Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья о технологии, относящейся к генерированию, хранению или использованию чрезвычайно малых количеств энергии. Для британского издателя видеоигр см. Micro Power .

Micropower описывает 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 интегрируется с микроэлектронными устройствами и производит «несколько ватт или меньше». [2] Эти устройства обещают стать источником питания для портативных электронных устройств, который имеет меньший вес и более продолжительное время работы, чем батареи.

Технология микротурбин [ править ]

Компоненты любого газотурбинного двигателя - газовый компрессор , камера сгорания и ротор турбины - изготовлены из протравленного кремния , как и интегральные схемы . Эта технология обещает в десять раз большее время работы батареи того же веса, что и микромощный блок, и аналогичную эффективность больших газовых турбин общего пользования . Исследователи из Массачусетского технологического институтак настоящему времени удалось изготовить детали для такой микротурбины из шести протравленных и уложенных друг на друга кремниевых пластин и работают над объединением их в работающий двигатель размером примерно с четверть монеты США . [3]

Исследователи из Технологического института Джорджии построили микрогенератор шириной 10 мм, который вращает магнит над массивом катушек, изготовленных на кремниевом чипе. Устройство вращается со скоростью 100000 оборотов в минуту, и производит 1,1 Вт от электрической энергии , достаточных для работы сотового телефона . Их цель - производить от 20 до 50 Вт, достаточную для питания портативного компьютера. [4]

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

Профессор Санджив Мукерджи из 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 на срок до 5000 часов. Он будет легче, чем аккумуляторные батареи, необходимые для обеспечения такой же выходной мощности и более длительного времени работы. В будущем подобная технология может быть улучшена и расширена для использования в автомобилях. [6]

В национальных академиях Национальный исследовательский совет рекомендовал в докладе за 2004 год , что армия США должна расследовать такие источники MICROPOWER для питания электронного оборудования , подлежащая перевозке солдат в будущем, с момента батарей достаточных для питания устройства компьютеров, датчиков и связей добавили бы значительными вес к ноше солдат пехоты . [7]

Концепция будущего воина армии США предусматривает использование микротурбины мощностью от 2 до 20 Вт, работающей на жидком углеводороде, для питания средств связи и переносного оборудования для обогрева / охлаждения на срок до шести дней на 10 унциях топлива. [8]

Другие технологии микрогенераторов / наногенераторов [ править ]

Профессор Орест Симко с факультета физики Университета штата Юта и его студенты разработали термоакустическое преобразование пьезоэнергии (TAPEC), устройства объемом около 16 кубических сантиметров, которые преобразуют отходящее тепло в акустический резонанс, а затем в электричество. Он будет использоваться для питания микроэлектромеханических систем или MEMS. Исследование финансировалось армией США. Симко должен был выступить с докладом в Американском акустическом обществе . [9] 8 июня 2007 г. В 2005 г. исследователи из Массачусетского технологического института разработали первый микромасштабный пьезоэлектрический накопитель энергии с использованием тонкопленочного PZT. [10]Арман Хаджати и Санг-Гук Ким изобрели сверхширокополосное пьезоэлектрическое устройство для сбора энергии в микромасштабе, используя нелинейную жесткость резонатора микроэлектромеханических систем (MEMS) с двойным зажимом . Деформация растяжения в дважды зажатой балке демонстрирует нелинейную жесткость, которая обеспечивает пассивную обратную связь и приводит к усиленному по амплитуде резонансу моды Дуффинга. [11]

Профессор Чжун Линь Ван из Технологического института Джорджии сказал, что его группа исследователей разработала «генератор нанометрового масштаба ... на основе массивов вертикально ориентированных нанопроволок оксида цинка, которые движутся внутри« зигзагообразного »пластинчатого электрода ». Встроенный в обувь, он может генерировать электричество при ходьбе для питания небольших электронных устройств. Он также может питаться от кровотока для биомедицинских устройств. [12] Согласно описанию устройства, опубликованному в журнале Science , изгиб массивов нанопроволок оксида цинка создает электрическое поле за счет пьезоэлектрических свойств материала. полупроводникаСвойства устройства создают барьер Шоттки с выпрямляющими свойствами. По оценкам, эффективность генератора в преобразовании механического движения в электричество составляет от 17% до 30%. 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 функционировала как электрод. Поверх этого был помещен кремниевый электрод, покрытый серией платиновых гребней. Вибрация верхнего электрода вызвала 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 могло питаться от текущей крови или от бьющегося сердца. Он мог функционировать, будучи погруженным в жидкости организма, и получал энергию от ультразвуковых колебаний. [15] Ван ожидает, что массив устройств может производить 4 Вт на кубический сантиметр. [16] Целями дальнейшего развития являются повышение эффективности массива нанопроволок и увеличение срока службы устройства, который по состоянию на апрель 2007 года составлял всего около одного часа. [17]К ноябрю 2010 года Ван и его команда смогли произвести 3 вольта потенциала и до 300 наноампер тока, что в 100 раз больше, чем было возможно годом ранее, из массива размером примерно 2 см на 1,5 см. [18]

Windbelt является микроэнергетика технология изобретена Shawn Фрейн. По сути, это эоловая арфа , за исключением того, что она использует движение струны, создаваемое аэроупругим флаттером, для создания физических колебаний, которые могут быть преобразованы в электричество. Это позволяет избежать потерь, присущих вращающимся ветрогенераторам. 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 владельца для питания небольших электронных устройств, таких как iPod, или некоторого электронного оборудования, используемого солдатами на поле боя, согласно исследованиям Калифорнийского университета, профессора Ливей Линь и его команды. . Один миллион таких волокон может привести iPod в действие, а в целом будет размером с песчинку. Исследователи из Стэнфордского университета разрабатывают «eTextiles» - тканевые батареи, которые могут служить для хранения энергии, генерируемой такой технологией. [21]

Технология теплового резонатора позволяет генерировать энергию за счет ежедневного изменения температуры, даже когда нет мгновенной разницы температур, необходимой для термоэлектрической генерации, и нет солнечного света, необходимого для фотогальванической генерации. Выбирается 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 химической инженерии Майклом Страно и семью другими специалистами Массачусетского технологического института , ежедневное изменение температуры на 10 градусов по Цельсию производило 350 милливольт и 1,3 милливатта. Предусмотренные уровни мощности могут включать датчики и устройства связи. [22] [23]

См. Также [ править ]

  • Аккумулятор (электричество)
  • Сотовый телефон
  • Электрический генератор
  • Электроника
  • Топливная ячейка
  • Газовая турбина
  • Ступица динамо
  • Интегральные схемы
  • Ноутбук
  • Микроэлектроника
  • Микроэлектромеханические системы
  • Применение портативных топливных элементов
  • Ветрозащитный пояс
  • Наногенератор

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2009-12-03 . Проверено 10 ноября 2010 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )Словарь MSN Encarta. Проверено 10 ноября 2010 г.
  2. ^ Https://books.google.com/books?id=M74FAswC1F0C&pg=PR3&lpg=PR3&dq=micropower&source=bl&ots=EkTQ4lZDTR&sig=C8E9-5WRL1jm4QY187GsAZJ2dhQ&hl=en&sa=X&ved=0ahUKEwiIl-fQosHXAhWLgVQKHXZ5Ac84FBDoAQhAMAQ#v=onepage&q=micropower&f=false ] Brandon, Эрик Дж., «Микроэнергетика и микроприборы: материалы международного симпозиума», Электрохимическое общество, Inc., 2003 г., стр. Iii. ISBN 1-56677-387-3 
  3. ^ [1] "Двигатель на микросхеме обещает превзойти батарею", ScienceDaily, просмотрено 20.09.2006.
  4. ^ [2] «Микрогенератор Технологического института Джорджии может питать электронику», ScienceDaily, 25.01.2005, просмотрено 20.09.2006.
  5. ^ [3] «Электростанция на микросхеме? Это немаловажное дело для ученых из Лихай», ScienceDaily, 24.09.2001, просмотрено 20.09.2006.
  6. ^ [4] «Военные надеются на северо-восточного профессора на будущее, основанное 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, 13.09.2004, просмотрено 20.09.2006.
  8. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2012-07-25 . Проверено 5 июня 2012 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )США. Армей Нэтик. Исследование солдата, «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. ^ Jeon, YB; Sood, R .; Ким, С.-Г. (2005). «Электрогенератор MEMS с поперечной модой тонкопленочного PZT». Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 122 : 16–22. DOI : 10.1016 / j.sna.2004.12.032 .
  11. ^ Сверхширокополосный сбор пьезоэлектрической энергии. 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; Песня, Цзиньхуэй (2006). «Пьезоэлектрические наногенераторы на основе массивов нанопроволок оксида цинка» (PDF) . Наука . 312 (5771): 242–246. Bibcode : 2006Sci ... 312..242W . DOI : 10.1126 / science.1124005 . PMID 16614215 .  
  14. ^ [8] «Крошечные электростанции с потенциальным использованием в крошечных устройствах». Колонка "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] Мульт, Джон «Наногенератор обеспечивает непрерывную электрическую энергию. 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 . 05 апреля 2007 г. получено 25 июля 2007 г.
  18. ^ [12] «Наногенераторы становятся достаточно мощными, чтобы приводить в действие небольшие обычные электронные устройства». ScienceDaily. Получено 10 ноября 2010 г. с сайта https://www.sciencedaily.com/releases/2010/11/101108151416.htm.
  19. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2008-04-04 . Проверено 18 июня 2008 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )Ward, Logan "Windbelt," Дешевая альтернатива генераторам, установленный для работы в странах третьего мира "; Награды за прорыв 2007 года; The Innovators: Shawn Frayne" Popular Mechanics " , ноябрь 2007 г. Проверено 18 июня 2008 г.
  20. ^ Windbelt технология архивации 2007-10-21 в Wayback Machine
  21. ^ [13] Сюй, Тиффани: «Однажды из ваших штанов может включиться ваш iPod». Los Angeles Times, перепечатано в "Чикаго Трибьюн", 20 мая 2010 г. Источник: 20 мая 2010 г.
  22. ^ «Система получает энергию от ежедневных колебаний температуры», Массачусетский технологический институт, ScienceDaily, 15 февраля 2018 г. [14]
  23. ^ Антон Л. Cottrill, Альберт Тяньсян Ль, Юичиро кунаи, Владимир Б. Коман, Амир Каплан, Sayalee Г. Махаян, Pingwei Ль, Обри Р. Толанд, Майкл С. Strano.»Ультра-высокие эффузия материалы для тепловых резонансных окружающей среды теплового сбор энергии." Nature Communications, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038 / s41467-018-03029-x

Внешние ссылки [ править ]

  • Лаборатория газовых турбин Массачусетского технологического института
  • Лаборатория З.Л. Вана в Технологическом институте Джорджии