Пристрої для бездротового та безбатарейного живлення автономних вузлів.
Високоефективне охолодження в обмеженому просторі
Компанія Murata розробила компактний низькопрофільний охолодний пристрій, який здатний нагнітати повітря під високим тиском і призначений для заміни вентиляторів у компактному обладнанні або для місцевого охолодження елементів системи.
Пасивні компоненти також удосконалюються
Кількість нових розробок активних схем настільки велика, що складається враження, ніби про основні пасивні компоненти геть забули. Якщо розміри мікросхем безперервно зменшуються, сучасні резистори, конденсатори та дроселі, по суті, мало чим відрізняються від своїх попередників часів Ома, Фарадея та Генрі.
Оптимізація дроселів для схем ККМ
Європейський Союз визнав важливість завдання збільшення коефіцієнта потужності та розробив стандарти, що сприяють її вирішенню. У найближчій перспективі схема корекції коефіцієнта потужності (ККМ) буде потрібна практично у всіх додатках. Оптимальний вибір дроселів для ланцюгів ККМ пов'язаний із взаємовиключними вимогами. У статті надаються практичні рекомендації щодо вибору цих компонентів, у т.ч. за допомогою інтерактивного калькулятора PL Product – розробки компанії Precision.
Реклама наших партнерів
Пристрої для бездротового та безбатарейного живлення автономних вузлів. Частина 2
ермоелектричні генератори та охолоджувачі
Системи, що працюють від нагріву, відрізняються відсутністю рухомих частин і можуть експлуатуватися в більш жорстких умовах, ніж вібраційні пристрої, тому становлять значний інтерес для живлення бездротових вузлів. Там, де досяжні високі температури (сотні градусів) та значний температурний градієнт, актуальне застосуваннятермоелектричних генераторів (thermoelectric generator, або ТЕГ). Прикладом є автомобільні системи поновлення тепла вихлопів. Вихідна потужність, що досягається, — сотні Вт. Наприклад, BMW та Volkswagen демонстрували прототипи автомобілів з ТЕГами на 300 Вт. BMW вже заявляла про створення ТЕГа з виходом 500 Вт. У розробці є версія для NASA. Економія палива становить 5%, але даний тип пристроїв знаходить застосування тільки в ДВЗ та гібридах, для суто електричних автомобілів він неперспективний. Принцип дії ТЕГів ґрунтується на ефекті Зеєбека. Сучасні ТЕГи використовують напівпровідникові p-n-переходи (найпоширеніший матеріал - телурид вісмуту), тому їх розміри можуть бути набагато меншими. Перспективні матеріали - наноструктуровані, тонкоплівкові та інші. Компанія Global Thermoelectric спеціалізується на створенні промислових генераторів з вихідною потужністю 15–550 Вт та із заявленою межею навантаження 5000 Вт. Основним компонентом кожного ТЕГа Global є герметично ущільнений термоелектричний модуль - термопіль з масивом напівпровідникових елементів олов'яно-свинцевого телуриду (див. рис. 3). Різниця температур на термопили (порядку 540 ° C з одного боку, 140 ° C - з іншого) створює постійну електрику. Застосування: нафтогазовий сектор, опалення, телекомунікаційні та інші системи.
Мал. 3. Основні компоненти термоелектричних генераторів Global Thermoelectric: камера згоряння, термопіль, ребра охолодження
Компанія Marlow - світовий лідер у галузі термоелектричних охолоджувачів (thermoelectric coolers, TEC). Marlow має також технологію збору теплової потужності для живлення датчиків або інших малопотужних пристроїв. Модуль генерації постійної потужності із вбудованими сплавами Bi2Te3розрахований на різницю температур понад 100 пар стійок. Пристрої Micropelt працюють у міліватному діапазоні. Наприклад, MPG-D602 має 450 пар стійок, його теплове навантаження складає близько 1 Вт. Термогенератори Micropelt містять сотні таких елементів - у 10-100 разів більше стандартних, тому ТЕГи виробляють напруги порядку 0,5-5 В при площі посадкового місця пристрою 12 мм 2 і застосовуються для живлення датчиків, реєстраторів даних та малих виконавчих механізмів. Термогенератор Micropelt TE Power Ring (див. рис. 6) поставляє потужність для бездротових систем, локалізованих у обертових і коливальних частинах машин. Енергія, що надходить при терті підшипників, перетворюється на електрику за допомогою мікротермогенератора Micropelt MPC-D751. Відсутність дротів, батарей, підтримки реальний результат. Мініатюрні вбудовані ТЕГи компанії Nextreme (eTEG) також перетворять тепло відходів в електрику з використанням тонкоплівкової технології. Nextreme постачає найменший у світі ТЕГ з високою вихідною потужністю. Тонкоплівкові термоелектричні матеріали Nextreme оптимізовані під високі теплові потоки потужності (20 Вт/см²). ТЕГи eTEG у 5–20 разів тонші за об'ємні пристрої. Генератор eTEG рекомендується використовувати для живлення датчиків газу, заряджання бездротових датчиків у темряві або важкодоступних місцях для підвищення паливної ефективності автомобілів.
Мал. 6. Micropelt MPC-D751 - засіб бездротового моніторингу стану підшипників
Цільові ринки: автомобільний, авіакосмічний, промислові та медичні бездротові сенсорні мережі. Мікровати потужності, які генерує eTEG, виявляються достатніми для живлення віддалених датчиків.
Сонячні енергозберігаючі пристрої
Уостанні роки активно розроблялися фотоелектричні технології. Суть методу полягає у перетворенні сонячного випромінювання на струм за допомогою напівпровідників. Сонячні панелі складаються з елементів, матеріалом яких може бути кремній (моно-, полікристалічний, аморфний), телурид кадмію і т.д. Ефективність більшості типів сонячних елементів – близько 20%, для деяких матеріалів вона вища за 30%. Комерційні фотоелектричні технології мають, наприклад, компанії Sanyo Electric, SolarPrint, G24 Innovations, Solaronix SA, Ixys. На відміну від кремнієвих елементів, т.зв. сенсибілізовані барвником сонячні елементи (dye-sensitized solar cell, DSSC) від G24, Solaronix, SolarPrint перетворять світлову енергію на електрику на молекулярному рівні. Цей процес подібний до фотосинтезу. Типовий модуль є структурою з двох шарів скла з тонкопленочним шаром посередині. Сенсибілізовані сонячні елементи були винайдені в 1988 р. Міхаелем Гретцелем (Michael Grätzel), співробітником EPFL (Швейцарський федеральний технологічний інститут Лозанни). Будова сонячних елементів з барвником схематично представлена на малюнку 7. Прозорий оксид, що проводить, наноситься на прозорий субстрат (скло або пластик) і служить для формування електродів. На робочий електрод наноситься шар наночастинок діоксиду титану завтовшки 10 мкм і спікається для дифузії.
Мал. 7. Будова сенсибілізованих сонячних елементів
Енергозбиральні МЕМС-пристрою
В автомобілі досить багато можливостей для збирання механічної енергії (гальмування, вібрації, ударів). Розроблений інститутом IMEC метод вміщує автомобільні застосування. IMEC розробив електростатичні мікроелектромеханічні енергозберігаючі пристрої вкомбінації з енергозапасним компонентом. Інтегровані мікромодулі споживають мінімум енергії та здатні до самостійної генерації енергії. Розроблений IMEC п'єзоелектричний МЕМС-перетворювач включає кантилевер з одним або декількома п'єзоелектричними шарами, розміщеними між двома металевими електродами, які утворюють плоский конденсатор. Наконечник кантилевера оснащується масою, що захоплює вібрації машини із закріпленим енергозберігаючим пристроєм. Підстава конденсатора сформована платиновим електродом і п'єзоелектричним шаром з матеріалу AlN (у першій версії - PZT), верхній електрод виготовлений з алюмінію. Резонансна частота в межах смуги 150–1000 Гц регулюється шляхом зміни розмірів кантильовера та маси. Вихідний потужності, що досягається, за заявою IMEC, вже достатньо для живлення бездротових датчиків, які передають дані до системного процесора. У 2008 р. вихідна потужність енергозберігаючих пристроїв склала 60 мкВт, а в 2010-му р. - 85 мкВт. Для захисту МЕМС було здійснено корпусування лише на рівні пластини. Повідомлялося, що на основі цієї технології було розроблено перший автономний датчик температури. Дослідники CEA LETI та Мічиганського університету розробили власні електростатичні збирачі енергії на основі МЕМС. Так, наприклад, були створені структури, здатні ефективно перетворювати низько- та високочастотні вібрації в електричну енергію завдяки унікальній електродній структурі у вигляді патернів (див. рис. 8). При цьому електрет на основі SiO2 наносився на сейсмічну масу, а складання відокремлювалося на кілька мікрон від електродної скляної плати.
Мал. 8. Електростатична структура, розроблена CEA LETI
Цей тип відрізняється відп'єзоелектричної структури тим, що рівень перетворюваної за цикл енергії регулюється у вигляді заряду і залежить від властивостей матеріалу. Дослідники Університету Мічигана розробили п'єзоелектричні об'ємні МЕМС разом із схемними елементами для захоплення та запасу енергії. Розміри MEMS VEH становлять 27 мм3. Малий блок може захоплювати енергію вібрації 14–155 циклів (Гц), забезпечуючи на виході 200 мкВт при вібрації близько 1,5g. Збирач енергії заряджає суперконденсатор до 1,85, що достатньо для живлення бездротового датчика при заміні батареї. Дослідники оцінюють передбачуваний термін служби VEH 10-20 років. Це одна з останніх на даний момент розробок компанії. Ще одна нова розробка від ORNL заснована на захопленні тепла піроелектричної конденсаторної МЕМС-структурою, яка може працювати, наприклад, від тепла комп'ютерних кристалів. П'єзоелектричний вібраційний енергохарвестер PZEH (Piezoelectric Vibrational Energy Harvester) від MicroGen під назвою BOLT™060 є першим прикладом комерційного пристрою для збору енергії вібрації, заснованого на технології МЕМС. Це пристрій кремнієвому кристалі розмірами 1,0 см 2 або менше з виходом потужності до 200 мкВт. У 2011 році PZEH включений в оцінний комплект THINERGY ® IPS-EVAL-EH-01 Energy Harvesting Evaluation Kit від IPS (Infinite Power Solutions, Inc.) з мікросхемою MAX17710 від Maxim.
Наноустрою для збирання енергії
Провідні американські вчені розробили перший наногенератор разом із сонячним елементом. У цьому пристрої використовуються п'єзоелектричні нанопроводи - волосоподібні структури оксиду цинку, які генерують електричний потенціал при механічному навантаженні, забезпечуючи на виході малу потужність. Їх ефективність підвищується зарахунок комбінації із сонячним елементом у гібридному пристрої. Верхній шар складається з тонкоплівкового сонячного елемента, поєднаного з покритими фарбою нанопроводами. Велика поверхня покриття посилює захоплення світла. Донний шар - наногенератор - чутливий до вібрації. Під її впливом зубці зміщуються відносно вирівняного вертикально положення, створюючи електричний потенціал. Сонячний елемент та наногенератор електрично підключені до кремнієвого субстрату, який служить анодом для сонячного елемента та катодом для наногенератора. Прототип генерує 0,6 Вт потужності і лише 10 мВ – вібраційної потужності. У перспективі планується створення пристроїв із множинними шарами наногенераторів. Цільові застосування гібридів – літальні апарати, тоді як наногенератори можуть знайти застосування у медичних імплантатах.