פיתוח חיישנים של אנרגיה ליישומים מכניים המופעלים על ידי עצמם

התפתחות מערכות מכניות עצמאיות

מכשירים מכניים תלויים זמן רב בכוח מחווט או סוללות ניתנות להחלפה, אבל מגבלות אלה מציגות עלויות חוזרות, מטענים תחזוקה ובזבוז סביבתי.אנרגיה קצירת חיישנים באופן יסודי לשנות את הפרדיגמה הזו על ידי אספקת אנרגיה מאנרגיה מחושבת אור, חום, תנועה, או גלי חשמל אלקטרומגנטיים לרגישות עצמית, עיבוד ותקשורת אלחוטית בלבד.

עיצוב חיישן מופעל על ידי קציר דורש גישה mechatronic משולבת הדוקה.זה לא רק עניין של הצמדת תא פוטו-וולטאי חיישן טמפרטורה.מערכת אלקטרו-מכנית כולה חייבת להיות משותפת כדי שהאנרגיה הנרחבת לכל יחידות המתגלת תמיד פוגש או עולה על הצריכה שדה, חשבונאות עבור תנאים קשים ביותר.זה בוחן את הפיזיקה של טכנולוגיות אנרגיה, לוכד במהירות את כל מתודולוגיה ניהול כוח, ומדורגת במהירות, תוך כדי מתודולוגיה של עיצוב, עיצוב יעיל, תוך כדי מתודולוגיה של מערכות ניהול כוח אמיתי, עיצוב, עיצוב, עיצוב, עיצוב במהירות, עיצוב יעיל, עיצוב דרך עיצוב יעיל יותר ויותר, עיצוב יעיל של מערכות ניהול ליבה של מערכות ניהול כלי רכב אמיתי, וסטנדרטים אמיתיים, תוך כדי שיפור יעיל, מתודולוגיה, תוך כדי שיפור יעיל, עיצוב, מתודולוגיה, מתודולוגיה של מערכות ניהול כלי רכב אמיתי, מתודולוגיה, תוך כדי שיפור יעיל יותר ויותר, תוך כדי שיפור יעיל, תוך כדי שיפור יעיל, תוך כדי שיפור יעיל, תוך כדי שיפור יעיל יותר ויותר, עיצוב במהירות, תוך כדי שיפור יעיל יותר ויותר, תוך כדי שיפור יעיל, תוך כדי שיפור יעיל, תוך כדי שיפור יעיל, עיצוב במהירות, עיצוב במהירות, תוך כדי שיפור יעיל, עיצוב במהירות, מתודולוגיה של מערכות ניהול

מקורות אנרגיה שאפתניים ואופייהם

קצירת אנרגיה מסתמכת על המרת כוח סביבתי נוח לחשמל הניתן להשגה.מקורות הזמינים שונים בדחיסות כוח, זמינות זמנית וגורם צורה. בחירת הקציר הימני מתחיל עם אופי כמותי של סביבת הפריסה - מדידת אמפליטוט ותדירות, אינטנסיביות קלה מעל יום טיפוסי, ⁇ תרמיים, או כוח ספקטרום RF.

אנרגיה סולארית

תאי Photovoltaic (PV) הם הטכנולוגיה המבשלת ביותר של אור חיצוני ובתוך תשואות שונות מאוד של קרינת חשמל.תחת אור ישיר, תאי סיליקון גבישיים יכולים לספק עד 100 mW / m2, בעוד תאורה פלורסנט מקורה מספקת בדרך כלל 10-100 μW / ס"מ2.עבור חיישנים אור מוטבעים בקומות במפעל או בבניית אוטומציה, צבע אור כהה או תאים גמישים תחת לחץ דם גבוה הם לעתים קרובות.

זווית ההתקנה, הצטברות אבק משפיעה באופן דרמטי על התפוקה.מעצבים חייבים לשלב את המעקב המקסימלי נקודת הכוח (MPPT) מעגלים משולבים אשר מתאמתים את העומס החשמלי כדי להפיק אנרגיה מקסימלית. שבבי MPPT מודרניים, כגון FLT:0 התקנים LTC3105FLT:1, להשיג יעילות גבוהה מעל 90% ויכולים קר-start ממתח נמוך כמו 250 mV עבור יישומים מתקדמים, כולל חומרים מתקדמים של ניהול LED.

אנרגיה ואנטי-רנטית קצירת אנרגיה

רטט מכונות, תנועה אנושית, ונקודות מבניות לשאת אנרגיה מכנית שניתן להעביר על ידי אדזואלקטרית, אלקטרומגנטית, אלקטרוסטטית או טריבואלקטרית מנגנונים . Piezoelectric קצירים - באמצעות חומרים כגון עופרת zirconate titanate titanate (PZT), אלומיניום ניטריד, או פוליוויילידיד פלואוריד (PVDF) - הם לטובת הכוח הגבוה שלהם בדחיסות תעשייתית של 50 קומפקטיות יכול להיות מסוגל להתאים את התדירות גבוהה של קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטי

קצירים אלקטרומגנטיים מסתמכים על חוק החדירה של פאראדיי: מגנטית oscillating דרך סליל.הם מתאימים תדרים נמוכים יותר (ראה FLT:0) חוק התקשורת בטבע (GirFLT:1 עבור רטטים פס רחב, טכניקות התחדשות לא לינאריות ותדירות מכנית up-conversions מומצמות להרחיב את רוחב הפס האפקטיבי מעבר לשיא חד-מחדש יחיד.

אנרגיה מתחדשת

גנרטורים של מחקר (TEGs) המבוססים על אפקט Seebeck להמיר טמפרטורה שונה למתח. סטנדרטי דו-סמוט מודולים מספרים פועלים בין 0 ° C ו-300 מעלות צלזיוס עם יעילות תרמית סביב 5–8%, אבל אפילו 10 מעלות C ⁇ על פני השטח קטן TEG יכול לייצר כמה מילימטרים - מספיק עבור חיישן תרמי נמוך-לאים ללא ספק, 000 של צינורות לחץ דם יעיל עכשיו על פני השטח של נפחים גדולים.

תדירות רדיו (RF) אנרגיה קצירת אנרגיה

אנרגיה RF נשנית מ-Wi-Fi, סלולרית ומגדלי שידור מתפשטת, אך רמות החשמל נמוכות מאוד - לעתים רחוקות מעל 1 μW / 2 ס"מ למעט קרוב מאוד לשדרים. Rectenna (אנטנה מחדש) מעגלים להמיר קרינת מיקרוגל לתוך DC. Multi-band ו-Ricperettras-Retrancesss (Ricated Power Recapt) של מערכות הפעלה אחוריות, כגון: GSM-Fi, Wi-Fi, 2.4GHz, LTE, ולהקות יכולות לצבור יותר לצבור יותר גמישות.

עיצוב מערכת-Level: From Transducer to Data Packet

בניית חיישן מכני המופעל על ידי עצמי היא אתגר הנדסי רב-דומיין.הציר הוא רק הקישור הראשון בשרשרת הכוללת מיזוג חשמל, אחסון אנרגיה, ניהול עומס, חישה, עיבוד ותקשורת אלחוטית. A ממושמעת עיצוב מבטיח הפעלה אמינה ושומרים מפני תקלות חום-out.

תקציב אנרגיה וטעינה פרופ'ילינג

העיצוב חייב להתחיל עם תקציב אנרגיה מפורט, רישום כל ניתוח מערכת (רגיש חם, המרה אנלוגית-למדתית, מיקרובקר מתעורר, שידור רדיו / קבלה) יחד עם משך וצריכה הנוכחית שלה.לדוגמה, חיישן סביבתי טיפוסי עשוי לדרוש 3.3 V, לצייר 5 מיקרוA במצב שינה, 10A במהלך רכישת חיישן (עבור 2 מ"מ), 25 מ"מ מחושב במהלך Bluetooth (או מהירות) נמוך) כ 5 דקות (מ) כדרישה בממוצע) כ 5 מ"מ) כל אחת) כ- 5 דקות (אפשרות) כ- 5 מ"מ) כאנרגיה נמוכה (אפשרות) כ- 5 מ"מ"מ"מ"מ) כ- 5 דקות) כ- 5 מ"מ) כ- 5 מ"מ) כל אחת) כל אחת) מדי פעם אחת (מ) כל אחת) כ- 5 מ"מ) כ- 5 דקות (אפשרות) חוזר (מ) כ- 5 דקות (מ) כ- 5 מ"מ) בכל זמן קצר לאחר רכישת חיישן זמן קצר לאחר רכישת חיישן זמן קצר לאחר מכן, 10 מ"מ) בצריכת אלכוהול (מ) כ- 5 דקות) כ- 5 דקות) כ- 5 מ"מ) כ- 5 מ"

(ב) ויקרא י"ד): "וַיַּבְהַבְהַבְהַבְתָּבְהַבְתָּבְהַהְיִדְהִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִי" (בראשית כ"ד, כ"ד)

הכוח הממוצע המסיק חייב לעלות על הערך הזה עם שולי מספיק.הההתמונים לעתים קרובות מגלה כי הרדיו הוא הצרכן הדומיננטי, המניע את הצורך בפרוטוקולים יעילים באנרגיה ותזמון שינה אגרסיבי.עיצובים רבים פועלים מתחת ל-1 מ'W בממוצע כוח, מה שהופך אותם למטרות קיימא עבור קצירי רטט קומפקטיים או מקורה.כלי כמו מערכי אנרגיה וסביבות סימולציה (למשל, מודלים אנרגיה פתוחה) יכולים לנתח את החלקים המורכבים של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות אוטומטיות מורכבות אלה.

כוח משתנה ונקודת כוח מקסימלית

תפוקה של מקור קציר היא בדרך כלל מתח נמוך ומשתנה באופן פרוע PMI. a high-יעילות מוגברת ממיר או ממיר ab-boost יש צורך להסדיר מתח היצע יציב (למשל, 3.3 V), הממיר חייב להיות מסוגל לשלב את פעולת ה- MP-C2-Fcate מטווח המינימום של BVcer ללא סוללה מיוחדת.

בחירת אחסון אנרגיה

מכיוון שאנרגיה מכוננת היא לסירוגין, רכיבי אחסון ממריצים את הביקוש לעומס. Supercapacitors (EDLCs) מציעים כמעט בלתי מוגבלת של חיי מחזור ודחיסות כוח גבוהה, אידיאלי עבור מערכות שצריכים להתמודד עם ספייקטים עכשוויים שיא. Lithium או Lithium-polymer סוללות טעינה מחזורית, בתנאי לחץ על צפיפות אנרגיה גבוהה יותר, אך יש ספירות מחזור מוגבלות ודורשות הגנה רבות.

מיקרובקר ו- Sensor Power Management

מיקרו-בקרים של כוח אולטרה-נמוך (MCUs) נמצאים בלב של צומת אנרגיה-הארוויזון-היתר. ARM Cortex-M0+ ו- RISC-V מבוסס MCUs מציעים כעת זרמי שינה מתחת ל- 1 μA וזמני התעוררות תחת 1 μs.com- מערכות הפעלה לא יכולות לקבוע משימות רק כאשר אנרגיה מאוחסנים זמין, הם נבחרים עם פרופיל נמוך יותר, לעתים קרובות, כולל מצב אחסון של לחץ דם פעיל, כולל לחץ זמן, כולל, כולל מצבי לחץ דם פעיל.

חומרים מתעוררים ו Transducers for Higher Efficiency

המרדף אחר צפיפות כוח גדולה יותר וגמישות הוא המניע פריצות דרך במדעי החומרים.ההתקדמות הזו מקצרת את הפער בין אבטיפוסי מחקר לבין מוצרים מכוסטרניים מסחריים.

(FLT:0) תאים סולאריים טהורים ופרוסקט פוטו-וולטאיים: FLT:1 אורגני PV ותאים סולקיקיים perovskite ניתן להדפיס על תת-שכבות גמישות, בהתאם משטחים מעוקלים כגון כנפיים או דיור רובוט. Perovskites הגיעו ליעילות המרה כוח מעל 25% במעבדות, תוך שמירה על ביצועים גמישים במשקל נמוך יותר מ -100 / רובוטיים לטווח ארוך כדי לפתח חלופות לטווח ארוך.

(FLT:0Single-Crystal Piezoelectrics ו Metamaterials: ⁇ 1 רפראואלקטרי גבישים יחיד כגון PMN-PT מציג משככי חומרים עד 10 פעמים גבוה יותר מאשר קונבנציונאלי PZT, המאפשרים קוצר בקרה זעירים על גבי מעבדים חשמליים קטנים יותר ורגישים יותר.

(ב) [הידועים]:0 [החומרים] הטרואלקטריים וההיברידיים (Nanogenerators:] עבור מטאטאים חשמליים, גנרטורים תלת-חשמליים מפורשים יכולים לקצור אנרגיה ממופעי זרוע או התקפי רגל.

אינטגרציה ללא ים לתוך פלטפורמות Mechatronic

השילוב הפיזי של קצירי אנרגיה למכונות, כלי רכב, או תשתיות מעלה בעיות מכניות, חשמליות ובטיחות המשתרעות מעבר לקציר לבדו.הקציר חייב לשרוד את ההגדלה של הרטט, הזעזוע התרמי, האבק והלחות ללא ביצועים מגרדים.פוטים וציפוי תואם עם parylenelene או סיליקון להגן על אסיפות אלקטרוניות.

תאימות אלקטרומגנטית (EMC) ראוי גם תשומת לב.ממירים מעבר יכול להזריק רעש לתוך מעגלים אנלוגיים רגישים חיישן; פריסה זהירה עם כוכבים מעומק מגן חיוני.כאשר מספר רב של צמתים מקצרים תקשורת אלחוטית, ניהול אנרגיה רשת הופך חשוב - לוחות זמנים של שינה מתואמת ומגבלות נתונים מתאימים לשמור על תקציב חשמל מוחלט בבדיקה.

דרישות נהיגה

חיישני mechatronic מופעלים בעצמם נעים מעבר להוכחות – של תפיסה לתוך פריסות בנפח גבוה. להלן הם יישומים מייצגים שבו הערך חזק יותר.

תחזוקה חיזוי בתעשייה 4.0

מנועים במפעל, משאבות ומדחסמכים הם במעקב עבור רטט, טמפרטורה ואקוסטיקה לחזות כישלונות לפני שהם עוצרים את הייצור. התקנת חיישנים מתוחזקים סוללות על אלפי מכונות יוצר סיוט לוגיסטי. יבולי אנרגיה ויברציה מחוברים ישירות למכונות כיסטור לזהות את אותו אות רטט שהם מודדים, ללא מרשם ייצור של 300 מיקרו-W ב 50 מ"ג רטט הוא יותר ממספיק עבור כוח אולטרה-אווירה עכשיו כדי להחלפת נתונים מתקדמת.

מעקב אחר בריאות הנפש של תשתיות אזרחיות

גשרים, סכרים, טורבינות רוח דורשים ניטור ארוך טווח עבור בטיחות ותחזוקה. משיכת כבלים כוח לאורך גשר ארוך קילומטר הוא יקר ו פגיע למזג אוויר. ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ חשמליות מופצים אל פלדה beams לאסוף אנרגיה מתוחה מרטטים הנגרמים על ידי אנרגיה, אשר כוחות אנרגיה מנוסחת על גבי משטחים ו accelerometers כי גובה עומסים, עם נתונים באמצעות לוח זמנים של אוויר לייט אווירי אוויר, כמו גם על ידי צוות מול סוללות מופעל על ידי WAN, כמו גם על ידי טרה אוויר.

טיפול ב-Mechatronics and Healthcare

Exoskeletons, אסתטיקה חכמה, ו לפקחי כושר ליהנות מעצמה עצמית כדי להפחית את רוב ולשפר תאימות המשתמש. מפרקי היד של פרקי היד של פרקי היד הקציר חום הגוף; קצירים בודדים על מפרקים אסתטיקה להמיר תנועה gait.המשכיות הקציר אנרגיה יכול להיות משוב מטושטש כוח, זווית משותפת קודקוד, או מדדי בריאות רצופים בולטים הוא דוגמה עצמית 24 טיפול עצמי מופעלת לזיכרון חום קבוע.

חקלאות חכמה ו ניטור סביבתי

חיישני לחות סולריים, תחנות מזג אוויר, ועוקבים בעלי חיים הממוקמים על פני שדות גדולים אינם יכולים להיות מחווטים ויקרים לשמירה על סוללות. סולריים עם סוללה קטנה של ליתיום-יון שומרים על צמתים בחיים אפילו באמצעות שבועות מעוננים.בחקלאות מדויקת, ניתוח ניטרלי אנרגיה מאפשר מעקב נחיתות צפופים של זמן אחסון ופרימה, שיפור התשואות תוך צמצום השימוש בחיישנים סביבתיים קטנים.

בדיקות, אימות ותקנות אמינות

ניתוח אמין על פני חיי המוצר הוא לא ניתן להשגה.בדיקה חייבת לשכפל פרופילים אנרגיה בעולם האמיתי, לא רק תנאי מעבדה מבוקרים.פרקטיקה נפוצה היא להקליט מד תאוצה או היסטוריה של זמן אינטנסיביות קלה בסביבה היעד ולנגן אותם מחדש על שולחנות דקר או סימולטורים סולאריים.התפוקה של הקציר מחוברת אז לאלקטרונית מתוכנתת שמחייבת את דפוס האנרגיה הניקודמת על פני שבועות ניטרליים.

בדיקות חיים מואצות לחשוף את קצירי האופניים לטמפרטורה (- 40 מעלות צלזיוס ל +85 ° C), לחות, תרסיס מלח ועייפות מכנית.IEC 60068 מתווה שיטות מבחן סביבתיות מאומצות באופן נרחב עבור מקציני רטט, חיי עייפות של מחזורי דחיסות אנרגיה חיוניים וחומר האביב הוא קריטי; סיבים מחזקים ביצועים משמשים לעתים להאריך את היעילות, כגון תקני אבטחה קצרים עבור בדיקות אודיו / IO1 בתנאי אבטחה.

סקלאלה, עלויות ושיקולי ייצור

המעבר מטיפוס לייצור המוני דורש טיפול בעלויות, חזרה, וקלות של הרכבה. mMS משככי משככי כאבים ניתן לייצר באמצעות micromachining בקנה מידה wfer, הורדת עלויות יחידת עבור אלקטרוניקה צרכנית גבוהה. Roll-to-roll הדפסה של מחזורי צילום אורגני ומודולים גמישים טיפול נוסף מקטין חומרים ופקילה.

הכלכלה משכנעת כאשר העלות הכוללת של הבעלות נחשבת.מודול קציר רטט של 5 דולר המסלק חמישה שינויים סוללה על פני חיים תפעוליים של 10 שנים, כל עלות 150 דולר בעבודה ובשעות למטה, מניב תשואה על ההשקעה בשנה הראשונה של פריסה.כפי ש-Schis המרה כוח יורד מתחת ל-1 דולר בנפח, העקומה מאיצה על פני ה-IoT התעשייתי.

הדרך Ahead: AI-Enhanced Energy Management ו- Multi-Source

מערכות mechatronic המופעלות על ידי עתיד ימנף בינה מלאכותית כדי לחזות זמינות אנרגיה ולתאים את התנהגות חיישן.מיקרובקר יכול להפעיל רשת עצבית קלה, אשר לומדת תבניות אור יום יומיות או מחזורי חובה של מכונות ולוח זמנים של משימות בעוצמה גבוהה במהלך שפע אנרגיה. למידה כוח מחדש יכול לכוונון דינמי MPPT פרמטרים ורווחי שידור כדי למקסם את הנתונים תוך שמירה על ניטרליות אנרגיה.

מקציני Multi-source המשלבים PV, תרמי ופלטי רטט על שבב יחיד נעים מתוך מעבדות מחקר. מעגלים מתנייה משותפת עם מספר רב של מקורות אינטליגנטיים יכול להציע כוח מקצר יותר ולהפחית את הסיכון של אובדן חשמל מוחלט. integrating אנרגיה אחסון על שבבים באמצעות מיקרו-מצב אינטנסיבי או supercapacitors גבוה מאוד יניב באמת אוטונומית של סוללות כמו סטנדרטיות מערכת ההפעלה אלקטרונית, אשר תמשיך סימולציות מיקרוסקופיות מיקרוסקופיות גבוהה יותר.

לסיכום, פיתוח חיישנים קציר אנרגיה עבור יישומים מכניים מופעלים עצמית הוא מאמץ בין-תחומי המאחד חומרים מתקדמים, אלקטרוניקה בעוצמה נמוכה ועיצוב מכני חזק.עם תקציב אנרגיה זהירה, ניהול חשמל טוב, ובחירת טכנולוגיה מתאימה, אנו נכנסים לעידן שבו ניתן להתקין את החיישן ונשכח, פועל במשך עשרות שנים ללא שינוי סוללה יחיד.