Новые источники питания для портативных устройств

Самым новым и горячим является использование MEMS для создания топливных элементов и генераторов питания, которые предназначаются для использования в портативных электронных приборах будущих поколений (CD проигрыватели, цифровые камеры, персональные цифровые секретари). Достаточно сказать, что по этой теме на конференции IEEE в феврале сего года, в Майами Бич, было представлено более 200 докладов. На фирме Toshiba производится топливный элемент с прямым использованием метанола на базе MEMS емкостью 140 сс, с выходной мощностью 1 Вт на 20 часов работы. Микронасос был разработан для подкачки газов и жидкостей и для поддержания потребляемой мощности и размеров в приемлемых пределах. В конструкции используется полимерный мембранный электролитический узел с катодом и анодом для выполнения функций топливного элемента. Каждый электрод имеет каталитический слой и газодиффузионный слой. Размеры устройства примерно соответствуют габаритам среднего сотового телефона. Большой интерес вызвала совместная разработка мощного генератора питания усилиями разработчиков Технологических институтов штатов Массачусетс и Джорджия. Эта технология основана на микромеханической MEMS структуре с использованием постоянного магнита. Генераторы являются трехфазными, осевыми, синхронными машинами. Каждая состоит из многополюсного статора с поверхностной намоткой и ротора на базе постоянного магнита. Микромеханические витки с малыми зазорами между проводниками и с геометрией переменной ширины являются ключевыми элементами, обеспечивающими высокую плотность мощности. При скорости вращения 120 000 об./мин. генератор продемонстрировал 2,6 Вт преобразование механической энергии в электрическую. Связанный с трансформатором и выпрямителем генератор обеспечивает мощность на постоянном токе 1,1 Вт на резистивной нагрузке. Для случая активной машины с размерами 9,5 мм (внешний диаметр), 5,5 мм (внутренний диаметр), 2,3 мм (толщина) это соответствует мощности 10 МВт/м3. Разработчики полагают, что такого рода MEMS генераторы могут обеспечить мощность от 10 до 100 Вт. Они полагают, что генерирование электрической мощности на Вт уровне создает предпосылки создания масштабируемых устройств с использованием постоянных магнитов для практических применений. Такие электрические генераторы могут приводиться в действие различными первичными источниками, включая поток жидкости, сжатый газ или небольшие двигатели внутреннего сгорания, например, газовые турбины микронных размеров. Разработчики Массачусетского Технологического института совместно со школой Линкольновской лаборатории создали электроквазистатический индукционный турбинный электрогенератор. При саморезонирующем возбуждении была достигнута выходная мощность 192 МВт. Генератор состоит из пяти кремниевых слоев, сплавленных при 700оС. Статор представляет собой структуру из окисноплатинового электрода, сформированного на углубленном островке окисла. Ротор представляет собой тонкую пленку из слаболегированного поликремния, расположенного также на островке окисла. Генерирование мощности ограничивается внутренними и внешними емкостями. Поэтому для достижения более высоких уровней мощности необходимо выполнение моделирования. Новый подход предложен сотрудниками Калифорнийского Технологического института, заключающийся в использовании MEMS матриц жидкостных роторных электретных генераторов питания (LEPG). Эти LEPGs представляют собой конденсаторы статического заряда, покрытые тефлоном, с зазорами, заполненными воздухом и жидкими капельками, которые перемещаются при вибрации. При перемещении жидкости в и из зазора на конденсаторе генерируется результирующее напряжение, в то время как зеркальный заряд перераспределяется на электроде в соответствии с положением капелек. Указанное может привести к выходу до 10 Вт. Отмечается, что необходимо проведение дальнейших исследований. MEMS также имеют перспективы для создания инструментов в помощь созданию миниатюрных топливных элементов и каталитических химических микрореакторов. Один из таких инструментов представляет собой пассивный микрорегулятор газа для контроля потока газа в миниатюрных топливных элементах. Первая такая разработка выполнена совместно фирмой Сanon и Токийским университетом. Относительно дальнейших перспектив MEMS в коридорах конференции прозвучало интересное высказывание одного швейцарского ученого о том, что готовится замена всех прецизионных стальных шестеренок на MEMS шестеренки.