Микроэнергетика

Микроэнергетика означает использование очень маленьких электрических генераторов и первичных двигателей или устройств для преобразования тепла или движения в электричество для использования рядом с генератором. ^[1] Генератор обычно интегрирован с микроэлектронными устройствами и выдает «несколько ватт мощности или меньше». ^[2] Эти устройства обещают стать источником питания для портативных электронных устройств , который имеет меньший вес и более длительное время работы, чем батареи.

Микротурбинная техника

Компоненты любого газотурбинного двигателя — газовый компрессор , камера сгорания и ротор турбины — изготавливаются из травленого кремния , подобно интегральным схемам . Эта технология обещает в десять раз увеличить время работы батареи того же веса, что и микроэнергетический агрегат, и обеспечить такую же эффективность, как у больших газовых турбин . Исследователям из Массачусетского технологического института на данный момент удалось изготовить детали для такой микротурбины из шести вытравленных и сложенных друг на друга кремниевых пластин, и они работают над объединением их в работающий двигатель размером примерно с четверть монеты США. ^[3]

Исследователи из Технологического института Джорджии создали микрогенератор шириной 10 мм, который вращает магнит над массивом катушек, изготовленных на кремниевом чипе. Устройство вращается со скоростью 100 000 оборотов в минуту и вырабатывает 1,1 Вт электрической мощности , достаточной для работы сотового телефона . Их цель — произвести мощность от 20 до 50 Вт, достаточную для питания портативного компьютера. ^[4]

Ученые из Университета Лихай разрабатывают генератор водорода на кремниевом чипе, который сможет преобразовывать метанол , дизельное топливо или бензин в топливо для микродвигателя или миниатюрного топливного элемента. ^[5]

Профессор Санджив Мукерджи с химического факультета Северо-Восточного университета разрабатывает топливные элементы для военных, которые будут сжигать водород для питания портативного электронного оборудования, такого как очки ночного видения, компьютеры и коммуникационное оборудование. В его системе картридж с метанолом будет использоваться для производства водорода для работы небольшого топливного элемента в течение 5000 часов. Он будет легче, чем перезаряжаемые батареи, необходимые для обеспечения той же выходной мощности и более длительного времени работы. Подобная технология может быть улучшена и расширена в будущем для использования в автомобилях. ^[6]

Национальный академий национальных исследовательский совет рекомендовал в отчете 2004 года, что армия США должна изучить такие источники микроэнергии для питания электронного оборудования, которое будут носить солдаты в будущем, поскольку батареи, достаточные для питания компьютеров, датчиков и устройств связи, добавят значительные вес для бремени солдат -пехотинцев . ^[7]

Концепция Future Warrior армии США предусматривает использование микротурбины мощностью от 2 до 20 Вт, работающей на жидком углеводороде, для питания средств связи и носимого оборудования для обогрева/охлаждения в течение шести дней на 10 унциях топлива. ^[8]

Другие технологии микрогенераторов/наногенераторов

Профессор Орест Симко с физического факультета Университета Юты и его студенты разработали термоакустическое пьезоэлектрическое преобразование энергии (TAPEC), устройства размером кубический дюйм (16 кубических сантиметров) или около того, которые преобразуют отходящее тепло в акустический резонанс, а затем в электричество. Он будет использоваться для питания микроэлектромеханических систем или МЭМС. Исследование финансировалось армией США. Симко должен был представить доклад в Акустическом обществе Америки . ^[9] 8 июня 2007 г. В 2005 году исследователи из Массачусетского технологического института разработали первый микромасштабный пьезоэлектрический сборщик энергии с использованием тонкой пленки ЦТС. ^[10] Арман Хаджати и Санг-Гук Ким изобрели сверхширокополосное микро-пьезоэлектрическое устройство для сбора энергии, используя нелинейную жесткость резонатора микроэлектромеханических систем (МЭМС) с двойным зажимом. Деформация растяжения в дважды зажатой балке демонстрирует нелинейную жесткость, которая обеспечивает пассивную обратную связь и приводит к резонансу моды Дуффинга с ужесточением амплитуды. ^[11]

Профессор Чжун Линь Ван из Технологического института Джорджии сообщил, что его группа исследователей разработала «генератор нанометрового масштаба… на основе массивов вертикально выровненных из оксида цинка нанопроволок , которые движутся внутри «зигзагообразного» пластинчатого электрода ». Встроенное в обувь, оно могло генерировать электричество при ходьбе для питания небольших электронных устройств. Он также может питаться от кровотока для питания биомедицинских устройств. ^[12] Согласно описанию устройства, опубликованному в журнале Science , изгиб массивов нанопроволок из оксида цинка создает электрическое поле за счет пьезоэлектрических свойств материала. Полупроводниковые свойства устройства создают барьер Шоттки с выпрямляющими возможностями. По оценкам, эффективность генератора составляет от 17% до 30% при преобразовании механического движения в электричество. Это может быть использовано для питания биомедицинских устройств, которые имеют возможность беспроводной передачи данных и управления. ^[13] Более поздняя разработка заключалась в выращивании сотен таких нанопроволок на подложке, которая выполняла функцию электрода. Поверх него был помещен кремниевый электрод, покрытый рядом платиновых выступов. Вибрация верхнего электрода вызывала генерацию постоянного тока. ^[14] Отчет Вана должен был появиться в номере журнала «Nano Letters» от 8 августа 2007 года, в котором говорилось, что такие устройства могут питать имплантируемые биомедицинские устройства. Устройство будет питаться от текущей крови или бьющегося сердца. Он мог бы функционировать при погружении в жидкости организма и получать энергию от ультразвуковых колебаний. ^[15] Ван ожидает, что совокупность устройств сможет производить 4 Вт на кубический сантиметр. ^[16] Целями дальнейшей разработки являются повышение эффективности массива нанопроводов и увеличение срока службы устройства, которое по состоянию на апрель 2007 года составляло всего около одного часа. ^[17] К ноябрю 2010 года Ван и его команда смогли создать напряжение в 3 вольта и ток до 300 наноампер — уровень выходного сигнала в 100 раз выше, чем это было возможно годом ранее, из массива размером примерно 2 на 1,5 см. ^[18]

Windbelt — это микроэнергетическая технология , изобретенная Шоном Фрейном. По сути, это эолова арфа , за исключением того, что она использует движение струны, создаваемое аэроупругим трепетанием, для создания физических колебаний, которые можно преобразовать в электричество. Это позволяет избежать потерь, присущих вращающимся ветряным генераторам. Прототипы производили 40 милливатт при скорости ветра 16 км/ч. Магниты на вибрирующей мембране генерируют токи в неподвижных катушках. ^[19]^[20]

Пьезоэлектрические нановолокна в одежде могут генерировать достаточно электричества от движений тела пользователя для питания небольших электронных устройств, таких как iPod или некоторого электронного оборудования, используемого солдатами на поле боя, согласно исследованиям Калифорнийского университета в Беркли профессора Ливэя Линя и его команды. . Один миллион таких волокон мог бы питать iPod, а их размер был бы размером с песчинку. Исследователи из Стэнфордского университета разрабатывают «eTextiles» — тканевые батареи, которые могут служить для хранения энергии, вырабатываемой с помощью такой технологии. ^[21]

Технология теплового резонатора позволяет генерировать электроэнергию за счет ежедневного изменения температуры, даже когда нет мгновенной разницы температур, необходимой для термоэлектрической генерации, и солнечного света, необходимого для фотоэлектрической генерации. Выбран материал с фазовым переходом, такой как октадекан , который может переходить из твердого состояния в жидкое при изменении температуры окружающей среды на несколько градусов Цельсия. В небольшом демонстрационном устройстве, созданном профессором химического машиностроения Майклом Страно и семью другими сотрудниками Массачусетского технологического института , ежедневное изменение температуры на 10 градусов по Цельсию давало 350 милливольт и 1,3 милливатт. Предусмотренные уровни мощности могут обеспечить питание датчиков и устройств связи. ^[22]^[23]

См. также

Ссылки

^ «Определение микроэнергетики — Словарь — MSN Encarta» . Архивировано из оригинала 3 декабря 2009 г. Проверено 10 ноября 2010 г. Словарь MSN Encarta. Проверено 10 ноября 2010 г.
^ Брэндон, Эрик Дж., «Микроэнергетика и микроустройства: материалы Международного симпозиума», The Electrochemical Society, Inc., 2003, стр. iii. ISBN 1-56677-387-3
^ [1] «Двигатель на чипе обещает улучшить батарею», ScienceDaily, просмотрено 20 сентября 2006 г.
^ [2] «Микрогенератор Технологического института Джорджии может питать электронику», ScienceDaily, 25 января 2005 г., просмотрено 20 сентября 2006 г.
^ [3] «Электростанция на чипе? Для ученых Лихай это немаловажное дело», ScienceDaily, 24 сентября 2001 г., просмотрено 20 сентября 2006 г.
^ [4] «Военные смотрят на северо-восточного профессора в поисках будущего, основанного на топливных элементах». ScienceDaily, 22 апреля 2004 г., Источник: Северо-Восточный университет. получено 24 января 2007 г.
^ [5] «Новые источники энергии необходимы солдату будущего», ScienceDaily, 13 сентября 2004 г., просмотрено 20 сентября 2006 г.
^ «Концепция будущего воина» . Архивировано из оригинала 25 июля 2012 г. Проверено 5 июня 2012 г. Исследование солдат Армей Натик США, «Концепция воина будущего». получено 20 июня 2007 г.
^ [6] Пресс-релиз от 4 июня 2007 г., Университет Юты. получено 25 июля 2007 г.
^ Чон, Ю.Б.; Суд, Р.; Ким, С.-Г. (2005). «МЭМС-генератор с тонкопленочным ЦТС поперечной моды». Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 122 (1): 16–22. Бибкод : 2005SeAcA.122...16J . дои : 10.1016/j.sna.2004.12.032 .
^ Сбор пьезоэлектрической энергии со сверхширокой полосой пропускания. Архивировано 15 мая 2016 г. в Португальском веб-архиве.
^ [7] Атланта, Джорджия, 5 апреля 2007 г. Из истории (UPI). получено 25 июля 2007 г.
^ Ван, Чжун Линь; Сун, Цзиньхуэй (2006). «Пьезоэлектрические наногенераторы на основе массивов нанопроволок из оксида цинка» (PDF) . Наука . 312 (5771): 242–246. Бибкод : 2006Sci...312..242W . дои : 10.1126/science.1124005 . ПМИД 16614215 . S2CID 4810693 .
^ [8] «Миниатюрные электростанции, которые можно использовать в крошечных устройствах». Рубрика «Science Times». New York Times , страница D1, 10 апреля 2007 г., получено 25 июля 2007 г.
^ [9] Атланта, Джорджия, 19 июля 2007 г. Из истории (UPI). получено 25 июля 2007 г.
^ [10] Тун, Джон «Наногенератор обеспечивает непрерывную электроэнергию. Устройство собирает энергию из окружающей среды для обеспечения постоянного тока». Пресс-релиз, Технологический институт Джорджии, 5 апреля 2007 г. Получено 25 июля 2007 г.
^ [11] «Наногенератор, питаемый вибрациями. Массив нанопроволок из оксида цинка, который генерирует ток при вибрации ультразвуковыми волнами, может обеспечить новый способ питания биологических датчиков и наноустройств». Обзор технологий . Массачусетский технологический институт . 5 апреля 2007 г. получено 25 июля 2007 г.
^ [12] «Наногенераторы становятся достаточно мощными, чтобы питать небольшие обычные электронные устройства». ScienceDaily. Получено 10 ноября 2010 г. с https://www.sciencedaily.com/releases/2010/11/101108151416.htm .
^ «Виндбелт — Энергетика третьего мира — Ветрогенератор — Видео — Награды за прорыв — Популярная механика» . Архивировано из оригинала 4 апреля 2008 г. Проверено 18 июня 2008 г. Уорд, Логан «Windbelt, дешевая альтернатива генератору, готовая к власти в третьем мире; Награды за прорыв 2007 года; Новаторы: Шон Фрейн» Popular Mechanics , ноябрь 2007 г. Проверено 18 июня 2008 г.
^ Технология Windbelt. Архивировано 21 октября 2007 г. в Wayback Machine.
^ [13] Сюй, Тиффани: «Однажды ваши штаны смогут включить ваш iPod». Los Angeles Times, перепечатано в Chicago Tribune, 20 мая 2010 г. Проверено 20 мая 2010 г.
^ «Система получает энергию от ежедневных колебаний температуры», Массачусетский технологический институт, ScienceDaily, 15 февраля 2018 г. [14]
^ Антон Л. Коттрилл, Альберт Тяньсян Лю, Юичиро Кунаи, Владимир Б. Коман, Амир Каплан, Саяли Г. Махаджан, Пингвэй Лю, Обри Р. Толанд, Майкл С. Страно.»Материалы со сверхвысокой теплопроводностью для резонансной окружающей среды сбор энергии». Природные коммуникации, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038/s41467-018-03029-x

Внешние ссылки

[1] «Определение микроэнергетики — Словарь — MSN Encarta» . Архивировано из оригинала 3 декабря 2009 г. Проверено 10 ноября 2010 г. Словарь MSN Encarta. Проверено 10 ноября 2010 г.

[2] Брэндон, Эрик Дж., «Микроэнергетика и микроустройства: материалы Международного симпозиума», The Electrochemical Society, Inc., 2003, стр. iii. ISBN 1-56677-387-3

[3] [1] «Двигатель на чипе обещает улучшить батарею», ScienceDaily, просмотрено 20 сентября 2006 г.

[4] [2] «Микрогенератор Технологического института Джорджии может питать электронику», ScienceDaily, 25 января 2005 г., просмотрено 20 сентября 2006 г.

[5] [3] «Электростанция на чипе? Для ученых Лихай это немаловажное дело», ScienceDaily, 24 сентября 2001 г., просмотрено 20 сентября 2006 г.

[6] [4] «Военные смотрят на северо-восточного профессора в поисках будущего, основанного на топливных элементах». ScienceDaily, 22 апреля 2004 г., Источник: Северо-Восточный университет. получено 24 января 2007 г.

[7] [5] «Новые источники энергии необходимы солдату будущего», ScienceDaily, 13 сентября 2004 г., просмотрено 20 сентября 2006 г.

[8] «Концепция будущего воина» . Архивировано из оригинала 25 июля 2012 г. Проверено 5 июня 2012 г. Исследование солдат Армей Натик США, «Концепция воина будущего». получено 20 июня 2007 г.

[9] [6] Пресс-релиз от 4 июня 2007 г., Университет Юты. получено 25 июля 2007 г.

[10] Чон, Ю.Б.; Суд, Р.; Ким, С.-Г. (2005). «МЭМС-генератор с тонкопленочным ЦТС поперечной моды». Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 122 (1): 16–22. Бибкод : 2005SeAcA.122...16J . дои : 10.1016/j.sna.2004.12.032 .

[11] Сбор пьезоэлектрической энергии со сверхширокой полосой пропускания. Архивировано 15 мая 2016 г. в Португальском веб-архиве.

[12] [7] Атланта, Джорджия, 5 апреля 2007 г. Из истории (UPI). получено 25 июля 2007 г.

[13] Ван, Чжун Линь; Сун, Цзиньхуэй (2006). «Пьезоэлектрические наногенераторы на основе массивов нанопроволок из оксида цинка» (PDF) . Наука . 312 (5771): 242–246. Бибкод : 2006Sci...312..242W . дои : 10.1126/science.1124005 . ПМИД 16614215 . S2CID 4810693 .

[14] [8] «Миниатюрные электростанции, которые можно использовать в крошечных устройствах». Рубрика «Science Times». New York Times , страница D1, 10 апреля 2007 г., получено 25 июля 2007 г.

[15] [9] Атланта, Джорджия, 19 июля 2007 г. Из истории (UPI). получено 25 июля 2007 г.

[16] [10] Тун, Джон «Наногенератор обеспечивает непрерывную электроэнергию. Устройство собирает энергию из окружающей среды для обеспечения постоянного тока». Пресс-релиз, Технологический институт Джорджии, 5 апреля 2007 г. Получено 25 июля 2007 г.

[17] [11] «Наногенератор, питаемый вибрациями. Массив нанопроволок из оксида цинка, который генерирует ток при вибрации ультразвуковыми волнами, может обеспечить новый способ питания биологических датчиков и наноустройств». Обзор технологий . Массачусетский технологический институт . 5 апреля 2007 г. получено 25 июля 2007 г.

[18] [12] «Наногенераторы становятся достаточно мощными, чтобы питать небольшие обычные электронные устройства». ScienceDaily. Получено 10 ноября 2010 г. с https://www.sciencedaily.com/releases/2010/11/101108151416.htm .

[19] «Виндбелт — Энергетика третьего мира — Ветрогенератор — Видео — Награды за прорыв — Популярная механика» . Архивировано из оригинала 4 апреля 2008 г. Проверено 18 июня 2008 г. Уорд, Логан «Windbelt, дешевая альтернатива генератору, готовая к власти в третьем мире; Награды за прорыв 2007 года; Новаторы: Шон Фрейн» Popular Mechanics , ноябрь 2007 г. Проверено 18 июня 2008 г.

[20] Технология Windbelt. Архивировано 21 октября 2007 г. в Wayback Machine.

[21] [13] Сюй, Тиффани: «Однажды ваши штаны смогут включить ваш iPod». Los Angeles Times, перепечатано в Chicago Tribune, 20 мая 2010 г. Проверено 20 мая 2010 г.

[22] «Система получает энергию от ежедневных колебаний температуры», Массачусетский технологический институт, ScienceDaily, 15 февраля 2018 г. [14]

[23] Антон Л. Коттрилл, Альберт Тяньсян Лю, Юичиро Кунаи, Владимир Б. Коман, Амир Каплан, Саяли Г. Махаджан, Пингвэй Лю, Обри Р. Толанд, Майкл С. Страно.»Материалы со сверхвысокой теплопроводностью для резонансной окружающей среды сбор энергии». Природные коммуникации, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038/s41467-018-03029-x

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]