микроэлектромагнитный генератор для сбора энергии вибрации. Дж. Микромех. Микроангл. 17, 1257–1265 (2007).
ОБЪЯВЛЕНИЕ
Google ученый
Чен Ю., Поллок Т. Э. и Салехиан А. Анализ влияния соответствия на выработку энергии нелинейным блоком сбора электромагнитной энергии: теория и эксперимент. Умный Матер. Структура 22, 094027 (2013).
ОБЪЯВЛЕНИЕ
Google ученый
Сари, И., Балкан, Т. и Кулах, Х. Электромагнитный микрогенератор для широкополосных вибраций окружающей среды. Сенсорные приводы А. 145, 405–413 (2008).
Google ученый
Bai, X.L. et al. Магнитоэлектрический комбайн с магнитной муфтой для повышения производительности. Дж. Заявл. физ. 111, 07A938 (2012).
Google ученый
Глинн-Джонс, П., Тюдор, М.Дж., Биби, С.П. и Уайт, Н.М. Генератор электромагнитных колебаний для интеллектуальных сенсорных систем. Приводы датчиков A 110, 344–349 (2004).
КАС
Google ученый
Ян, Б., Ли, К., Котланка, Р.К., Се, Дж. и Лим, С.П. Вращающийся гребенчатый механизм МЭМС для сбора кинетической энергии плоских колебаний. Дж. Микромех. Микроангл. 20, 065017 (2010).
ОБЪЯВЛЕНИЕ
Google ученый
Чжу, Г., Ван, А.С., Лю, Ю., Чжоу, Ю. и Ван, З.Л. Функциональная электрическая стимуляция с помощью наногенератора с выходным напряжением 58 В. Нано Летт. 12, 3086–3092 (2012).
ОБЪЯВЛЕНИЕ
КАС
пабмед
Google ученый
Пелрин, Р. и др. Диэлектрические эластомеры: основы генераторного режима и приложения. проц. SPIE 4329, 148–156 (2001).
ОБЪЯВЛЕНИЕ
КАС
Google ученый
Мяо, П. и др. Инерционные генераторы энергии MEMS для биомедицинских приложений. микросистема Технол. 12, 1079–1083 (2006).
Google ученый
Wang, S., Xie, Y., Niu, S., Lin, L. & Wang, Z.L. Автономные наногенераторы на основе трибоэлектрического слоя для сбора энергии от движущегося объекта или движения человека при контакте и бесконтакте режимы. Доп. Матер. 26, 2818–2824 (2014).
КАС
пабмед
Google ученый
Лин Л. и др. Дисковый трибоэлектрический наногенератор с сегментной структурой для сбора механической энергии вращения. Нано Летт. 13, 2916–2923 (2013).
ОБЪЯВЛЕНИЕ
КАС
пабмед
Google ученый
Zhu, G., Peng, B., Chen, J., Jing, Q. & Wang, Z. Трибоэлектрические наногенераторы как новая энергетическая технология: от основ, устройств до дополнений. Нано Энергия 14, 126–138 (2015).
КАС
Google ученый
Бай, П. и др. Цилиндрический вращающийся трибоэлектрический наногенератор. ACS Nano 7, 6361–6366 (2013).
КАС
пабмед
Google ученый
Zheng, Q. et al. In Vivo Беспроводной мониторинг сердца с автономным питанием с помощью имплантируемого трибоэлектрического наногенератора. АКС Нано. 10, 6510–6518 (2016).
КАС
пабмед
Google ученый
Ченг и др. Носимый безэлектродный трибоэлектрический генератор для сбора биомеханической энергии. Нано Энергия. 12, 19–25 (2015).
КАС
Google ученый
Pi, Z., Zhang, J., Wen, C., Zhang, Z. & Wu, D. Гибкий пьезоэлектрический наногенератор из тонкой пленки поли(винилиденфторид-ко-трифторэтилен) (PVDF-TrFE). Нано Энергия. 7, 33–41 (2014).
КАС
Google ученый
Zhu, Y.B. et al. Гибкий и биосовместимый трибоэлектрический наногенератор с регулируемым внутренним сопротивлением для питания носимых устройств. науч. 6, 22233 (2016).
ОБЪЯВЛЕНИЕ
КАС
пабмед
ПабМед Центральный
Google ученый
Камаль, Т. М. и др. Моделирование и характеристика пьезоэлектрических устройств сбора урожая на основе МЭМС. Дж. Микромех. Микроангл. 20, 105023 (2010).
ОБЪЯВЛЕНИЕ
Google ученый
Парк, Дж. К., Парк, Дж. Ю. и Ли, Ю. П. Моделирование и определение характеристик пьезоэлектрического устройства сбора энергии MEMS с d33-режимом. Дж. Микроэлектромех. 19, 1215–1222 (2010).
КАС
Google ученый
Qin, Y., Wang, X. & Wang, Z.L. Гибридная структура из микроволокна и нанопровода для поглощения энергии. Природа 451, 809–813 (2008).
ОБЪЯВЛЕНИЕ
КАС
пабмед
Google ученый
Lee, B.S. et al. Пьезоэлектрические генераторы MEMS, изготовленные из тонкой пленки PZT с аэрозольным напылением. Дж. Микромех. Микроангл. 19, 065014 (2009).
ОБЪЯВЛЕНИЕ
Google ученый
Канда, Т., Куросаваб, М.К., Ясуи, с. H. & Higuchi, T. Характеристики гидротермальной пленки PZT при работе с высокой интенсивностью. Приводы датчиков A 89, 16–21 (2001).
КАС
Google ученый
Биби, С. Б., Блкакберн, А. и Уайт, Н. М. Обработка толстых пьезоэлектрических пленок PZT на кремнии для микроэлектромеханических систем. Дж. Микромех. Микроангл. 9, 218–229 (1999).
ОБЪЯВЛЕНИЕ
КАС
Google ученый
Wang, X.Y., Lee, C.Y., Peng, CJ, Chen, P.Y. & Chang, P.Z. Микрометрический масштаб и низкотемпературный PZT толстопленочный процесс MEMS с использованием метода осаждения аэрозоля. Сенсорные приводы A 143, 469–474 (2008 г.).
КАС
Google ученый
Li, Z., Zhu, G., Yang, R., Wang, A.C. & Wang, Z.L. Мышечный наногенератор in vivo . Доп. Матер. 22, 2534–2537 (2010).
КАС
пабмед
Google ученый
Ши, Б. и др. Комплектная автономная система с универсальными разъемами на основе гибридных наногенераторов. Доп. Матер. 28, 846–852 (2016).
КАС
пабмед
Google ученый
Shi, Q. , Wang, T. & Lee, C. Широкополосный пьезоэлектрический ультразвуковой сборщик энергии (PUEH) на основе МЭМС для включения имплантируемых биомедицинских устройств с автономным питанием. науч. 6, 24946 (2016).
ОБЪЯВЛЕНИЕ
КАС
пабмед
ПабМед Центральный
Google ученый
Ши, К., Ван, Т., Кобаяши, Т. и Ли, К. Исследование геометрического дизайна диафрагм пьезоэлектрических микроэлектромеханических систем для сбора ультразвуковой энергии. заявл. физ. лат. 108, 193902 (2016).
ОБЪЯВЛЕНИЕ
Google ученый
Лю, Х., Чжан, С., Кобаяши, Т., Чен, Т. и Ли, К. Характеристики измерения расхода и сбора энергии ветряного пьезоэлектрического Pb (Zr0,52, Ti0,48) Микрокантилевер O3. Микро и Нано Летт. 9, 286–289 (2014).
КАС
Google ученый
Лю, Х., Чжан, С., Катиресан, Р., Кобаяши, Т. и Ли, К. Разработка пьезоэлектрического микроконсольного датчика расхода с возможностью сбора энергии ветра. заявл. физ. лат. 100, 223905 (2012).
ОБЪЯВЛЕНИЕ
Google ученый
Дакар, Л., Лю, Х., Тай, Ф.Э.Х. и Ли, К. Новая конструкция сборщика энергии для высокой выходной мощности на низких частотах. Приводы датчиков A 199, 344–352 (2013).
КАС
Google ученый
Лю, Х., Ли, К., Кобаяши, Т., Тай, С.Дж. и Куан, К. Широкополосные системы сбора энергии на основе пьезоэлектрических МЭМС с использованием консольного стопора с преобразованием частоты с повышением частоты. Приводы датчиков A 186, 242–248 (2012).
КАС
Google ученый
Лю, Х., Ли, К., Кобаяши, Т., Тай, С.Дж. и Куан, К. Исследование системы пьезоэлектрического сбора энергии МЭМС с механизмом расширения полосы пропускания, введенным механическими стопорами. Умный Матер. Структура 21, 035005 (2012).
ОБЪЯВЛЕНИЕ
Google ученый
Лю, Х. , Тай, С. Дж., Куан, К., Кобаяши, Т. и Ли, К. Сквозной пьезоэлектрический сборщик энергии MEMS с широкополосным частотным диапазоном и поведением преобразования с повышением частоты. микросистема Технол. 17, 1747–1754 (2011).
Google ученый
Танака, К., Кониши, Т., Иде, М. и Сугияма, С. Связывание пластин тетитаната циркона свинца с кремнием с использованием промежуточного слоя золота для применения в микроустройствах. Дж. Микромех. Микроангл. 16, 815 (2006).
ОБЪЯВЛЕНИЕ
КАС
Google ученый
Aktakka, E.E., Peterson, R.L. & Najafi, K. Thinned-PZT по процессу SOI и оптимизации конструкции для пьезоэлектрического сбора инерционной энергии. Датчик 11, 1649 г.–1652 (2011).
Google ученый
Xu, X. H. & Chu, J. R. Получение высококачественной толстой пленки PZT с характеристиками, сравнимыми с характеристиками объемных материалов, для применения в МЭМС. Дж. Микромех. Микроангл. 18, 065001 (2008).
ОБЪЯВЛЕНИЕ
Google ученый
Xu, X.H., Li, B.Q., Feng, Y. & Chu, J.R. Проектирование, изготовление и определение характеристик деформируемого зеркала MEMS, приводимого в действие объемным PZT. Дж. Микромех. Микроангл. 17, 2439(2007).
ОБЪЯВЛЕНИЕ
Google ученый
Танг Г. и др. Изготовление и анализ высокопроизводительных пьезоэлектрических МЭМС-генераторов. Дж. Микромех. Микроангл. 22, 065017 (2012).
ОБЪЯВЛЕНИЕ
Google ученый
Раунди, С., Райт, П. К. и Рабей, Дж. Исследование низкоуровневых вибраций как источника питания для узлов беспроводных датчиков. Дж. Вычисл. коммун. 26, 1131–1144 (2003).
Google ученый
Лю, Х., Тай, К.Дж., Куан, К., Кобаяши, Т. и Ли, К. Пьезоэлектрический сборщик энергии MEMS для низкочастотных колебаний с широким рабочим диапазоном и постоянно увеличивающейся выходной мощностью. Дж. Микромех. Микроангл. 20, 1131–1142 (2011).
Google ученый
Лю, Х., Ли, К., Кобаяши, Т., Тай, С.Дж. и Куан, К. Новый S-образный кантилевер MEMS PZT для сбора энергии от низкочастотных вибраций ниже 30 Гц. микросистема Технол. 18, 497–506 (2012).
Google ученый
Раунди, С. Об эффективности сбора энергии на основе вибрации. Дж. Интел Мат. Сист. ул. 16, 809–823 (2005).
Google ученый
Раунди, С. и Райт, П. К. Пьезоэлектрический генератор вибрации для беспроводной электроники. Умный Матер. Структура 13, 1131–1142 (2004).
ОБЪЯВЛЕНИЕ
Google ученый
Bottner, H. et al. Новые термоэлектрические компоненты с использованием микросистемных технологий. Дж. Микроэлектро. мех. 2004. С. 13. С. 414–420.
Google ученый
Икеда, К. , Исидзука, Х., Савада, А. и Урушияма, К. Величина виброускорения ручных инструментов и заготовок. Промышленное здравоохранение 36, 197–208 (1998).
КАС
пабмед
Google ученый
Фрешин, М. М., Арино, С. Б. и Фонтейн, Дж. Actiseat: Активное автомобильное сиденье для компенсации ускорения. П. И. Мех. англ. DJ. 218, 925–933 (2004).
Google ученый
Fang, H.B. et al. Изготовление и работа пьезоэлектрического генератора энергии на основе МЭМС для сбора энергии вибрации. Дж. Микроэлектрон. 37, 1280–1284 (2006).
Google ученый
Zhong, J. et al. Генератор на основе волокна для ушной электроники и мобильных лекарств. АКС Нано. 8, 6273–6280 (2014).
КАС
пабмед
Google ученый
Шен, Д. и др. Микрообработанный кантилевер PZT на основе структуры SOI для сбора энергии низкочастотной вибрации. Приводы датчиков A 154, 103–108 (2009).
КАС
Google ученый
Лей, А. и др. Сборщик колебательной энергии PZT на толстопленочной основе MEMS. В микроэлектромеханических системах (МЭМС), 2011 24-я международная конференция IEEE . 125–128 (2011).
Ссылки на скачивание
Благодарности
Эта работа была поддержана программой 863 (2015AA043503).
Информация об авторе
Авторы и организации
Кафедра микро/наноэлектроники, Национальная ключевая лаборатория науки и техники по производству микро/наноматериалов, Шанхайский университет Цзяо Тонг, Шанхай, 200240, Китай
Ган Тан, Бин Ян, Гуймиао Ли, Цзинцюань Лю, Сян Чен и Чуньшэн Ян
Факультет машиностроения, Наньчанский технологический институт, Наньчан, 330099, Китай
Ган Тан
5
5
05 Авторы
Gang Tang Посмотреть публикации автора
Вы также можете искать этого автора в
PubMed Google Scholar
Bin Yang Посмотреть публикации автора
Вы также можете искать этого автора в
PubMed Google Scholar
Cheng Hou Просмотр публикаций автора
Вы также можете искать этого автора в
PubMed Google Scholar
Guimiao Li Просмотр публикаций автора
Вы также можете искать этого автора в
PubMed Google Scholar
Jingquan Liu Просмотр публикаций автора
Вы также можете искать этого автора в
PubMed Google Академия
Xiang Chen Просмотр публикаций автора
Вы также можете искать этого автора в
PubMed Google Scholar
Chunsheng Yang Просмотр публикаций автора
Вы также можете искать этого автора в
PubMed Google Scholar
Contributions
G. T., B.Y. и К.Х. разработал микрогенератор и написал основной текст рукописи. К.Х. и Г.Т. характеризует работоспособность устройства. К.Х. и Г.М.Л. сделал процесс изготовления. JQL, XC и C.S.Y. проанализировали экспериментальные данные. Все авторы участвовали в рецензировании рукописи.
Заявление об этике
Конкурирующие интересы
Авторы не заявляют об отсутствии конкурирующих финансовых интересов.
Дополнительные электронные материалы
Дополнительная информация
Дополнительное видео
Права и разрешения
Эта работа находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons на статью, если иное не указано в кредитной строке; если материал не включен в лицензию Creative Commons, пользователям необходимо будет получить разрешение от держателя лицензии на воспроизведение материала. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons. org/licenses/by/4.0/
Перепечатка и разрешения
Об этой статье
Дополнительная литература
Инновационный пьезоэлектрический сборщик энергии, использующий зажатую-зажатую балку с контрольной массой для приложений WSN.
Амин Дамия
Эбрахим Аббаспур Сани
Гадер Резазаде
Микросистемные технологии (2020)
Комментарии
Отправляя комментарий, вы соглашаетесь соблюдать наши Условия и Правила сообщества. Если вы обнаружите что-то оскорбительное или не соответствующее нашим условиям или правилам, отметьте это как неприемлемое.
Скачать PDF
[PDF] Разработка роторного электромагнитного микрогенератора
title={Разработка роторного электромагнитного микрогенератора},
автор={С. Т. Пан и Т. Т. Ву},
journal={Журнал микромеханики и микротехники},
год = {2006},
объем = {17},
страницы = {120 — 128}
} C. Pan, T. T. Wu
Опубликовано в 2006 г.
Физика
Журнал микромеханики и микроинженерии
В этом исследовании представлена разработка плоскостного вращающегося электромагнитного микрогенератора, состоящего в основном из многослойной планарной меди ) микрокатушка и многополярный жесткий магнит из NdFeB, общий объем которого составляет примерно 5 × 5 × 2 мм3. Исследование сосредоточено на проектировании и производстве, необходимых для получения высокой выходной мощности, и разработана аналитическая модель для прогнозирования выходной мощности для различных конструкций микрогенераторов. Геометрический рисунок рисунка…
Посмотреть в IOP Publishing
nano.nsysu.edu.tw
Проектирование и изготовление роторного электромагнитного микрогенератора
C. Pan, Y. Hwang, Liwei Lin, Ying-Chung Chen
20 Physics, Engineering
2013
Это исследование посвящено проектированию, изготовлению, испытаниям и применению плоскостного вращающегося электромагнитного микрогенератора для получения высокой выходной мощности. Микрогенератор содержит многослойные планарные…
Моделирование и анализ электромагнитного плоскостного микрогенератора
C. Pan, YJ Chen, S. Shen
Физика
2009
-плоскостной микрогенератор для получения высокой выходной мощности. Микрогенератор содержит многослойную планарную серебряную (Ag) микрокатушку…
Моделирование магнитных полей в электромагнитных микрогенераторах с использованием метода конечных элементов
М. Герчак, П. Марковски, А. Дзеджич
Физика
Энергии
2022
Целью данной статьи является анализ распределения магнитного поля по диску. Этот диск является частью электромагнитного микрогенератора, который позволяет генерировать электричество в виде…
Миниатюрный электромагнитный генератор с планарными катушками и схемой сбора энергии
Лун-Де Ляо, П. Чао, Чин-Тэн Линь
Инженерное дело, физика
IEEE Transactions on Magnetics
2009
В этом исследовании представлены проектирование, анализ и эксперимент миниатюрного роторного генератора размером 10 x 10 x 2 мм3 и его компактной микросхемы схемы сбора энергии. Разработанный генератор состоит из…
Исследование по оптимизации электромагнитной конструкции вращающихся микромашин с двухслойными постоянными магнитами
Камил Юнус Озкая, М. Беяз
Машиностроение, физика
2015
Разработка миниатюрного вращательного сборщика электромагнитной энергии с процессом прямой записи из жидкого металла и испытания встроенного микротурбогенератора с использованием постоянных магнитов и микрошариков. Ключевыми компонентами этого генератора являются…
Миниатюрные планарные магнитные генераторы с пневматическим приводом
Jingjing Zhao, Gengchen Shi, Du Lin
Физика, инженерия
2015
планарные магнитные генераторы. Чтобы уменьшить момент магнитного сопротивления, Генератор 1 устанавливает…
Ультраминиатюрные высокоскоростные генераторы с постоянными магнитами для выработки электроэнергии милливаттного уровня
В этом документе представлены проектирование, изготовление и определение характеристик вращающихся электромагнитных генераторов миллиметрового масштаба. Синхронные машины с осевым магнитным потоком состоят из трехфазного…
Микровращательного электромагнитного генератора для высокоскоростных приложений
Р. Кордеро, А. Ривера, М. Нойман, Р. Уоррингтон, Э. Ромеро
Физика, инженерия
2012 25-я Международная конференция IEEE по микроэлектромеханическим системам (МЭМС)
2012
В данной статье представлена разработка микроротационного электромагнитного генератора для высокоскоростных приложений. Генератор имел конструкцию постоянного магнита с осевым потоком. Он был построен с использованием…
ПОКАЗЫВАЕТСЯ 1-10 ИЗ 27 ССЫЛОК
СОРТИРОВАТЬ ПОРелевантность Наиболее влиятельные документыНедавность
Машины с постоянным магнитом с осевым потоком для производства микроэнергии
A. Holmes, Guodong Engineering, 917 Hong, K. Pullen Physics
Журнал микроэлектромеханических систем
2005
В этом документе сообщается о разработке, изготовлении и испытаниях электромагнитного генератора с постоянными магнитами с осевым потоком. Генератор содержит полимерный ротор со встроенными постоянными магнитами…
Исследование резонансного микрогенератора
М. Мизуно, Д. Четвинд
Физика
2003
Микрогенераторы, которые могли бы извлекать энергию из окружающей среды привлекательна для питания некоторых типов микросистем. Один из подходов использует механический резонансный элемент для передачи сейсмических…
Design and fabrication of a new vibration-based electromechanical power generator
M. El-hami, P. Glynne-Jones, J. Ross
Physics
2001
Magnetic planar micro generator
Х. Райзигель, О. Кугат, М. Деламар, О. Висс, Х. Ростэн
Физика, инженерия
13-я Международная конференция по твердотельным датчикам, исполнительным механизмам и микросистемам, 2005. Сборник технических статей. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ’05.
2005
Недавно в ЛЭГ совместно с ЛЭТИ был построен прототип электромагнитного генератора с постоянными магнитами с осевым потоком. Планарный генератор /spl phi/ 8 мм состоит из диска с постоянными магнитами…
Оптимизация конструкции микромасштабного генератора с осевым потоком и постоянными магнитами мощностью 8 Вт
D. Arnold, F. Herrault, M. Allen
Инженерия, физика
2006
В этом документе представлены оптимизация конструкции и характеристики микромасштабного генератора с постоянными магнитами (PM), способного подавать 8 Вт мощности постоянного тока на резистивную нагрузку при скорости вращения…
постоянный магнит Планарные микрогенераторы
H. Raisigel, O. Cugat, J. Delamare
Физика
2006
Анализ микроэлектрического генератора. Yates
Инженерия, физика
Proceedings of the International Solid-State Sensors and Actuators Conference — TRANSDUCERS ’95
1995
Подача питания на удаленные микросистемы, которые не имеют физической связи с внешним миром, затруднены, связаны с внешним миром. использование батареек не всегда целесообразно. Решение предлагает предлагаемое устройство…
Разработка электромагнитного микрогенератора
C. Shearwood, R. Yates
Физика, инженерия
1997
Описан электромагнитный микрогенератор на основе плоской и гибкой приемной катушки полиимидная мембрана диаметром 2 мм с прикрепленным магнитом. При больших амплитудах вибрации…
Проектирование резонансного микропоршневого двигателя для производства электроэнергии
Торияма Т., Сугияма С., Хашимото К.
Инженерия, физика
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ’03. 12-я Международная конференция по твердотельным датчикам, исполнительным механизмам и микросистемам. Сборник технических документов (Cat. No.03TH8664)
2003
Разработаны конструкция и характеристики микропоршневого двигателя на основе кремния. В качестве рабочего цикла принят цикл Отто с водородным топливом. Микропоршневой двигатель…
Микроэлектретный электрогенератор
Дж. Боланд, Юань-Хэн Чао, Ю. Судзуки, Ю. Тай
Физика
Шестнадцатая ежегодная международная конференция по микроэлектромеханическим системам, 2003. MEMS-03 Киото. IEEE
2003
Мы представляем первый микромеханический вращающийся электретный генератор энергии, линеаризованную теоретическую модель выработки электретной энергии и новый метод производства однородно заряженного электрета. Мы также…
Микрокамера сгорания и термоэлектрический микрогенератор на основе сжигания
[0029] «Тороидальный» противоточный теплообменник обеспечивает сжигание топливно-воздушных смесей в микромасштабе. Включая термоэлектрические элементы, генерирующие энергию, как часть или все стенки теплообменника, получается устройство микрогенератора. Микроразмерные устройства формируются методом трехмерного микрообработки в монолитном процессе.
[0030] Вид в разрезе тороидальной камеры сгорания 100 показан на фиг. 1а, и открытое поперечное сечение на фиг. 1а более подробно проиллюстрирован на фиг. 1б. Топология камеры сгорания 100 упоминается как тор, используя этот термин в самом общем смысле. Тороид, обычно описываемый как пончик, формально определяется как поверхность, образованная плоской замкнутой кривой, вращаемой вокруг линии, лежащей в той же плоскости, что и кривая, но не пересекающей ее. Таким образом, поперечное сечение камеры сгорания 100 в плоскости, параллельной оси вращения, состоит из двух частей 10а и 10b, которые являются по существу зеркальными отображениями друг друга. Хотя камера сгорания 100 изображена на фиг. 1а и 1b, как имеющие цилиндрическую симметрию, то есть при виде сверху вниз камера 100 сгорания кажется круглой, такая симметрия и форма не требуются. Например, внешние стенки 12 камеры сгорания 100 не обязательно должны быть круглыми, а могут иметь фаски. Таким образом, камера сгорания альтернативно может иметь множество замкнутых форм при виде сверху вниз, включая овал или замкнутый многоугольник, такой как треугольник, квадрат или шестиугольник. Выбор внешней формы может быть продиктован производственными соображениями. Камера сгорания предпочтительно изготавливается из электроосажденного металла, как подробно описано ниже. Следовательно, стенки камеры сгорания электропроводны.
[0031] Камера 100 сгорания включает в себя центральную область 20, которая обычно служит в качестве области сгорания. Газы-реагенты поступают в камеру сгорания 100 через отверстие 30 для газа-реагента и проходят через спиральный канал 32 для газа-реагента, попадая в область сгорания 20 через отверстие 34. Выхлопные газы выходят из области сгорания 20 через отверстие 36 и проходят через спиральный выпускной канал 38 к выпускному отверстию 40. В двойной спиральная или так называемая «швейцарская» конфигурация камеры сгорания 100, каждая внутренняя стенка канала, такая как стенка канала 42, находится в контакте с холодными газами-реагентами, текущими в одном направлении, показанном как направление 32а, с одной стороны, и с горячими выхлопными газами , текущая в обратном направлении, 38а, с другой стороны. Спиральный противоточный теплообменник камеры сгорания 100 значительно снижает тепловые потери в окружающую атмосферу, которые налагают серьезные ограничения на устройства микросжигания с прямыми каналами. Кроме того, в тороидальной топологии отсутствуют открытые концы каналов, которые могли бы стать местом потери тепла в других конфигурациях. Конфигурация позволяет опорной подложке 15, как показано на фиг. 1b, который соприкасается только с самым внешним витком, чтобы он оставался достаточно прохладным, чтобы избежать повреждения от температур горения. Устройство может дополнительно включать теплоизоляционные стойки 14 для дополнительной изоляции от окружающей среды. Альтернативные подходы к тепловой изоляции включают плиту из материала с низкой теплопроводностью, такого как аэрогель, вместо теплоизоляционных свай 14.
[0032] Хотя здесь проиллюстрировано одно отверстие 30 для газа-реагента, камера сгорания 100 альтернативно может иметь несколько отверстий для газа-реагента, расположенных вокруг внешней части камеры сгорания. Количество «витков» реагентного канала и выпускного канала может варьироваться. Кроме того, изменяя количество витков и расположение каналов, можно использовать альтернативное расположение отверстий для реагентов и выпускных отверстий. В одном альтернативном примере центральное отверстие для реагента может быть окружено концентрическим выпускным отверстием, как показано на фиг. 6 ниже.
[0033] Примерные размеры камеры сгорания 100: наружный диаметр d составляет примерно от 2 до 15 мм, а высота h составляет примерно от 1 до 6 мм. Область 20 сгорания имеет характерный размер с или с’ на фиг. 1b, составляет менее примерно 1 мм, в то время как ширина реакционного канала 32 и выпускного канала 38 находится в диапазоне от примерно 100 мкм до примерно 1 мм. Размеры камеры сгорания обычно больше, чем ширина реакционных или выхлопных каналов. Поэтому камеру сгорания 100 называют микрокамерой сгорания, чтобы подчеркнуть ее микромасштаб. Небольшой размер каналов диктует условия работы микрокамеры сгорания, соответствующие низкому числу Рейнольдса, безразмерному параметру, характеризующему течение жидкости, от примерно 5 до 50, что указывает на состояние ламинарного течения.
[0034] В одном варианте осуществления микрокамера сгорания выполнена в виде двух одинаковых или идентичных полутороидов 205, каждый из которых аналогичен вырезанной части, показанной на фиг. 1а. Части собираются вместе с дополнительной перегородкой 210 между двумя половинами, как показано на виде сверху камеры 200 сгорания на ФИГ. 2. Перегородка изготовлена преимущественно из теплоизоляционного и электроизоляционного материала. Используя изолирующую перегородку, две половины могут быть электрически независимыми и не должны быть идеально выровнены друг с другом. Тепловые потери в конфигурации камеры сгорания 200 сведены к минимуму, как и в полной тороидальной конфигурации с вращением на 360 градусов, поскольку две половины согревают друг друга. Хотя на фиг. 2, камера сгорания могла бы альтернативно состоять из множества частичных тороидальных сегментов, соединенных множеством перегородок. Как используется здесь, обычно тороидальная конструкция включает конструкции, имеющие частичные тороидальные сегменты, примыкающие к перегородке, как показано, например, на фиг. 2.
[0035] С настоящими микрокамерами сгорания можно использовать несколько подходов к инициированию горения. Во-первых, камеры сгорания можно нагреть снаружи, например, обмотав их электрическими нагревателями, чтобы зажечь горение. Во-вторых, тонкая проволока, например, из конструкционного материала, из которого изготовлена камера сгорания, может быть предусмотрена для соединения стенок зоны сгорания. Тонкий провод электрически подключен к внешнему источнику питания через проводящие стенки камеры сгорания и резистивно нагревается для воспламенения.
[0036] Когда камера сгорания включает перегородку, как в камере сгорания 200, сама перегородка может использоваться для облегчения воспламенения. В одном варианте осуществления резистивные элементы 215 и электрические провода 216, соединенные с ними, зажаты между электроизоляционным материалом 218, составляющим часть перегородки 210, как показано на фиг. 3. Электроизоляционный материал имеет отверстия 220, совмещенные с областями горения 20, открывая область горения для резистивных элементов. В другом подходе резистивные элементы могут включать в себя выступы с обеих сторон, обычно называемые свечами накаливания, которые частично проходят в тороидальный объем сгорания для облегчения воспламенения. В качестве альтернативы устройства, подобные свечам зажигания, могут проникать в область сгорания, вызывая воспламенение. В дополнительных альтернативах свечи зажигания не обязательно должны быть ограничены перегородкой, а могут быть распределены по камере сгорания.
[0037] Фиг. 4а показан вид в поперечном сечении, аналогичный показанному на фиг. 1b еще один альтернативный подход к воспламенению. Материал с высоким сопротивлением, например никель-хром, выполнен в виде полукольца, показанного в поперечном сечении 22 на фиг. 4а. Предпочтительно вся верхняя поверхность резистивного материала 22 контактирует с проводящим конструкционным металлом камеры сгорания, что обеспечивает обратный путь для тока воспламенения. Противоположная поверхность резистивного материала покрыта тонким слоем конструкционного или другого металла с высокой проводимостью 23, который контактирует с проводником, расположенным в перегородке, через который может быть подан внешний ток. Альтернативно, противоположная поверхность резистивного материала может соприкасаться с электрически изолированной частью тороидальной камеры сгорания, при этом внешний ток проходит через саму камеру сгорания. Используя полукольцо из резистивного материала, можно нагреть весь полутороидальный объем сгорания, чтобы вызвать воспламенение.
[0038] Имеющееся в продаже углеводородное топливо можно использовать с настоящей микрокамерой сгорания. Топливо, которое является жидким при довольно низком давлении хранения и комнатной температуре, но является газообразным при атмосферном давлении и комнатной температуре, является предпочтительным, так как не требуется испарение. Примеры полезных углеводородных топлив включают, но не ограничиваются ими, бутан, пропан и метилацетилен. Кроме того, можно использовать углеводородные топлива специального состава или неуглеводородные топлива, такие как водород и аммиак. Схема горения с рециркуляцией тепла позволяет использовать смеси реагентов, которые не воспламеняются вне камеры сгорания, например бутан, разбавленный углекислым газом. Использование реакционных смесей, не воспламеняющихся на воздухе, обеспечивает отказоустойчивый механизм в случае утечки несгоревших реагентов из камеры сгорания.
[0039] В типичных применениях микрокамера сгорания снабжена миниатюрным топливным баком, который может заполняться из большего бака через обычный клапан, используемый, например, в зажигалках. Обычно окислителем для горения является воздух, хотя в качестве альтернативы можно использовать и другие окислители, например кислород и кислородно-воздушные смеси. Для топлива, хранящегося под давлением, воздух без давления увлекается импульсом потока газообразного топлива, выходящего из топливного бака, так что давление хранения топлива достаточно для обеспечения требуемого потока газа через микрокамеру сгорания. При таком расположении топливо и окислитель обычно хорошо смешиваются только за счет диффузии к тому времени, когда два реагента достигают камеры сгорания. В качестве альтернативы можно использовать специально разработанные конструкции, такие как форсунки для впрыска топлива, для увеличения перемешивания. В другом варианте топливо и окислитель могут впрыскиваться отдельно.
[0040] В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения микрогенератор образован включением термоэлектрических элементов, генерирующих энергию, в качестве части или всех стенок теплообменника для образования термоэлектрической «активной стенки». Термоэлектрические активные стенки 50, образующие части стенок канала, включены в типовые поперечные сечения микрогенератора на фиг. 4а, 5 и 6. Термоэлектрическая активная стенка 50, показанная на фиг. 4а, будет располагаться на месте части стенки канала, обозначенной цифрой 60 на фиг. 1а для формирования микрогенератора. Таким образом, элементы вертикально ориентированных активных стен, где вертикаль определяется ориентацией, показанной на фиг. 4а, 5 и 6, имеют цилиндрическую или полуцилиндрическую форму. В настоящей конструкции чувствительные к температуре термоэлектрические материалы могут использоваться для термоэлектрических элементов путем ограничения термоэлектрической активной стенки более холодной внешней стенкой канала, как показано на фиг. 4а, при этом обеспечивая достаточно высокую температуру для горения в центральной области горения. В большинстве случаев, как на фиг. 5 и 6, термоэлектрические элементы могут быть размещены на нескольких участках стенок канала.
[0041] Благодаря спиральной конструкции теплообменника одна поверхность термоэлектрической активной стенки подвергается воздействию потока холодного газа-реагента, а другая поверхность подвергается воздействию потока горячего отходящего газа. Термоэлектрическая активная стенка, как подробно показано на фиг. 7 включает элементы из термоэлектрического материала 51 n-типа проводимости и элементы 52 из термоэлектрического материала p-типа проводимости, разделенные металлическими ребрами 53. Каждая активная стенка включает в себя несколько последовательно соединенных пар элементов n-типа и p-типа. Ширина термоэлектрических элементов обычно находится в диапазоне от 10 до 100 мкм. Предпочтительно для формирования термоэлектрических элементов используют термоэлектрические материалы, которые могут подвергаться электроосаждению. Бинарное соединение теллурида висмута, в частности Bi2Te3, является полезным материалом n-типа, в то время как тройное соединение, записываемое как Bi2-xSbxTe3, является полезным материалом p-типа. Другие полезные термоэлектрические материалы включают теллурид свинца, антимонид цинка, антимонид кобальта и родственные тройные соединения.
[0042] Ребра 53 предназначены для увеличения перепада температур между термоэлектрическими элементами по сравнению с перепадом температур между термоэлектрическими элементами и реагентом и выхлопными газами. Общая Т-образная форма металлических ребер, показанная на фиг. 7 был разработан Жан-Пьером Флёриалем и Джеффом Снайдером из Лаборатории реактивного движения. Т-образные ребра включают в себя базовую часть 53b и верхнюю часть 53t, расположенные по существу перпендикулярно базовой части, при этом базовая часть вставлена между термоэлектрическими элементами, а верхняя часть проходит в канал реагента с одной стороны, так что реагенты проходят мимо верхнюю часть в направлении 32а. Верхняя часть 53t Т-образных ребер проходит в выпускной канал (правая сторона фиг. 7), так что выхлопные газы проходят мимо верхней части в направлении 38а. Верхние части ориентированы в каналах потока по существу параллельно направлениям 32а и 38а потока. Конфигурация с активной стенкой обеспечивает средства последовательного соединения термоэлектрических элементов n-типа и p-типа с правильно выровненными полярностями, чтобы обеспечить увеличение напряжения на каждом элементе и, таким образом, максимизировать общее выходное напряжение устройства.
[0043] Ребра, включенные в термоэлектрическую активную стенку, служат нескольким целям. Во-первых, базовые части Т-образных металлических ребер действуют как диффузионный барьер между разными термоэлектрическими материалами, чтобы избежать ухудшения термоэлектрической эффективности с течением времени. Во-вторых, и это принципиально, ребра предназначены для увеличения перепада температур между термоэлектрическими элементами по сравнению с перепадом температур между выхлопными газами и термоэлектрическими элементами.
[0044] Поддержание высокого перепада температур между термоэлектрическими элементами важно при интеграции термоэлектрических устройств с микросгоранием. В соответствии с аспектом настоящего изобретения авторы настоящего изобретения определили, что для оптимальных термоэлектрических характеристик отношение высоты H термоэлектрических элементов вдоль стенки канала к ширине W элементов в стенке канала должно быть больше примерно 3:1. Например, ожидается, что соотношение H:W около 8:1 обеспечит отличные термоэлектрические характеристики. Поскольку желательно, чтобы ребра были как можно большего размера, не соприкасаясь друг с другом и защищая термоэлектрические элементы от прямого контакта с газом, соотношение сторон элементов определяет соотношение сторон Т-образных ребер 53. Зазор 54 между плавники должны быть маленькими. Таким образом, без учета зазора общая длина верхней части ребер составляет примерно 2 Н, а ширина нижней части порядка 2 Вт, где расстояние между ребрами и термоэлектрическим элементом порядка W. Таким образом, желаемое отношение длины ребер к ширине порядка отношения H:W.
[0045] Не ограничиваясь какой-либо теорией работы, нижеследующее поясняет соображения конфигурации термоэлектрической активной стенки с точки зрения теплопередачи, в которой преобладает теплопроводность. Проблема поддержания высокого перепада температур ΔT между термоэлектрическими элементами возникает из-за того, что теплопроводность термоэлектрических элементов, kTE, обычно составляет около 1 ватт на метр на градус Кельвина (Вт/мК), что намного выше, чем теплопроводность, кг газов реагентов и выхлопных газов, что обычно составляет порядка 0,03 Вт/мК. Для теплопередачи с преобладанием проводимости, характерной для микромасштабных устройств, работающих при низких числах Рейнольдса, ΔT пропорциональна тепловому сопротивлению X/kA, где X — расстояние проводимости, а A — площадь, подверженная теплопередаче. Следовательно,
ΔTgas-fin:ΔTfin-TE:ΔTTE≈Xas/kgasAfin:Xbase/kfinAbase:XTE/kTEATE.
[0046] Длины проводимости даны Xbase˜W и XTE˜H, а площади, подвергающиеся теплопередаче, равны Afin˜H, Abase˜Y и ATE˜W. Поскольку металлические ребра обычно имеют очень высокую проводимость, примерно от 20 до 100 Вт/мК, в зависимости от металла,
kfin>>kTE>>kgas,
[0047] и, таким образом,
ΔTgas-fin:ΔTfin-TE: ΔTTE≈Xgas/kgasH:0:H/kTEW,
[0048], где проводимостью через воздушные зазоры между ребрами пренебрегают. Следовательно, ΔTгаз-ребр/ΔTTE˜XгазВт/ч3. Поскольку желательно небольшое значение ΔTgas-fin/ΔTTE, которое представляет собой небольшую разницу между газом и термоэлектрическими элементами по отношению к дифференциалу между термоэлектрическими элементами, конструкция активной стенки оптимизируется за счет увеличения высоты элемента H и уменьшения толщина элемента W. Следовательно, выгодно большое соотношение H:W.
[0049] Альтернативные конструкции ребер составляют дополнительные аспекты настоящего изобретения. Альтернативное L-образное ребро 63, состоящее из базовой части 63b и верхней части 63t, расположенных по существу перпендикулярно базовой части, показано на фиг. 8а. Ребро 63 ориентировано таким образом, что верхняя часть L проходит от основания в направлении вверх по потоку с обеих сторон стенки канала. Гибридное ребро 73 показано на фиг. 8б. Гибридное ребро 73 представляет собой асимметричную Т-образную конструкцию, в которой часть верхней части 73t, проходящая от основания 73b в направлении вверх по потоку, длиннее, чем часть верхней части, проходящая в направлении вниз по потоку. Конфигурация L-образных и гибридных ребер выбрана для оптимизации температурного градиента на термоэлектрических элементах и, следовательно, для обеспечения оптимальной мощности и эффективности преобразования. Любая из конструкций ребер может дополнительно включать в себя выступы на их верхних частях, проходящие в потоки газа. Выступы увеличивают площадь поверхности ребер, что увеличивает теплопередачу, но, тем не менее, должны быть уравновешены с учетом влияния давления и, следовательно, потока газа в каналах.
[0050] В конфигурациях микрогенератора, рассмотренных до сих пор, активные стенки 50 ориентированы вертикально. Техника изготовления, предпочтительно используемая для изготовления микрогенератора, обсуждаемая ниже, заключается в построении устройств слой за слоем. Крайне желательно свести к минимуму количество различных материалов, которые должны быть нанесены на каждый слой, что приводит к использованию термоэлектрического материала только на вертикальных стенках, предполагая, что слои горизонтальны. Если используется несколько вертикальных стенок, относительное положение материалов n-типа и p-типа на каждой стенке может быть отрегулировано таким образом, чтобы каждый слой, например слой 85 на фиг. 5 и 6, содержит только один тип. Однако включение термоэлектрического материала на горизонтальные стенки, кроме того, дало бы возможность увеличить мощность и КПД устройств. Термоэлектрические элементы на горизонтальных активных стенках имеют форму шайбы или полушайбы. ИНЖИР. 9показана активная стенка, снабженная L-образными ребрами и расположенными в шахматном порядке термоэлектрическими элементами 81 n-типа и термоэлектрическими элементами 82 p-типа. Ступенчатая конфигурация полезна для горизонтально ориентированных активных стенок, поскольку на любом слое, например на слое 86, максимальное одного типа проводимости термоэлектрического материала должен быть осажден. Хотя ребра 63 L-образной формы показаны на фиг. 9, ступенчатые стенки можно использовать с любой конструкцией ребер. Выше принято вертикальное направление, параллельное оси вращения тороида. Практики поймут применение этих соображений к изготовлению устройств в других ориентациях.
[0051] Согласно другому аспекту настоящего изобретения термоэлектрический материал представляет собой композиционный материал, включающий вторую фазу, состоящую из частиц, обладающих низкой теплопроводностью (изолятор). Для обеспечения наименьшей теплопроводности частицы выполнены полыми, заключающими в себе вакуум, или заполнены газом. Полимеры, стекло или металлические полые микросферы образуют подходящие частицы с низкой теплопроводностью. Альтернативно, частицы могут содержать материалы, подобные аэрогелю. Во всех случаях размер частиц должен быть значительно меньше минимального размера элемента термоэлектрических элементов. Типичные размеры частиц составляют менее примерно 5 мкм. Из-за наличия второй фазы термоэлектрические элементы имеют более низкую общую теплопроводность, что приводит к более высокому перепаду температур ΔTTE на термоэлектрических элементах. Как обсуждалось ранее, желательно высокое значение ΔTTE. Хотя включение изолирующих частиц в термоэлектрический материал также снижает электропроводность, использование композитного термоэлектрического материала все же дает чистую выгоду.
[0052] Электрические межсоединения микрогенератора, включая соединения с внешней частью устройства, используют преимущества конструкции генератора из проводящего материала, чтобы избежать необходимости в дополнительных проводниках, которые было бы трудно интегрировать в микромасштабе. Примеры альтернативных конфигураций электрических соединений показаны на фиг. 4а, 5 и 6, каждая из которых включает в себя отрицательную клемму 110 и положительную клемму 115. Контакт осуществляется с положительной клеммой 115 на фиг. 4а, и с обоими выводами на фиг. 5 через электрический проводник, расположенный в перегородке 210. Контакт может быть установлен с отрицательной клеммой 110 на фиг. 4а или с обоими выводами на фиг. 6 практически в любом месте снаружи генератора. Положения клемм частично зависят от размещения порта газа-реагента и количества обмоток. Конфигурация проводки на фиг. 6 с обеими клеммами снаружи генератора подходит для полностью тороидального генератора без перегородки или для устройства с перегородкой без электрических соединений с термоэлектрическими элементами.
[0053] Монтаж воспламенителя с использованием полукольцевого резистивного материала 22 на фиг. 4а также использует преимущества проводящих структурных стенок. Как показано на схематической диаграмме на фиг. 4b внешний источник 120 питания, который показан как источник питания постоянного тока, но может быть источником постоянного или переменного тока, подключен к тонкому слою конструкционного металла 23 в том месте, где он соприкасается с перегородкой. В этой конфигурации часть конструкции генератора служит как путем тока для выработки электроэнергии, так и для зажигания.
[0054] Поперечное сечение микрогенератора на фиг. 6 включает мост 125, который обеспечивает механическую поддержку конструкции. Перемычка 125 изготовлена из электропроводящего конструкционного материала генератора и, таким образом, также обеспечивает необходимое электрическое соединение. Мост 125 выполнен пористым или состоит из отдельных ламелей для обеспечения свободного прохода газов в камеру сгорания. Поперек стенок канала могут быть предусмотрены мостовые элементы для обеспечения механической поддержки. Элементы моста изготавливаются из проводящего или изоляционного материала в зависимости от конфигурации проводки, при этом необходимо соблюдать осторожность, чтобы не закоротить электрический путь с помощью проводящего моста в неподходящем месте.
[0055] Конфигурации на фиг. 5 и 6 могут включать в себя дополнительные функции для обеспечения воспламенения. В одном из вариантов перемычка 125 на фиг. 6, может быть изготовлен из очень тонкого проводящего материала, который резистивно нагревается для воспламенения. В этом подходе микрогенератор может также включать более толстый биметаллический шунт (не показан), закрепленный на одной стенке 126, который изгибается под действием тепла сгорания, чтобы установить электрический контакт с другой стенкой 127, чтобы обеспечить электрически параллельный путь с более низким сопротивлением. , чем тонкая проволочная перемычка 125. Конфигурация на фиг. 5 может включать в себя искровой разрядник (не показан) между выводами 115 и 110, на который подается высокое напряжение для воспламенения. В качестве альтернативы конструкция может дополнительно включать в себя биметаллический запальник с внешним питанием, соединяющий клеммы 115 и 110. В этом случае нагревательная проволока изгибается, когда она нагревается в результате горения, чтобы разорвать контакт либо с клеммой 115, либо с клеммой 110, оставляя конфигурацию проводки как показано на фиг. 5.
[0056] В микрогенераторе, состоящем из двух или более частичных тороидальных частей, разделенных одной или несколькими изолирующими перегородками, каждая часть может быть электрически независимой. Такое расположение позволяет соединять части последовательно или параллельно, чтобы максимизировать ток или напряжение в зависимости от желаемого применения.
[0057] В альтернативном варианте осуществления микрогенератор состоит из двух полутороидальных частей, разделенных пористой или перфорированной перегородкой, где одна часть без термоэлектрических элементов используется для сжигания, а другая часть, содержащая термоэлектрические элементы, используется для генерации. Участки расположены таким образом, что горячие продукты выхлопа из камеры сгорания направлены на термоэлектрические элементы в генераторной части.
[0058] В еще одном варианте осуществления камера сгорания имеет канал потока с переменной высотой. В тороидальной микрокамере сгорания размер кольцеобразного проточного канала в окружном направлении, далее «ширина», сильно варьируется в зависимости от радиуса. Например, ширина ближайшего к оси вращения вертикального канала может быть в несколько раз меньше по сравнению с самым дальним от этой оси вертикальным каналом. Кроме того, ширина горизонтальных проточных каналов непрерывно изменяется, уменьшаясь в конце каналов по направлению к оси и увеличиваясь в конце каналов вдали от оси. Чтобы хотя бы частично компенсировать изменяющееся сопротивление потоку, создаваемое изменением ширины канала, камера 300 сгорания, показанная на фиг. 10 выполнен таким образом, что высота каналов ближе к оси 305 больше, чем высота каналов ближе к внешней стороне. Для горизонтальных каналов высоты уменьшаются таким образом, что они становятся выше вблизи центра, как показано на фиг. 10. Для термоэлектрических активных стенок, примыкающих к негоризонтальным каналам 310, когда камера сгорания 300 является генератором, активные стенки могут быть спроектированы в ступенчатой конфигурации с элементами 51 n-типа и элементами 52 p-типа каждый в отдельном слое, подходит для микрообработки, как показано на фиг. 11.
[0059] Для получения более высоких уровней мощности, чем может обеспечить один микрогенератор, несколько генераторов могут быть изготовлены на общей подложке. Подложка может быть снабжена проводящими дорожками, которые позволяют конфигурировать массив генераторов электрически последовательно или параллельно, чтобы регулировать выходной ток и напряжение массива.
[0060] Микроустройства по настоящему изобретению предпочтительно изготавливаются в определенных вариантах осуществления с помощью электрохимического процесса изготовления с использованием предварительно сформированных подходящих масок для создания устройств из тонких слоев материалов. Маски позволяют выборочно наносить покрытие на конструкционные материалы (например, металлы) и вспомогательные или жертвенные материалы. Жертвенные материалы осаждаются в промежутках между элементами конструкции, которые могут включать металлы и термоэлектрические материалы, а затем удаляются травлением, плавлением или электролитическим растворением.
[0061] Подходящий процесс электрохимического изготовления для нанесения конструкционного материала и расходуемого материала подробно описан в патенте США No. № 6027630 (далее ‘630) Cohen, который включен сюда в качестве ссылки. Способ включает формирование слоя путем размещения маски, включающей в себя конформный эластомер, на подложке для электроосаждения расходуемого материала на незамаскированных участках, удаления маски и покрытия, электроосаждения конструкционного материала поверх нанесенного расходуемого материала и подложки и выравнивания слоя. Жертвенный материал затем удаляют, т.е. химически. С помощью заранее сформированных масок подходящего рисунка слой за слоем монолитно наращивается устройство. Типичная толщина слоя составляет от примерно 2 до примерно 10 мкм. Как правило, микрогенератор изготавливают с такой ориентацией, когда слои осаждения определяют горизонтальное направление, а ось вращения тороида находится в вертикальном направлении, хотя могут быть выбраны альтернативные ориентации. Изготовление микрогенератора в виде полутороидальных или частично тороидальных сегментов облегчает удаление расходуемого материала.
[0062] Для настоящих микроустройств платина является полезным электроосаждаемым конструкционным металлом, в то время как медь является полезным расходуемым материалом, который можно избирательно удалить из платиновой структуры, например, с помощью травителя, содержащего гидроксид аммония или персульфат натрия. Электрохимическая ванна для осаждения платины, производимая компанией Electroplating Engineers of Japan Ltd. и распространяемая Enthone-OMI как Platinart 100, эффективно используется для получения платины с низким напряжением в качестве конструкционного металла. Альтернативные конструкционные металлы включают никель для частей устройств, удаленных от зоны горения, никель, покрытый тонким слоем устойчивого к коррозии материала, такого как платина, рутений, рений или родий. Альтернативные жертвенные материалы включают хром, железо и цинк.
[0063] Микрокамера сгорания, которая может быть изготовлена из одного конструкционного металла, изготавливается с использованием способа, описанного в патенте ‘630. Для формирования микрогенератора, включающего активные стенки из термоэлектрических элементов, необходимо напыление слоев, содержащих не менее трех материалов: конструкционный металл, жертвенный материал и термоэлектрический материал n-типа или p-типа. Согласно другому аспекту настоящего изобретения электроосаждение трех материалов в одном слое требует использования двух масок, одной «стандартной» маски, как описано ранее, и «безанодной мгновенной маски» (AIM), описанной здесь. 9На фиг. 12а-12з, на которых изображена небольшая часть микрогенератора вблизи одной активной стенки. ИНЖИР. 12а включает в себя стандартную маску, состоящую из узорчатого эластомера 252, прикрепленного к аноду 254 для нанесения расходуемого материала, прижатого к подложке 250. На блок-схемах процесса подложка представляет собой все ранее нанесенные слои. Конформный эластомер 252, прижатый к подложке 250, предотвращает осаждение в областях, в которых конструкционный и термоэлектрический материал будет осаждаться на последующих этапах. Жертвенный материал 256 на фиг. 12b, осаждается из ванны 255 для осаждения, образуя структуру осажденного жертвенного материала на ФИГ. 12в.
[0065] Затем конструкционный металл осаждается с использованием безанодной мгновенной маски. AIM включает в себя эластомер 262 с рисунком (см. фиг. 12d), маскирующий положение, в котором термоэлектрический материал должен быть нанесен на следующем этапе. Узорчатый эластомер прикреплен к неэлектродной опоре 263, изготовленной из непористого материала, который может быть перфорирован, как показано. Перфорация 263а может улучшить равномерность нанесения на подложку. Ванна 265 для осаждения заполняет пространство между подложкой и отдельным анодом 264, как показано на фиг. 12г, а также заполнение перфораций АИМ, если они предусмотрены. Перфорированная АИМ для изготовления полутороидальной части микрогенератора показана в аксонометрии на фиг. 13. Такой АИМ будет использоваться при изготовлении микрогенератора только с одной вертикальной активной стенкой, в то время как АИМ с несколькими узорчатыми эластомерными кольцами будет использоваться, когда необходимо создать несколько вертикальных активных стенок или горизонтальную активную стенку с несколькими парами термоэлектрических элементов. сфабриковано. Часть, включенная в поперечное сечение на фиг. 12d обозначена линиями сечения S-S. Эластомер 262 обычно имеет высоту от примерно 20 до 150 мкм и ширину от примерно 10 до 100 мкм. Характерный размер отверстий 263 составляет примерно от 10 до 200 мкм.
[0066] Возвращаясь к технологическому потоку, конструкционный материал наносится через AIM, как показано на фиг. 12e, откладываясь повсюду на поверхности, за исключением центральной области, защищенной эластомером 262, с образованием структуры, показанной на ФИГ. 12f, включая расходуемый материал 256 и конструкционный материал 266. Наконец, термоэлектрический материал наносится сплошным слоем без использования маски на всю структуру, показанную на фиг. 12f из ванны 275 для осаждения с использованием анода 274, на фиг. 12g, чтобы получить рисунок, показанный на ФИГ. 12ч. В зависимости от конкретного слоя может быть нанесен либо термоэлектрический материал n-типа, либо p-типа, а предпочтительно не оба, что потребовало бы дополнительных этапов маскирования. Затем планаризация удаляет излишки конструкционного и термоэлектрического материала для получения слоя, показанного на фиг. 12i, включая расходуемый материал 256, конструкционный материал 266 и термоэлектрический материал 276. Методы планаризации включают притирку, полировку и химико-механическую полировку.
[0067] В качестве альтернативы можно изменить порядок, в котором наносятся три материала. Например, в альтернативном процессе расходуемый материал осаждается с использованием стандартной маски с последующим осаждением термоэлектрического материала через маску AIM, с рисунком, закрывающим положение, занимаемое конструкционным металлом, с последующим нанесением термоэлектрического материала сплошным слоем. Также могут быть использованы дополнительные изменения порядка электроосаждения материалов.
[0068] Для изготовления конфигурации, включающей воспламенитель из полукольцевого резистивного материала 22, как на фиг. 4а, описанные выше процессы можно комбинировать с процессами изготовления полупроводников. Например, после электроосаждения соответствующего количества слоев часть осажденного материала выборочно вытравливается с помощью фоторезиста с рисунком для определения вытравленной полости. Резистивный материал осаждается в вытравленной полости, при необходимости выравнивается и при необходимости покрывается проводящей гальванической основой. Затем возобновляют послойный процесс электроосаждения.
[0069] Композитные термоэлектрические материалы могут использоваться во всех описанных здесь процессах изготовления. Для получения композиционных термоэлектрических материалов частицы второй фазы с низкой проводимостью могут быть соосаждены во время электроосаждения термоэлектрического материала.
[0070] AIM может быть изготовлен на основе кремниевой пластины с использованием способов и материалов, описанных в патенте ‘630, вместе с обычными методами изготовления полупроводников. Форма из эластомера формируется, например, путем нанесения резиста на подложку, обработки резиста смазкой для формы и последующего покрытия жидким эластомером. Кремниевая пластина прижимается к покрытой эластомером форме, эластомер отверждается для его затвердевания, а кремниевая пластина с присоединенным формованным эластомером отделяется, образуя элемент 262 узорчатого эластомера. Остаточный эластомер, оставшийся после формования, можно удалить реактивным ионным травлением или другими способами. чтобы обнажить силиконовую поверхность, за исключением тех случаев, когда она покрыта эластомерным элементом. Перфорации 263а в опоре 263 могут быть сформированы, если это желательно, например, с использованием фоторезиста, нанесенного поверх эластомера и кремния, и реактивного ионного травления с последующим удалением фоторезиста.
[0071] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения для формирования микрогенератора каждому нанесению термоэлектрического материала предшествует осаждение тонкого барьерного слоя. Барьерный слой полезен для преодоления любой несовместимости между расходуемым материалом и термоэлектрическим материалом. Полезные барьерные материалы включают золото, платину и никель. В технологическом потоке с использованием барьерного слоя расходуемый материал и конструкционный металл осаждаются, как обсуждалось ранее в отношении фиг. 12а-12е. Затем из ванны 285 для осаждения и анода 284 осаждается тонкий барьерный слой, образуя тонкий барьерный слой 286, как показано на фиг. 14а. Слой термоэлектрического материала осаждают на тонкий барьерный слой, как описано выше, и полученный слой выравнивают, как показано на фиг. 14б и 14с. Многократное повторение всей последовательности операций приводит к структуре, показанной на фиг. 15а, в котором каждый термоэлектрический слой отделен от следующего слоя термоэлектрического материала барьерным слоем 286, а стороны 286s многослойного термоэлектрического элемента также покрыты барьерным слоем. ИНЖИР. 15а включает термоэлектрический материал двух типов проводимости, 276 и 277. Слои конструкционного материала составляют узнаваемую часть Т-образного ребра 53, показанного слева от термоэлектрического материала, и части верхних частей 53t, разделенные зазором. , показанный справа от термоэлектрического материала. Структура жертвенного материала после травления показана на фиг. 15б. Наконец, материал барьерного слоя на внешней стороне термоэлектрического материала 286s, подвергающийся воздействию открытого пространства в устройстве, вытравливается для предотвращения короткого замыкания термоэлектрических элементов, как показано на фиг. 15в.
[0072] Хотя настоящее изобретение было описано с точки зрения конкретных материалов и структур, это описание является только примером применения изобретения. Различные приспособления и модификации раскрытых структур и процессов рассматриваются в объеме изобретения, как определено следующей формулой изобретения.
Характеристика пьезоэлектрического микрогенератора для сбора энергии
Авторы: Хосе Э. К. Соуза,
Марсио Фонтана,
Антонио Си Си Лима
Резюме:
В данной статье представлен анализ и характеристика
пьезоэлектрический микрогенератор для сбора энергии. Был разработан недорогой экспериментальный образец для работы в качестве
пьезоэлектрический микрогенератор в лаборатории. Входное ускорение
9,8 м/с2 с использованием синусоидального сигнала (полное напряжение: 1 В, смещение
напряжение: 0 В) при частотах от 10 Гц до 160 Гц.
максимальная средняя мощность 432,4 мкВт (линейное положение массы =
25 мм) и средней мощностью 543,3 мкВт (угловое положение массы
= 35°). Эти многообещающие результаты показывают, что прототип может быть
рассматривается для применения нагрузки с низким потреблением энергии
уборочный микрогенератор.
Ключевые слова: пьезоэлектрический,
микрогенератор,
сбор энергии,
консольная балка.
Цифровой идентификатор объекта (DOI): doi.org/10.5281/zenodo.1340554
ProcediaAPABibTeXChicagoEndNoteHarvardJSONMLARISXMLISO 690PDF
Загрузок 681
Ссылки:
[1] X. Zhang, J. Fang, F. Meng e X. Wei, Новое беспроводное устройство с автономным питанием
Сенсорный узел на основе сбора энергии механической вибрации
Мониторинг, Hindawi Publishing Corporation, p. 5, 2014.
[2] H. Liu, C. Quan, C.J. Tay, T. Kobayashi and C. Lee, ”A MEMS-based
пьезоэлектрический кантилевер с тонкопленочной матрицей PZT для сбора урожая
энергия низкочастотной вибрации», Physics Procedia, vol. 19, с.
129-133, 2011.
[3] Р. Оликино, С. Ислам, Х. Эрен, Влияние типов неисправностей на генератор.
Вибрационные сигнатуры, в: Энергетика австралийских университетов.
Конференция, 2003: стр. 16.
[4] Ф. Аль-Бадур, М. Сунар и Л. Чедед, Анализ вибрации вращающихся
машинное оборудование, использующее частотно-временной анализ и вейвлет-методы,
Механические системы и обработка сигналов, том. 25, стр. 2083-2101,
2011.
[5] JK Sinha и K. Elbhbah, Будущая возможность вибрации на основе
мониторинг состояния вращающихся машин, механических систем и
Обработка сигналов, том. 34, стр. 231-240, 2012.
[6] П. Поддера, А. Аманн и С. Рой, Бистабильная электромагнитная микромощность.
генератор на основе FR4, Sensors and Actuators A: Physical, vol. 227,
стр. 39-47, 2015.
[7] Р. Морайса, Н. Силва, П. Сантос, К. Фриас, Дж. Феррейра, А. Рамос, Дж. Симесд
е Дж. а. М. Рейзе, Генератор вибрации с постоянными магнитами как
встроенный механизм для интеллектуального протеза бедра, Procedia Engineering,
об. 5, стр. 766-769, 2012.
[8] С. Раунди, Э. Леланд, Дж. Бейкер, Э. Карлтон, Э. Рейли, Э. Лай, Б. Отис,
Дж. Рабей, П. Райт и В. Сундарараджан, Повышение выходной мощности для
поглотители энергии на основе вибрации, IEEE Pervasive Computing, vol. 4,
2005.
[9] С. Раунди, П. К. Райт и Дж. Рабей, Исследование низкоуровневых вибраций как
источник питания для беспроводных сенсорных узлов, компьютерных коммуникаций,
об. 26, стр. 1131-1144, 2003.
[10] С. Раунди и П. К. Райт, Пьезоэлектрический вибрационный генератор для
беспроводная электроника, Умные материалы и конструкции, т. 1, с. 3, с. 5, 2004.
[11] Б. Пкосавски, П. Красиски и А. Напиральски, Схемы обработки мощности.
для узлов беспроводных датчиков, использующих энергию, полученную от механических
вибрации, em Материалы 18-й Международной конференции Mixed
Дизайн интегральных схем и систем — MIXDES 2011, Гливице,
Польша, 2011.
[12] С. Т. Шерман, П. К. Райт и Р. М. Уайт, Валидация и тестирование
пьезоэлектрический датчик тока на постоянных магнитах MEMS с вибрацией
отмена, Датчики и приводы A: Physical, vol. 248, стр. 206-2013,
2016.
[13] Х.-р. Чен, Т.-к. Ян, В. Ван и С. Яо, Сбор энергии вибрации
с прижимной пьезоэлектрической круглой диафрагмой, Elsevier: Ceramics
Международный, том. 38, стр. 271 — 274, 2011.
[14] В.-Дж. Ву, Ю.-Ф. Чен, Ю.-Ю. Чен, К.-С. Ван е Ю.-Х. Чен, Смарт
Беспроводная сенсорная сеть, работающая от случайных вибраций окружающей среды, em
Международная конференция IEEE по системам, Ман, Тайбэй, Тайвань, 2006 г.
[15] Н. Мохаджер и М. Махджуб, Моделирование и электрическая оптимизация
Разработанная система сбора энергии вибрации на пьезоэлектрической основе,
em Международная конференция RSI/ISM по робототехнике и мехатронике,
Тегаран, 2013.}