Küçük Enerji Dönüşümünün Fiziki

Miniaturizasyondaki ilerlemeler, makro ölçekli motorların temel termodinamik sınırlarının yetersiz hale gelmesi, implantatif tıbbi cihazlardan bağımsız mikro-satellitlere kadar uzanan uygulamalar için mikro-elektüel enerji kaynaklarının tasarlanması için kritik önem taşıyor.

Zorluk, küçük ölçeklerde, yüzey etkileri, kuantum fenomenleri ve istatistiksel dalgalanmalar hakimdir. Verimlilik kazanımları elde etmek daha zordur ve sürekli mekanik ve toplu termodinamik varsayımları kırılır. mühendisler ve fizikçiler bu nedenle enerji nasıl dönüştürülür, depolanır ve bu boyutlardaki ayrışmaları tekrar gözden geçirmelidir.

Yasaları ve Termodinamik Performans üzerindeki Etkileri

Mikro ölçekli güç sistemlerini tartışırken ilk düşüncelerden biri, boyut ile termodinamik miktar ölçeğin nasıl ölçeklendiğinidir.(Dönetici uzunlukta olan bir motor için:0)L), yüzey alanı ölçekler asurFLT:2L2).

  • [FONT:0]Heat dağılımı yüzeysel olarak ortaya çıkıyor[[DÜT:1). Küçük ölçeklerde, bir cihazın içindeki ısı, hacimle kıyasla nispeten daha büyük bir yüzey alanı ile reddedilmelidir. Ancak, konvective ısı transfer katları aynı zamanda değişmiş akışkan dinamikleri nedeniyle küçük ölçeklerde de değişir.
  • [FONT:0] ⁇ inertia azalır[[Dönetici: 1). Sıcaklık zamanı sabit ölçekler yaklaşık L2 olarak, yani mikro ölçekli sistemler makrooskopik meslektaşlarından daha hızlı ısıtabilir ve yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunabilir - hızlı bisiklet için olanaklar sağlar, aynı zamanda termal yönetim daha zorlu hale getirir.
  • [FONT:0]Surface-to-volume oranı reaksiyon kinetiği[DÜT:1) etkiler. Mikro-kombünlerde veya yakıt hücrelerinde, yüksek yüzey alanı katalitik reaksiyonları artırabilir, ancak aynı zamanda reaksiyon bölgesinden ısı kaybı da artacaktır.

Bu ölçekleme yasaları, enerji kayıplarının gerçekleştiği yerde temel bir değişim sağlar. Makuloskopik motorlar genellikle silindir duvarları aracılığıyla ısı transferleriyle sınırlıyken, mikro-mühendislik farkı, küçük bir parasitik kayıplara neden olan büyük bir sıcaklık düzeyine sahip olma yeteneğiyle sınırlıdır.

Klasik Termodinamik Limitler Miniature Systems için Revisited

İkinci Kanun ve Finite-Time Termodinamik

Makrooskopik sistemlerde, ikinci termodinamik yasası, iki rezervuar arasında çalışan bir ısı motoru için maksimum verimliliği ayarlar. Bununla birlikte, mikro ölçekli Stirling motoru varsayımı, örneğin, en iyi işletim frekansı, son derece enerji çıkışı ve verimliliği arasında bir ticaret-zaman termodinamik hesabıdır, çünkü regenerden gelen gecikmeler daha önemli kayıplar haline gelir.

Araştırmacılar, Curzon-Ahlborn verimliliğinin ( ⁇ CA = 1 - √(T c/T h) genellikle mevcut mikro-fabricated Stirling motorlar ve mikro gaz türbinlerinin, bu geri dönüşümlü kayıplar nedeniyle Carnot verimliliğinin yarısından daha az olduğunu göstermiştir.

Micro-Scale Systems'de Entropy Generation

Irreversibiliteler entropi yaratır ve küçük sistemlerde entropi üretim oranı, 1 mm'nin altındaki hidrolik yoğunluklara dayanan tahminlerden önemli ölçüde beslenebilir. Örneğin, mikro kanallı ısı değiştiricisinde, entropi nesil sadece sonlu sıcaklık farkı ile değil, aynı zamanda yüksek sıcaklık farkları ile çok daha az verimlidir.

Bu, dış ısı değişimine dayanan herhangi bir güç sistemi için doğrudan etkilere sahiptir - mikro Rankine çevrimleri veya termoelektrik jeneratörleri gibi. Kanal geometrisinin dikkatli optimizasyonu ve akış rejimleri yeterli ısı transferini sürdürürken entropi üretimine ihtiyaç duyar.

Nanoscale

Nanometer ölçeğine yaklaştığımızda, klasik termodinamiğin yasaları kuantum mekanikleriyle artırılmış olmalıdır. Kuantum termodinamik, enerji dönüşümünün enerji seviyelerinin ayrı ve tutarlı etkileri olduğunda nasıl davrandığını hızla gelişen bir alandır.

Kuantum Değerlemeleri ve Klasik Değerleme İlişkisi

Mikro ve nano ölçekli sistemlerde, termal enerji k B T, ölçümlenen enerji seviyelerinin sürekli ihlallerini ölçmek için karşılaştırılabilir.Bu, nano ölçekli bir ısı motorunda, ısının kısa bir süre boyunca soğuktan akacağı dalgalanmalar için, ikinci yasanın geçici ihlallerini ölçmek için bir yol sağlar.

Bu dalgalanmaları anlamak, implante edilmiş tıbbi cihazlar gibi kritik uygulamalar için güvenilir güç kaynakları tasarlamak için önemlidir. Bir nano ölçekli termoelektrik jeneratörü tarafından desteklenen bir hız cihazı, ters güç akışının filosuna bile tahammül edemez. Sonuç olarak, mühendislik bu tür dalgalanmalara karşı tamponlama için yeterli miktarda kırmızı veya depolama içermelidir.

Landauer'in Prensipleri ve Bilgi-Energy Trade-offs

En küçük ölçeklerde, bir sistemin durumunu ölçme veya kontrol etme eylemi enerji tüketmektedir. Landauer'in prensibi, hafızadaki bir miktar bilgiyi hafızada dağıtmanın en az k B T ln 2 ısıyı yönetmek için gereken mikro ölçekli güç sistemlerindeki bilgi ve enerji dönüşümün önemli bir kısmı mikro ölçekli bir sistemdir. Örneğin, güç akışını yönetmek için mantık kapılarına dayanan bir mikro-robot, mikro ölçekli sistem tasarımının termodinamik maliyeti için dikkate almalıdır.

Özel Mikro-Scale Power Dönüşüm Teknolojileri ve Sınırları

Termoelektrik Jeneratörleri

Termoelektrik (TE) jeneratörleri, Seebeck etkisi ile doğrudan elektrik gerilimine dönüşür. Onların verimliliği ZT = (S2 ⁇ / ⁇ ) T, S'nin Seebeck katsamı, ⁇ elektrik iletkenliği ve ⁇ termal iletkenliği ile Zuride gibi mikro ölçekli malzemeler ZT'yi oda sıcaklığında 1'i gösterir, Carnot-relatif efficiler% 10-15'i küçük 345T için.

  • [FONT:0]Nano yapılandırması[[Dönetici:0) ZT'yi elektrik iletkenliği ödün vermeden lattice termal iletkenliği azaltarak yükseltebilir. İnce film süperlattices ve kuantum dizileri ZT > 2'yi laboratuvar ayarlarında elde etmiştir.
  • [FONT:0)Challenges[[DÜDÜT:1): Mikro ölçekli, TE bacağı ve ısı kaynağı / sink arasındaki ısı uyumluluğu da kritik hale gelir.
  • [FONTD:0]Fundamental limit[[DÜT:1): Mükemmel malzemelerle bile, verimlilik Carnot limiti ile bağlıdır, ancak en yüksek güç noktası, basit bir TE jeneratör için Carnot verimliliğinin yaklaşık yarısına kadar oluşur, eşdeğer devre modelden elde edilir.

Mikro-Komşlama Motorları

Mikro gaz türbinleri ve mikro iç yanma motorları, yakıtlardan tedarik veya güç üretimi için kimyasal enerjiyi kullanmayı hedefliyor. Ancak, yüksek yüzey-to-volume oranları nedeniyle sert alevler ortaya çıkıyor.

  • [FONT:0]Flame stabilizasyon[[DÜT:1], katalitik yanma, göz ardı edilebilir medya veya alevsiz oxidasyon (MILD yanma) kullanılarak elde edilir.
  • [FONT:0] ⁇ yönetimi[DÜDÜT:1): Yüksek ısı kayıpları, mikro-kombusların gerçek ısı verimliliğinin nadiren% 5-10'u aşacağı anlamına gelir.

Mikro-Fabricated Stirling Engines

Stirling motorları kapalı döngü ve dış yanma (veya herhangi bir ısı kaynağı) nedeniyle yüksek verimlilik potansiyelini sunar. Mikro ölçekli Stirling motorları MEMS tekniklerini kullanarak imal edilmiştir. Ancak, regenerator - anahtar bileşeni - çok iyi bir ağ yapısı (pores ~ 10 μm) ölü hacmini minimuma çıkarmak için.Regenerator ölçekleri arasında baskı düşüşler azaltılırken, hız ve güç yoğunluğu sınırlaması.

Teorik analiz Beale sayının (enerji çıktısına uygun) 1 cm3'ün altında boyut düşüşünü azaltdığını gösteriyor. AAHFLT:0) Nature Scientific Reports[Dönetici 1], sadece 10 μW'nin bir çıkışıyla, Carnot'un % 1.2'si mikro ölçekli teori ve uygulama arasındaki boşluğu vurgula MEMS Stirling motoru gösterdi.

Orta Kaynaklarından Enerji Üretiyor

Piezoelektrik, elektromanyetik ve elektrostatik enerji hasatçılar ortam titreşimlerini veya termal gradientleri elektrik içine dönüştürürler. Bu sistemler klasik anlamda ısı motorları değildir, ancak hala termodinamik düşüncelerle sınırlılar:

  • [FONT:0)Piezoelektrik hasatçılar [[Dönetici: döngüsündeki maksimum enerji dönüşümü mekanik-elektriksel darbe katarak (k2) tarafından belirlenir.Genel PZT seramikler için, k2 genellikle 0.3-0.5, yani en azından mekanik girdi enerjinin yarısı ısı olarak dağıtılır.
  • [FONT:0]Thermoelektrik hasatörleri giyilebilir [[Dönetici: 1))[Geçmişler için ısı farkı sağlarlar, ancak giriş ısısı floranın bol olduğu için.

Miniaturized Systems'de ısı geçişi Limitleri

Etkili ısı transferi herhangi bir termal güç sisteminin linchpinidir. Mikro ölçeklilerde, konvektif ısı transfer katları, ısı sınır tabakası kalınlığının azaltılması nedeniyle mikro kanallarda geliştirilmektedir, ancak basınç düşüşü aynı zamanda üretilen enerjinin önemli bir kısmını gerektiren ekstra pompalar da artmaktadır.

Faz değişimi ısı geçişi - çok yüksek ısı transfer katlarını sağlar - ancak kritik ısı flux (CHF) en yüksek ısı kaldırmasını sınırlar. Mikro kanallarda, CHF, en küçük boyutlardaki akış nedeniyle daha büyük kanallarla karşılaştırılır.

Bu ısı transfer kısıtlamaları doğrudan güç dönüştürücü ile ısı redüksiyon sisteminin önemini yeniden tasarlayan bir mikro ölçekli güç sisteminin termodinamik verimliliğini etkiler.

Limitleri zorlamak için malzeme inovasyonları

Küçük ölçeklerdeki termodinamik engeller, belirli özellikleri olan malzemeler gerektirir. Bazı umut verici yönler şunlardır:

  • [FONT:0)Phase-change Malzemeler (PCMs))[Köpek enerji depolama için kullanılır, PCMs neredeyse sabit sıcaklıkta büyük miktarda ısı absorbe edebilir, mikro motorların buffer geçici ısı yüklerine izin verebilir.
  • [FONT:0]Thermoelektrik süperlattices[DÜT:1): Farklı malzemelerin nano ölçekli katmanları değiştirerek, elektron taşıması seçici olarak dağıtılırken, bu malzemeler ZT değerleri oda sıcaklığında 2.4 olarak göstermiştir, ancak üretim zorlukları ve maliyet engeller kalır.
  • [FONT:0) Yüksek performanslı alaşımlar[Dönetici:) Yüksek performanslı alaşımlar için: Termal bisiklete dayanacak yapısal bileşenler için, yüksek performanslı alaşımlar gelişmiş mekanik güç ve termal stabilite sunar, daha yüksek işletme sıcaklıklarına ve böylece daha yüksek Carnot efficizlere izin verir.

Uygulamalar Araştırmayı Arabalar

Kompakt, yüksek seviyeli güç için pratik ihtiyaç mikro ölçekli termodinamiklere araştırmayı hızlandırıyor. Anahtar uygulamalar şunları içerir:

  • [FONT:0]Implantable tıbbi cihazlar[DÜT:1): Pacemakers, nörostimülatörler ve ilaç teslim pompalar cerrahi yedek ihtiyacı olan bataryalar olmadan uzun süreli güç kaynakları gerektirir.
  • [FONT:0) Nesnelerin İnterneti (IoT) sensörleri): Endüstriyel bitkilerle ilgili Özerk sensörler, köprüler veya tarım alanları yıllarca çalışmalıdır.
  • [FONT:0)Mikro-satellitler ve CubeSats): Bu platformlar küçük bir ısı kaynağından birkaç watta kadar elektriksel güç aktarımını sağlayabilir.
  • [FONT=0)Mikro-robotikler[[Döneticiler)[Döneticiler: Güvenli bir mikro-robotlar, hareket için yüksek güç patlamalarını sunabilecek şekilde depolanmalıdır. Mikro-kombuslama motorları gösterildi, ancak termodinamik verimsizlikleri, onların viability limitleri; lazoelektrik eylemleri daha pratik olabilir.

Future Yol ve Açık Sorular

Büyük stridesler, mikro ölçekli enerji dönüşümünü anlamak ve mühendislikte yapılırken, birkaç temel soru kalır:

  • [FONT:0) kuantum tutarlılığı kullanılabilir mi?): Son teorik çalışma, kuantum motorların döngü sırasında muhafaza edilebilirse klasik Carnot verimliliğini aşabileceğini gösteriyor. Ancak, oda sıcaklığındaki deneysel gösteriler hala elusive.
  • [FONT:0) Nano ölçekli verimlilik nasıl doğru ölçebiliriz?): nano ölçekli cihazlardaki sıcaklık ve ısı akışını ölçme zorluğu büyük belirsizlere yol açıyor. Yeni metroloji teknikleri, örneğin tarama termal mikroscopy ve kuantum termometrisi, hassaslığa ihtiyaç duyanlar için geliştiriliyor.
  • [FONT:0] Lineer olmayanların ve eşit olmayan olmayan taşımaların rolü nedir?) “Küçük ölçeklerde, sistemler genellikle dengeden uzaktır ve klasik doğrusal Onsager ilişkileri tutamaz. tam doğrusal olmayan taşıma rejiminin yeni yollarının geleneksel verimliliğinin sınırlarının ortaya çıkmasının yollarının ortaya çıkmasının farkına varabilir.

Araştırmacılar bu soruları aktif olarak keşfederler, disiplinler arası ekipler yoğunlaştırılmış madde fiziği, MEMS mühendisliği ve termodinamik. Nihai hedef, doğa tarafından belirlenen temel termodinamik sınırlarına yaklaşım eden mikro ölçekli güç sistemleri tasarlamaktır, hem kompakt hem de verimli olan güçlü yeni teknolojilere olanak sağlar.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

İdeal Carnot verimliliğinin yüksek bir sınırda kalmasına rağmen, küçük ölçeklerdeki yüksek zorluklarla karşı karşıya kalabilir, entropide, malzemelerde, cihaz mimarisi ve termodinamik modelleme bu sınırları zorlamak için gerekli olacaktır.