Vibrationsdriven generator
.JPG)
En vibrationsdriven generator är en typ av elektrisk generator som omvandlar den kinetiska energin från vibration till elektrisk energi. Vibrationen kan komma från ljudtrycksvågor eller andra omgivande vibrationer.
Vibrationsdrivna generatorer består vanligtvis av en resonator som används för att förstärka vibrationskällan och en omvandlarmekanism som omvandlar energin från vibrationerna till elektrisk energi. Givaren består vanligtvis av en magnet och spole eller en piezoelektrisk kristall.
Elektromagnetiska generatorer
Elektromagnetiskt baserade generatorer använder Faradays induktionslag för att omvandla den kinetiska energin från vibrationerna till elektrisk energi. De består av magneter fästa på ett flexibelt membran eller fribärande balk och en spole. Vibrationerna gör att avståndet mellan magneten och spolen förändras, vilket orsakar en förändring av magnetflödet och resulterar i att en elektromagnetisk kraft alstras. Generellt är spolen gjord av ett diamagnetiskt material eftersom dessa material har svagare interaktioner med magneten som skulle dämpa vibrationen. Den största fördelen med denna typ av generator är att den kan producera mer kraft än de piezoelektriska generatorerna. Elektromagnetiskt baserade vibrationsdrivna generatorer har kommersialiserats.
Utveckling och applikationer
En miniatyrgenerator för elektromagnetisk vibrationsenergi utvecklades av ett team från University of Southampton 2007. Denna speciella enhet består av en fribärande stråle med en magnet fäst i änden. Strålen rör sig upp och ner när enheten utsätts för vibrationer från omgivande källor. Denna enhet gör att sensorer på svåråtkomliga platser kan drivas utan elektriska ledningar eller batterier som behöver bytas ut. Sensorer på otillgängliga platser kan nu generera sin egen kraft och överföra data till externa mottagare . Generatorn utvecklades för att användas i luftkompressorer och kan driva saker i miljöer med hög vibration som sensorer på maskiner i tillverkningsanläggningar eller sensorer som övervakar broars hälsa. En av de stora begränsningarna för den magnetiska vibrationsenergiskördaren som utvecklats vid University of Southampton är storleken på generatorn. Med ungefär en kubikcentimeter skulle denna enhet vara alldeles för stor för att användas i moderna elektroniska enheter. Framtida förbättringar av enhetens storlek kan göra den till en idealisk strömkälla för medicinskt implanterade enheter som pacemakers . Enligt teamet som skapade enheten skulle vibrationerna från hjärtmusklerna räcka för att generatorn skulle kunna driva en pacemaker. Detta skulle eliminera behovet av att byta batterierna kirurgiskt.
2012 utvecklade en grupp vid Northwestern University en vibrationsdriven generator av polymer i form av en fjäder. Denna enhet kunde skörda energin från vibrationer vid samma frekvenser som University of Southampton grupperar en fribärande enhet men med ungefär en tredjedel av storleken på den andra enheten.
Piezoelektriska generatorer
Piezoelektriska generatorer använder tunna membran eller fribärande strålar gjorda av piezoelektriska kristaller som en omvandlarmekanism. När kristallen utsätts för påfrestningar av den kinetiska energin från vibrationen produceras en liten mängd ström tack vare den piezoelektriska effekten. Dessa mekanismer är vanligtvis mycket enkla med få rörliga delar, och de tenderar att ha en mycket lång livslängd. Detta gör dem till den mest populära metoden för att skörda energin från vibrationer. Dessa mekanismer kan tillverkas med MEMS- tillverkningsprocessen, vilket gör att de kan skapas i mycket liten skala. Möjligheten att tillverka piezoelektriska generatorer i så liten skala är den största fördelen med denna metod jämfört med de elektromagnetiska generatorerna, speciellt när generatorn utvecklas för att driva mikroelektroniska enheter. Piezoelektrisk vibrationsgenerator har kommersialiserats.
Utveckling och applikationer
En piezoelektrisk generator som utvecklas använder vattendroppar i änden av en piezoelektrisk fribärande stråle. Vattendropparna hänger från strålens ände och utsätts för excitation av vibrationernas kinetiska energi. Detta resulterar i att vattendroppen svänger, vilket i sin tur gör att strålen de hänger i böjs upp och ner. Denna avböjning är töjningen som omvandlas till energi genom den piezoelektriska effekten. En stor fördel med denna metod är att den kan skräddarsys för ett brett spektrum av excitationsfrekvenser. Vattendroppens naturliga frekvens är en funktion av dess storlek ; därför att ändra storleken på vattendroppen möjliggör matchning av droppens naturliga frekvens och frekvensen för tryckvågen som omvandlas till elektrisk energi. Att matcha dessa frekvenser producerar den största amplitudoscillationen av vattendroppen, vilket resulterar i en stor kraft och större belastning på den piezoelektriska strålen.
En annan applikation försöker använda vibrationerna som skapas under flygning i flygplan för att driva elektroniken på planet som för närvarande är beroende av batterier. Ett sådant system skulle möjliggöra en pålitlig energikälla och minska underhållet eftersom batterier inte längre skulle behöva bytas ut och piezoelektriska system har lång livslängd. Detta system används med en resonator som gör att luftflödet kan bilda en jämn ton med hög amplitud. Samma princip används i många blåsinstrument och omvandlar det luftflöde som musikern tillhandahåller till en hög, jämn ton. Denna ton används som vibrationen som omvandlas från kinetisk till elektrisk energi av den piezoelektriska generatorn. Denna applikation är fortfarande i de tidiga utvecklingsstadierna; Konceptet har bevisats i en skalenlig modell men systemet behöver fortfarande optimeras innan det testas i full skala.