O tendință deosebită în cercetare: energy harvestingO tendință deosebită în cercetare: energy harvestingIGNAT MIRCEA, C.S. 1, INCDIE ICPE-CA, IGNAT MIRCEA, C.S. 1, INCDIE ICPE-CA,

Sef department Micro și NanoelectrotehnologiiSef department Micro și Nanoelectrotehnologii

Ediţia a XIV-a, 7-8 noiembrie 2013Conferinţa Naţională de Surse Noi şi Regenerabile

de Energie, CNSNRE 2013

Energia se gaseste peste tot in mediul care ne inconjoara - disponibila sub Energia se gaseste peste tot in mediul care ne inconjoara - disponibila sub diferite forme de energie: energie termica, lumina (energie solara), energie diferite forme de energie: energie termica, lumina (energie solara), energie eoliana si energie mecanica.eoliana si energie mecanica.

Energia din aceste surse este adesea gasita in cantitati mici care nu poate Energia din aceste surse este adesea gasita in cantitati mici care nu poate furniza puterea adecvata pentru orice scopuri viabile.furniza puterea adecvata pentru orice scopuri viabile.

Recoltarea de energie (energy harvesting) este procesul de colectare a Recoltarea de energie (energy harvesting) este procesul de colectare a energiei electrice in cantitati mici de de la una sau mai multe surse de energiei electrice in cantitati mici de de la una sau mai multe surse de energie naturale enumerate si mai sus - apar noi surse de energie electrica, energie naturale enumerate si mai sus - apar noi surse de energie electrica, care se pot acumula si stoca pentru utilizarea lor ulterioara (de ex.: aplicacare se pot acumula si stoca pentru utilizarea lor ulterioara (de ex.: aplica ţţii ii MEMS).MEMS).

Recoltarea de energie electrica se face prin dispozitive eficiente si eficace Recoltarea de energie electrica se face prin dispozitive eficiente si eficace de colectare, acumulare, stocare, conditionare si gestionare a aceastei de colectare, acumulare, stocare, conditionare si gestionare a aceastei energii si de a furniza aceasta energie intr-o forma care poate fi folosita energii si de a furniza aceasta energie intr-o forma care poate fi folosita pentru a alimenta o sarcină utila.pentru a alimenta o sarcină utila.

In mod similar, un modul de recoltare de energie este un dispozitiv In mod similar, un modul de recoltare de energie este un dispozitiv electronic care poate indeplini toate aceste functii de alimentare a unei electronic care poate indeplini toate aceste functii de alimentare a unei varietati de senzori sau circuite de comanda pentru aplicatii care varietati de senzori sau circuite de comanda pentru aplicatii care functioneaza in mod tranzitoriu.functioneaza in mod tranzitoriu.

De ce recoltarea de energie?De ce recoltarea de energie?

Evolutiile avansate ale tehnicii au crescut eficienta dispozitivelor de Evolutiile avansate ale tehnicii au crescut eficienta dispozitivelor de colectare a unor forme de energie din mediul inconjurator si de colectare a unor forme de energie din mediul inconjurator si de transformare a acestora in energie electrica.transformare a acestora in energie electrica.

Progresele inregistrate in tehnologia microprocesoarelor au crescut Progresele inregistrate in tehnologia microprocesoarelor au crescut eficienta energetica, reducand efectiv cerintele consumului de putere. eficienta energetica, reducand efectiv cerintele consumului de putere. In In combinatie, aceste evolutii au starnit interes in comunitatea de ingineri combinatie, aceste evolutii au starnit interes in comunitatea de ingineri pentru dezvoltarea cat mai multor aplicatii care folosesc recoltarea de pentru dezvoltarea cat mai multor aplicatii care folosesc recoltarea de energie de puteri mici.energie de puteri mici.

In plus, recoltarea de energie poate fi folosita ca o sursa alternativa de In plus, recoltarea de energie poate fi folosita ca o sursa alternativa de energie pentru a suplimenta o sursa de energie primara si pentru a spori energie pentru a suplimenta o sursa de energie primara si pentru a spori fiabilitatea sistemului global si de a preveni intreruperile de energie.fiabilitatea sistemului global si de a preveni intreruperile de energie.

Tabel. 1. Tabel. 1. Estimările Estimările privind puterea recoltatprivind puterea recoltată din diferite surse ă din diferite surse de energiede energie..

Nevoile de putere pentru MEMS-uri

Microgeneratoare neconvenţionale de tip harvesting.

O preocupare relativ noua in cadrul departamentului MNE este recolectarea sau recuperarea energiei si conversia acesteia din forma mecanica, acustica, chimica, etc. in energie electrica, domeniu de preocupari denumit “energy harversting” [1, 2, 3, 4].

In cadrul nucleului de MEMS au fost efectuate experimente privind doua tipuri de microgeneratoare neconventionale de tip harvesting: a. Cu conversie electromotoare utilizand bobine si magneti permanenti; b. Cu discuri piezoelectrice ce convertesc socuri sau vibratii mecanice; C. Microdispozitive bazate pe conversie termoelectrică.

[1] W. Ma, R. Zhu, Y. Zohar,”An Integrated Floating Electrode Electric Microgenerator”, IEEE Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 16, no. 1, February 2007, pp. 29 - 37.[2]H. Kulah, K. Najafi, ”An electromagnetic micropower generator for low frequency environmental vibrations”, Proc. MEMS 2004, pp. 237 – 240.[3]S. Meninger, J. O. Mur, Miranda, R. Amirtharajah, A. P. Chandrakasan, J. Lang, ”Vibration to electric conversion”, IEEE Trans. VLSI Syst., vol. 9, no. 1, pp. 64 - 76, 2001, pp. 56 - 62.[4]P. Gynne-Jones, S. P. Beeby, N. W. White, ”Toward a piezoelectric vibration - powered microgenerator”, Proc. Inst. Elect. Eng. Sci. Meas. Technol, vol. 148, no. 2, 2001, pp. 68 - 72.

Principiul de functionare al generatorului

electromagnetic (amortizor electromagnetic)

Fig. 1. Principiul de funcţionare al generatorului electromagnetic (amortizorului elmg); a) structura amortizorului electromagnetic; b) conexiunea electrică a galeţilor.

MModel experimental generator electromagneticodel experimental generator electromagnetic

(amortizor electromagnetic) (amortizor electromagnetic)

Fig. 2. Generator electromagnetic (amortizor electromagnetic): a) vedere ansamblu; b) vedere componente.

Fig. 3. Desen ansamblu generator electromagnetic (amortizor elmg).

Fig. 4. Desen bobină - generator electromagnetic (amortizor elmg).

Principalele elemente constructive ale Principalele elemente constructive ale

generatorului electromagnetic (amortizor elmg)generatorului electromagnetic (amortizor elmg) Principalele elemente constructivePrincipalele elemente constructive aleale generatorului electromagnetic generatorului electromagnetic

(amortizor elmg - (amortizor elmg - AEMAEM), conform documentaţiei de executie sunt:), conform documentaţiei de executie sunt:

corp inferior corp inferior (AEM - 1);(AEM - 1); suport bobinesuport bobine (AEM - 2); (AEM - 2); ax pistonax piston (AEM - 3); (AEM - 3); corp superiorcorp superior (AEM - 4); (AEM - 4); piuliţă specialăpiuliţă specială (AEM – 5); (AEM – 5); CapacCapac (AEM - 6); (AEM - 6); Distanţor Distanţor (AEM - 7);(AEM - 7); Magnet permanetMagnet permanet (AEM - 8); (AEM - 8); ŞaibăŞaibă (AEM - 9); (AEM - 9); BobinăBobină (f.d.); (f.d.); Arc Arc (f.d.);(f.d.); Piuliţă (ISO 4032)Piuliţă (ISO 4032)..

Stand de încercări şi măsurători. Stand de încercări şi măsurători. Caracterizarea Caracterizarea

generatorului electromagnetic (amortizor elmg).generatorului electromagnetic (amortizor elmg).

Fig. 5. a) Stand de încercări pentru generatorul electromagnetic (amortizor elmg);b) schemă de experimentare a generatorului

electromagnetic (amortizor elmg).

Formele de undFormele de undăă a alele tensiunii măsurate a generatorului elmg (amortizor elmg) tensiunii măsurate a generatorului elmg (amortizor elmg) pentru pentru diferite diferite frecvenţfrecvenţe e (amplitudinea semnalului de intrare al vibratorului pe (amplitudinea semnalului de intrare al vibratorului pe

care-l dă generatorul de funcţiicare-l dă generatorul de funcţii ))..4ppV V

Rezultate experimentale Rezultate experimentale pentru generatorul pentru generatorul

electromagnetic (amortizor elmg - AEM)electromagnetic (amortizor elmg - AEM)

Rezultate experimentale Rezultate experimentale pentru generatorul pentru generatorul electromagnetic (amortizor elmg - AEM)electromagnetic (amortizor elmg - AEM)

Rezultate experimentale Rezultate experimentale pentru generatorul pentru generatorul electromagnetic (amortizor elmg - AEM)electromagnetic (amortizor elmg - AEM)

Rezultate experimentale Rezultate experimentale pentru generatorul pentru generatorul electromagnetic (amortizor elmg - AEM)electromagnetic (amortizor elmg - AEM)

IIn cadrul laboratorului de micro n cadrul laboratorului de micro ssi nano electrotehnologii (MNE) a i nano electrotehnologii (MNE) a mai mai fost abordat un fost abordat un tip de tip de microgenerator microgenerator piezoelectricpiezoelectric liniar (de tip harvesting) liniar (de tip harvesting) care a fost si certificat. care a fost si certificat.

Principalele elemente constructive ale tehnice microgeneratorulPrincipalele elemente constructive ale tehnice microgeneratoruluiui piezoelectric piezoelectric μPH – 1 μPH – 1 (de (de tip tip harvestingharvesting)) sunt prezentate sunt prezentate iinn fig figura de mai jos.ura de mai jos.

Fig. 6. Microgeneratorul piezoelectric μPH – 1 (de tip harvesting): 1) microrama inelara; 2) pastila piezoelectrica; 3) masa inertiala; 4) terminal.

Microgeneratorul piezoelectric μPH – 1 (de tip harvesting)

Descrierea principiului de funcţionare Descrierea principiului de funcţionare a a microgeneratorulmicrogeneratoruluiui piezoelectric μPH – 1 (de tip piezoelectric μPH – 1 (de tip harvestingharvesting))..

Fig. 7. Conversie electromecanică prin fenomene de piezoelectricitate.

Stand de incercari si masuratori. Caracterizare prototip

microgeneratorului piezoelectric μPH – 1 (de tip harvesting) ÎÎn n cadrul cadrul îîncercncercăărilor a fost utilizat rilor a fost utilizat un un sistemsistem de creare de vibra de creare de vibraţţiiii produs de produs de

firma MODfirma MODAAL SHOP (Ohio SUA). ScanL SHOP (Ohio SUA). Scanâând nd îîntregul domeniu de frecvenntregul domeniu de frecvenţăţă: 5Hz : 5Hz – 1kHz, tensiunea minim– 1kHz, tensiunea minimăă generat generatăă de microgeneratorul de microgeneratorul piezoelectricpiezoelectric a fost de a fost de 10100 mV0 mV-5V, iar puterea generat-5V, iar puterea generatăă ajunge p ajunge pâânnăă la c la câţâţiva microwaiva microwaţţii. .

Fig. 8. Sistemul MODAL SHOP folosit pentru crearea de vibraţii ce funcţionează în domeniul de frecvenţă: 5Hz – 1kHz.

Fig. 9. Forma de undă a tensiunii măsurate a microgeneratorului piezolectric pentru frecvenţa de 50Hz.

Fig. 10. Forma de undă a tensiunii măsurate a microgeneratorului piezolectric pentru frecvenţa de 760Hz.

Fig. 11. Forma de undă a tensiunii măsurate a microgeneratorului piezolectric pentru frecvenţa de 780Hz.

Fig. 12. Forma de undă a tensiunii măsurate a microgeneratorului piezolectric pentru frecvenţa de 1kHz.

Fig. 13. Caracteristica de tensiune a microgeneratorului piezoelectric în functie de domeniul de frecvenţă.

Fig. 14. Caracteristica de putere a microgeneratorului piezoelectric în funcţie de domeniul de frecvenţă.

S-a creat un dispozitiv prototip (senzori piezoelectrici) pusi in zona inimii sau a cutiei toracice, pentru a colecta energie ce poate fi stocata in microbaterii de cativa miliwatti.

Aceste microbaterii pot alimenta echipamente de monitorizare wireless neavand nevoi de puteri mari de energie; aplicatii organism-energie (in special in retelele de senzori pentru corpul uman) sunt urmarite in mod activ.

Exploatarea cu succes de recoltare de energie folosind organismul uman este prezenta in multe aplicatii medicale.

Fig. 15. Referitor la efectul piezoelectric.

Fig. 16. Semnalul tensiunii corespunzător unei solicitări de tuse.

Fig. 17. Semnalul tensiunii corespunzător unei solicitări de respiraţie.

Fig. 18. Semnalul tensiunii corespunzător unei solicitări cardiace.

Fig. 19. Schema privind un model hibrid de culegere al microenergiei (energy harvesting) din

mediul înconjurător.

Microdispozitive bazate pe conversie termoelectricăMicrodispozitive bazate pe conversie termoelectrică

Fig. 20. Microdispozitiv termoelectric cu un modul- placă-suport cu pastile montate.

Fig. 21. Microdispozitiv termoelectric cu două module- pastile conectate cu ajutoul unor trasee realizate cu vopsea conductoare cu Ag şi fire de

legătură.

Stand de mStand de măăsursurăă pentru generator termoelectric. pentru generator termoelectric.

1. Dispozitiv cu generator termoelectric1. Dispozitiv cu generator termoelectric 2. Multimetru digital2. Multimetru digital 3. Sursa de curent cc3. Sursa de curent cc 4. Cutie cu rezistente decade Cropico4. Cutie cu rezistente decade Cropico 5. Termohigrometru5. Termohigrometru

Fig. 22. Stand testare generator termoelectric.

Caracteristicile fizice si tehnice ale materialelor termoelectriceCaracteristicile fizice si tehnice ale materialelor termoelectrice

Material termoelectricMaterial termoelectric Rezistivitate Rezistivitate electrica,electrica,

ΩmΩm

Conductivitate Conductivitate termica, termica,

W/mKW/mK

Difuzivitate Difuzivitate termica, termica,

mm22 /s /s

Caldura specifica, Caldura specifica,

J/gKJ/gK

Ca0.9La0.1MnO3Ca0.9La0.1MnO3 (tip n) –(tip n) –manganit de calciu si manganit de calciu si

lantanlantan

2.56x102.56x10-4-4 1.6161.616 0.5740.574 0,2960,296

Ca3Co4O9Ca3Co4O9 (tip p) – (tip p) – cobaltit de calciucobaltit de calciu

1.26x10-41.26x10-4 0,20,2 0,070,07 2,492,49

Tabel. 2. Parametrii fizico-chimici ai materialelor termoelectrice la 298K

Fig. 24. Variatia puterii cu rezistenta de sarcini la diferite diferente de temperatura pentru termogeneratorul cu 2 module

Fig. 23. Variatia puterii cu rezistenta de sarcini la diferite diferente de temperatura pentru termogeneratorul cu 1 modul

Aplicatiile ale recoltarii de energiei (Energy Harvesting)

Alimentarea Alimentarea unui nod de retea wireless (fara fir) la distanta unui nod de retea wireless (fara fir) la distanta in cazul in care o baterie fie este nesigura sau nu este in cazul in care o baterie fie este nesigura sau nu este disponibila.disponibila.

AAlimentarealimentarea microsistemelor cu microsenzori de microsistemelor cu microsenzori de monitorizare al sistemelor de rezistenmonitorizare al sistemelor de rezistentata iin construcn constructtiiii..

EExploatarea cu succes de recoltare de energie folosind xploatarea cu succes de recoltare de energie folosind organismul uman este prezentorganismul uman este prezentaa iin multe aplican multe aplicattii medicale ii medicale de monitorizare a paciende monitorizare a pacienttilorilor..

RReettele de microgenerare de sine stele de microgenerare de sine staattaatoare pentru toare pentru microremicrorettele independente cu ele independente cu iinmagazinarea energiei.nmagazinarea energiei.

Surse comune de recoltare a energiei, [1]Surse comune de recoltare a energiei, [1]

Un sistem de recoltare a energiei, in general, necesita o sursa de energie Un sistem de recoltare a energiei, in general, necesita o sursa de energie de alta natura, cum ar fi vibratiile mecanice, caldura, lumina sau fluxul de alta natura, cum ar fi vibratiile mecanice, caldura, lumina sau fluxul de aer, precum si alte trei componente-cheie electronice, inclusiv:de aer, precum si alte trei componente-cheie electronice, inclusiv: de exemplu un dispozitiv de conversie a energiei, cum ar fi un de exemplu un dispozitiv de conversie a energiei, cum ar fi un

element piezoelectric care poate traduce energia mecanica (vibratii, element piezoelectric care poate traduce energia mecanica (vibratii, socuri mecanice) in energie electrica;socuri mecanice) in energie electrica;

un modul de recoltare de energie care colecteaza, stocheaza si un modul de recoltare de energie care colecteaza, stocheaza si gestioneaza putere electrica pentru un anumit dispozitiv;gestioneaza putere electrica pentru un anumit dispozitiv;

si la sfarsit o aplicatie a utilizarii energiei recoltate – de exemplu, o si la sfarsit o aplicatie a utilizarii energiei recoltate – de exemplu, o retea de senzori fara fir si/sau dispozitive de control.retea de senzori fara fir si/sau dispozitive de control.

[1] http://www.energyharvesting.net/

VVă mulţumesc pentru atenţia ă mulţumesc pentru atenţia acordată!acordată!