Mikrogenerátor jako mikromechanická soustava

Microgenerator - Micromechanical System

dizertace

cs

Obecnou motivací práce bylo hledání alternativ pro napájení bezdrátových zařízení. V úvodní části práce jsou proto analyzovány jednotlivé alternativy možných zdrojů elektrické energie pro tento účel a jsou stručně vymezeny oblasti jejich použití. Z uvedeného je zřejmé, že použití galvanických článků a akumulátorových baterií není pro řadu aplikací nejvhodnějším řešením. Z výsledků analýzy se jako nejvhodnější nabízí řešení uvedeného problému novým zařízením, které vyrábí elektrickou energii z některé formy všudypřítomné okolní energie. V každém prostředí se totiž nachází okolní energie v určité formě, která je vhodná k přeměně na elektrickou energii. Jedná se např. o solární energii, energii teplotního gradientu, energii proudících tekutin, atd. Ve většině strojních soustav, které jsou předmětem výzkumu na školicím pracovišti, se vyskytují mechanické vibrace. Je nepochybné, že tyto vibrace patří k vhodným okolním zdrojům, jejichž mechanická energie je taktéž využitelná pro výrobu elektrické energie. S využitím tohoto principu lze tedy navrhovat různá autonomní zařízení, např. pasivní bezdrátové senzory různých fyzikálních veličin s vlastním, tedy nezávislým napájením. Tato práce je soustředěna na analýzu a návrh vibračního mikrogenerátoru, vyrábějícího elektrickou energii z mechanické energie okolních vibrací. Tento vibrační mikrogenerátor by měl sloužit jako zdroj elektrické energie s výkonem minimálně 1 mW, který je postačující pro napájení nejrůznějších bezdrátových senzorů. Vibrační mikrogenerátor musí být konstruován tak, aby jeho resonanční frekvence byla shodná s frekvencí okolních vibrací. Řešený vibrační mikrogenerátor je koncipován jako lineární generátor s pohyblivým magnetickým budicím obvodem a pevnou cívkou kotvy. Při odpovídajícím mechanickém naladění vibračního mikrogenerátoru způsobí okolní vibrace relativní kmitavý pohyb magnetického budicího obvodu mikrogenerátoru vůči pevné cívce, ve které se podle Faradayova zákona elektromagnetické indukce indukuje elektrické napětí. Celkové rozměry mikrogenerátoru by měly odpovídat požadovanému generovanému výkonu při zadané frekvenci vibrací.

Obecnou motivací práce bylo hledání alternativ pro napájení bezdrátových zařízení. V úvodní části práce jsou proto analyzovány jednotlivé alternativy možných zdrojů elektrické energie pro tento účel a jsou stručně vymezeny oblasti jejich použití. Z uvedeného je zřejmé, že použití galvanických článků a akumulátorových baterií není pro řadu aplikací nejvhodnějším řešením. Z výsledků analýzy se jako nejvhodnější nabízí řešení uvedeného problému novým zařízením, které vyrábí elektrickou energii z některé formy všudypřítomné okolní energie. V každém prostředí se totiž nachází okolní energie v určité formě, která je vhodná k přeměně na elektrickou energii. Jedná se např. o solární energii, energii teplotního gradientu, energii proudících tekutin, atd. Ve většině strojních soustav, které jsou předmětem výzkumu na školicím pracovišti, se vyskytují mechanické vibrace. Je nepochybné, že tyto vibrace patří k vhodným okolním zdrojům, jejichž mechanická energie je taktéž využitelná pro výrobu elektrické energie. S využitím tohoto principu lze tedy navrhovat různá autonomní zařízení, např. pasivní bezdrátové senzory různých fyzikálních veličin s vlastním, tedy nezávislým napájením. Tato práce je soustředěna na analýzu a návrh vibračního mikrogenerátoru, vyrábějícího elektrickou energii z mechanické energie okolních vibrací. Tento vibrační mikrogenerátor by měl sloužit jako zdroj elektrické energie s výkonem minimálně 1 mW, který je postačující pro napájení nejrůznějších bezdrátových senzorů. Vibrační mikrogenerátor musí být konstruován tak, aby jeho resonanční frekvence byla shodná s frekvencí okolních vibrací. Řešený vibrační mikrogenerátor je koncipován jako lineární generátor s pohyblivým magnetickým budicím obvodem a pevnou cívkou kotvy. Při odpovídajícím mechanickém naladění vibračního mikrogenerátoru způsobí okolní vibrace relativní kmitavý pohyb magnetického budicího obvodu mikrogenerátoru vůči pevné cívce, ve které se podle Faradayova zákona elektromagnetické indukce indukuje elektrické napětí. Celkové rozměry mikrogenerátoru by měly odpovídat požadovanému generovanému výkonu při zadané frekvenci vibrací.

This Ph.D. thesis deals with an alternative of feeding wireless sensors. This alternative is using of the vibration generator which generates electrical energy from an ambient mechanical vibration. This vibration generator will feed wireless sensors without using of primary batteries. The generator extends time life of the wireless sensor and this sensor can be mounted without any problems inside engineering's constructions or can be placed inside embedded structures. The appropriately vibration generator can produce the required power. The designed vibration generator will be used as source of energy for wireless sensors developed on base of WISE project. The WISE project researches using wireless sensors in aeronautics applications. The vibration generator is tuned up to stable resonance frequency of the ambient vibration 34 Hz. The generator is excited by vibration with the amplitude range 50 – 150 m, it means level of vibration 0.2 – 0.7 G. The size of generator is not limited, but the aim is design very small device. The size depends on possibility of the fabrication. The vibration generator is excited by the mechanical vibration and its construction products relative movement of the magnetic circuit. This movement induces voltage on the coil due to Faraday's law. The vibration generator design is tuned up to the vibration frequency and the generator harvests maximal power during exciting by resonance frequency of the vibration. The design of magnetic circuit and coil is tailored to the resonance mechanism of the vibration generator. The output power depends on the level of vibration and the weight of oscillating mass. The harvesting power depends on quality of the resonance mechanism and the weight of moving mass. Developed function product of vibration generator is capable generate useful electric power. The vibration generator generates maximal output power around 8 mW with DC voltage 5 V. The output power and voltage depend on the connected electrical load. The generator harvests output power around 4 mW and output voltage 3 V during excitation of an average vibration in an aeronautics application. The vibration generator has the great potential as the inexhaustible source of electrical energy. This generator can provide sufficient electrical energy for wireless sensors in aeronautics application. The limitation of using vibration generator is usually the operating temperature range, size and weight.

Vibrace, Energy Harvesting, Energy Scavenging, Vibrační mikrogenerátor, Vibrační generátor, Nízko-výkonový generátor, Resonance, Elektromagnetická indukce.

Vibration, Energy Harvesting, Energy Scavenging, Vibration Power Generator, Vibration micro-generator, Low-Power Generator, Resonance, Electromagnetic Induction.

26.04.2007

VUTIUM

Brno