УДК 621.313.12 + 519.876.5 + 537.226.4

И.Л.Багинский, канд. физ.-мат. наук, Э.Т.Косцов, д-р физ.-мат. наук,

Институт автоматики и электрометрии СО РАН (г. Новосибирск)

e-mail: kostrov@iae.nsk.su

Микроэлектронные высокоэнергоемкие генераторы энергии

Описаны принцип работы и особенности изготовления с использованием технологии микроэлектроники емкостного электростатического генератора энергии на основе тонких сегнетоэлектрических пленок. Модуляция емкости осуществлялась путем механической вибрации решеток металлических полосок с осажденной сегнетоэлектрической пленкой. Проанализирована работа двухконденсаторного генератора с учетом потерь заряда из-за токов утечки.

 

 

Введение

Электростатические генераторы энергии

Микроэлектронный электростатический генератор энергии

Заключение

 

Введение

В настоящее время все большее внимание уделяется альтернативным способам получения энергии. Одним из перспективных путей развития энергетики является получение электрической энергии из различных источников с малой плотностью потока энергии (например, ветер, остаточная теплота технологических процессов и др.). В большинстве случаев такая энергия первоначально трансформируется в механическую энергию вращения роторов электромагнитных генераторов, а лишь затем – в электрическую. Однако при уменьшении плотности потока энергии такая схема преобразования энергии наталкивается на ряд принципиальных трудностей. Из-за малой плотности потока преобразуемой энергии (например, в ветроустановках – до 100 Вт/м2) КПД преобразования невысок. С уменьшением этой плотности возрастает отношение массы (объема) генератора к мощности получаемой электрической энергии – падает энергоемкость генератора, а также значительно возрастают стоимость единицы выработанной энергии (которая в значительной степени определяется невысокой надежностью согласующих редукторов) и стоимость вырабатываемой энергии. Кроме того, такие преобразователи энергии начинают работать только при достижении некоторого порогового потока энергии, например, при скорости ветра не менее 2 м/с. Эти факторы предопределяют низкую конкурентную способность таких установок.

Одним из путей решения проблемы является преобразование энергии указанных маломощных источников в механические колебания малой амплитуды, совершаемые подвижной частью генератора с малой массой, которые далее непосредственно преобразуются в электрическую энергию.

Данная работа демонстрирует возможность создания преобразователей энергии механических колебаний с микрометровой амплитудой в электрическую энергию, которая вырабатывается емкостным электростатическим генератором, создаваемым методами микроэлектронной технологии.

Электростатические генераторы энергии

Рис. 1. Машина Теплера

Электростатические генераторы известны достаточно давно. Принцип их действия основан на совершении работы механических сил против сил электрического поля [1]. В емкостных генераторах эта работа совершается против действия электростатических сил притяжения разноименных заряженных пластин конденсатора, т.е. происходит модуляция емкости за счет механического фактора. В простейшем емкостном генераторе (машина Теплера [1]), схема которого приведена на рис. 1, преобразование механической энергии в электрическую имеет место при раздвижении пластин заряженного разомкнутого конденсатора, после чего конденсатор переключается на нагрузку – осуществляется съем электрической энергии.

Микроэлектронный электростатический генератор энергии

Ранее нами был разработан новый принцип электромеханического преобразования энергии, основанный на использовании эффекта электростатического наката свободных металлических пленок на поверхность сегнетоэлектрических пленок с высокой диэлектрической проницаемостью , и создан на основе этого эффекта ряд электростатических микродвигателей [2]. Экспериментальные исследования закономерностей наката показывают, что под действием электростатических сил возможно изменение емкости в 100-1000 раз, при удельной емкости 100-1000 пФ/мм2. В принципе, при использовании обратного эффекта “отделения” от поверхности сегнетоэлектрика металлических пленок, прижатых к ней за счет действия сил электрического поля, возможна генерация электрической энергии. Однако возможно преобразование энергии и с помощью другой тонкопленочной конструкции на основе сегнетоэлектрических пленок, выполненной в виде сдвиговой решетки металлических полосок, расположенных на двух подложках, зазор между которыми заполнен диэлектрической (сегнетоэлектрик) средой с высокой диэлектрической проницаемостью  (рис. 2).

Рис. 2. Пример топологической реализации двуемкостного генератора

Рассмотрим принцип работы двухконденсаторного генератора (рис. 3, см. [3]). Он основан на уменьшении одной группы емкостей в процессе колебания решетки и соответствующего увеличения в этот период времени емкости другой группы. При этом происходит перетекание заряда через сопротивление нагрузки  и нет необходимости использовать электронные ключи для передачи электрической энергии в нагрузку, что характерно для одноемкостных электростатических генераторов (см. рис. 1). Возможные потери заряда из-за наличия утечек  () компенсируются от внешнего источника постоянного тока .

Рис. 3. Схема двуемкостного генератора
с учетом утечек  (в общем случае
изменяющихся во времени с периодом
модуляции емкостей  генератора
 и с компенсацией потерь за счет
включения источника тока

Рис. 4. Пример зависимости максимально
возможной эффективности
преобразования энергии от глубины
 амплитудной модуляции

Математическая модель двухконденсаторного генератора и анализ различных режимов его работы проведены в работе [4]. На рис. 4 показано влияние глубины модуляции емкости конденсаторов  и  () на максимальную эффективность преобразования энергии , где  - максимальная электрическая мощность, выделяемая на оптимально согласованной нагрузке ;  – электрическая мощность, теряемая в сопротивлениях утечки. Увеличение утечек приводит к снижению эффективности, соответственно порог начала генерации энергии (при котором ) сдвигается в сторону больших . Отметим, что хотя величина  почти линейно зависит от глубины модуляции в области значений , представляющих интерес для практического использования, в области больших  наблюдается тенденция к насыщению, а при  значение эффективности стремится к нулю. Увеличение амплитуды колебаний решетки и перекрытие  линеек решетки за один период колебаний, эквивалентно увеличению частоты модуляции .

Рис. 5. Пример зависимости электрической
мощности, развиваемой генератором,
от числа  перекрываемых
полосок решетки

На рис. 5 показана зависимость выходной мощности генератора от числа перекрываемых линеек решетки . Рис. 6 демонстрирует возможности рассматриваемого генератора в режиме стабилизации напряжения. Приведенная зависимость удельной мощности  генератора от  и  (где  – сопротивление утечки, в общем случае – переменное, усредненное за период колебаний) построена для решетки линеек с площадью 1 см2 и для следующих параметров: удпФ/мм2 (это минимальное значение), ширина электродов 20 мкм, расстояние между ними также 20 мкм, Гц, начальное напряжение на емкости 40 В при амплитуде колебаний 40 мкм, что соответствует перекрытию одной линейки решетки (рис. 6,а), и 200 мкм – амплитуда колебаний соответствует перекрытию пяти линеек решетки (рис 6,б). Эффективность преобразования энергии – отношение энергии, вырабатываемой генератором за период колебаний, к энергии, теряемой в утечках  () может достигать значений 100 и более. Принципиально возможно, в рамках технологии современной микроэлектроники, снижение амплитуды колебаний решетки до 1-5 мкм, а предельная мощность генерируемой энергии при соответствующих параметрах межэлектродной среды может достигать до 10 кВт/м2.

Рис. 6. Зависимость мощности ячейки генератора площадью 1 см2

Заключение

Результаты данной работы показывают, что эффективное преобразование механической энергии в электрическую форму энергии возможно с помощью устройств, полностью создаваемых на основе технологии микроэлектроники Преимущества таких генераторов по сравнению как с традиционными электростатическими генераторами, так и с электромагнитными генераторами, заключаются в следующем:

·    они остаются работоспособными в широком диапазоне механических нагрузок, генерация энергии имеет место уже при микрометровых сдвигах одной плоскости относительно другой, при этом практически отсутствует порог в интенсивности потока механической энергии;

·    стоимость таких генераторов значительно ниже по сравнению с любыми известными аналогами в силу массовой и воспроизводимой технологии их изготовления, по этой же причине выше и их надежность;

·    такие генераторы отличаются достаточно высокими массогабаритными характеристиками – удельная энергоемкость может достигать значений 100 Вт/кг и более;

·    управление ими значительно более простое – достаточно иметь источник напряжения, в коммутации каналов нет необходимости;

·    они допускают возможность параллельного их объединения на общую нагрузку;

·    принцип их работы допускает создание достаточно гибких двух- и трехмерных конструкций, конструкций вращательного типа, когда колебания или непрерывное движение осуществляются относительно оси.

Список литературы

1.      Тэнэсеску Ф., Крамарюк Р. Электростатика в технике. М.: Энергия, 1980.

2.      Dyatlov V.L., Kostsov E.G. and Baginsky I.L. High-effective electromechanical energy convention on the basis of thin ferroelectric films // Ferroelectrics. 2000. Vol. 241. P. 99-106.

3.      Breaux О.Р. Electrostatic energy convertion system. Патент США. № 4127804, 1978.

4.      Багинский И.Л., Косцов Э.Г. Анализ возможности создания микроэлектронного электростатического генератора энергии // Автометрия. 2002. № 1. С. 107-122.

 

 

Наверх