Кинетический вибрационный микрогенератор с пониженным выходным напряжением для производства водорода

Представлены результаты исследования особенностей работы кинетического микрогенератора с пониженным выходным напряжением. Проведено сравнение эффективности работы многоступенчатого модифицированного удвоителя Беннета и системы, включающей двухступенчатый модифицированный удвоитель Беннета и диодно-конденсаторный делитель напряжения. Показано, что с увеличением числа ступеней в модифицированном удвоителе Беннета преобразование механической энергии в электрическую становится все менее эффективным. При этом для получения максимальной скорости накопления энергии предпочтительным является двухступенчатый усилитель мощности на основе удвоителя Беннета. Установлено, что при анализе работы диодно-конденсаторного делителя напряжения необходимо учитывать собственные емкости разрядных диодов, значительно влияющих на функционирование делителя. Обнаружены и проанализированы особенности поведения делителя при изменении сопротивления нагрузки и собственных емкостей разрядных диодов. Получены аналитические выражения, связывающие основные характеристики микрогенератора в целом с параметрами используемых электронных компонентов. Показано, что для расширения области «правильного» деления делителя необходимо использовать разрядные диоды с минимальными собственными емкостями, а также, что подключение к удвоителю Беннета нагрузки в виде делителя напряжения изменяет допустимую глубину модуляции емкости переменного конденсатора.

1. Khan S., Pathan A.-S., Alrajeh N. Wireless Sensor Networks. – 2016.

2. Heydarishahreza N. et al. Wireless Sensor Networks Fundamentals: A Review // 11th IEEE Annual Information Technology, Electronics and Mobile Communication Conference (IEMCON). Vancouver, BC, Canada: IEEE, 2020. – P. 0001-0007.

3. Shaikh F.K., Zeadally S. Energy harvesting in wireless sensor networks: A comprehensive review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2016. – Vol. 55. – P. 1041-1054.

4. Prasad Ch. R. et al. Review on energy harvesting techniques for wearable devices in wireless body area networks. Warangal, India, 2022. – Art. 030029. – P. 1-12.

5. Linares J. I., Herranz L. E., Moratilla B. Y. Maximum efficiency of direct energy conversion systems. Application to fuel cells // International Journal of Hydrogen Energy. – 2011. – Vol. 36. – № 16. – P. 10027-10032.

6. Scamman D. et al. Hybrid hydrogen-battery systems for renewable off-grid telecom power // International Journal of Hydrogen Energy. – 2015. – Vol. 40. – № 40. – P. 13876-13887.

7. Lundblad T., Taljegard M., Johnsson F. Centralized and decentralized electrolysis-based hydrogen supply systems for road transportation – A modeling study of current and future costs // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48. – № 12. – P. 4830-4844.

8. Huang X., Zhong T. Hydrokinetic energy harvesting from flow-induced vibration of a hollow cylinder attached with a bi-stable energy harvester // Energy Conversion and Management. – 2023. – Vol. 278. – Art. 116718. – P. 1-18.

9. Harb A. Energy harvesting: State-of-the-art // Renewable Energy. – 2011. – Vol. 36. – № 10. – P. 2641-2654.

10. Mitcheson P. D. et al. Energy Harvesting From Human and Machine Motion for Wireless Electronic Devices // Proc. IEEE. – 2008. – Vol. 96. – № 9. – P. 1457-1486.

11. Zhang Y. et al. Micro Energy Harvester With Dual Electrets on Sandwich Structure Optimized by Air Damping Control for Wireless Sensor Network Application // IEEE Access. – 2018. – Vol. 6. – P. 26779-26788.

12. Khan F. U. Review of non-resonant vibration based energy harvesters for wireless sensor nodes // Journal of Renewable and Sustainable Energy. – 2016. – Vol. 8. – № 4. – Art. 044702. – P. 1-38.

13. Hoffmann D. et al. Fabrication, characterization and modelling of electrostatic micro-generators // J. Micromech. Microeng. – 2009. – Vol. 19. – № 9. – Art. 094001. – P. 1-11.

14. Guo X. et al. A comprehensive study of non-linear air damping and «pull-in» effects on the electrostatic energy harvesters // Energy Conversion and Management. – 2020. – Vol. 203. – Art. 112264. – P. 1-13.

15. Khan F. U., Qadir M. U. State-of-the-art in vibration-based electrostatic energy harvesting // J. Micromech. Microeng. – 2016. – Vol. 26. – № 10. – Art. 103001. – P. 1-28.

16. Ostertak D. I. Experimental evaluation of parameters of the capacitive MEMS converters // 2009 International School and Seminar on Modern Problems of Nanoelectronics, Micro- and Nanosystem Technologies. Novosibirsk, Russia: IEEE, 2009. – P. 97-102.

17. Ostertak D. I., Sinitskiy R. E., Dragunov V. P. Operation features of electrostatic vibrational energy harvester based on contact potential difference // J. Phys.: Conf. Ser. – 2019. – Vol. 1353. – Art. 012097. – P. 1-6.

18. Dragunov V. et al. Impact-enhanced electrostatic vibration energy harvester // J. Appl. Comput. Mech. – 2022. – Vol. 8. – № 2. – P. 671-683.

19. Judy J. W. Microelectromechanical systems (MEMS): fabrication, design and applications // Smart Mater. Struct. – 2001. – Vol. 10. – № 6. – P. 1115-1134.

20. Dragunov V. P., Ostertak D. I. Microelectromechanical converters // Russ Microelectron. – 2012. – Vol. 41. – № 2. – P. 107-121.

21. Hu Y. et al. Voltage Regulation and Power Management for Wireless Flow Sensor Node Self-Powered by Energy Harvester With Enhanced Reliability // IEEE Access. – 2019. – Vol. 7. – P. 154836-154843.

22. Wang Y. et al. Efficient Triboelectric Nanogenerator (TENG) Output Management for Improving Charge Density and Reducing Charge Loss // ACS Appl. Electron. Mater. – 2021. – Vol. 3. – № 2. – P. 532-549.

23. Karami A., Galayko D., Basset P. Series-Parallel Charge Pump Conditioning Circuits for Electrostatic Kinetic Energy Harvesting // IEEE Trans. Circuits Syst. I. – 2017. – Vol. 64. – № 1. – P. 227-240.

24. Yang Z. et al. Modelling and analysis of an out-of-plane electret-based vibration energy harvester with AC and DC circuits // Mechanical Systems and Signal Processing. – 2020. – Vol. 140. – Art. 106660. – P. 1-15.

25. Bradai S. et al. Vibration Converter with Passive Energy Management for Battery-Less Wireless Sensor Nodes in Predictive Maintenance // Energies. – 2022. – Vol. 15. – № 6. –Art. 1982. – P. 1-17.

26. XXVII. An account of a doubler of electricity, or a machine by which the least conceivable quantity of positive or negative electricity may be continually doubled, till it becomes perceptible by common electrometers, or visible in sparks // Phil. Trans. R. Soc. 1787. – Vol. 77. – P. 288-296.

27. De Queiroz A. C. M. Steady-State Analysis of Electronic Electrostatic Generators // 2018 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). Florence: IEEE, 2018. – P. 1-5.

28. De Queiroz A. C. M., De Menezes N. A. T. Energy harvesting with pairs of variable capacitors without control circuits // Analog Integr Circ Sig Process. – 2018. – Vol. 97. – № 3. – P. 533-544.

29. Dragunov V. P. et al. A new autostabilization mechanism in the Bennet doubler circuit-based electrostatic vibrational energy harvester // Sensors and Actuators A: Physical. – 2018. – Vol. 272. – P. 259-266.

30. Dragunov V. P. et al. Load resistance influence on the Bennet doubler based electrostatic mechanical-to-electrical energy converter operation // Sensors and Actuators A: Physical. – 2023. – Vol. 351. – Art. 114162. – P. 1-12.

31. Zhu J. et al. Volatile organic compounds sensing based on Bennet doubler-inspired triboelectric nanogenerator and machine learning-assisted ion mobility analysis // Science Bulletin. – 2021. – Vol. 66. – № 12. – P. 1176-1185.

32. Karami A., Basset P., Galayko D. Electrostatic vibration energy harvester using an electret-charged mems transducer with an unstable auto-synchronous conditioning circuit // J. Phys.: Conf. Ser. – 2015. – Vol. 660. – Art. 012025. – P. 1-5.

33. Galayko D. et al. 3/2 Fractional Bennet’s multiplier for capacitive energy harvesters based on Dickson charge-pump // 2021 28th IEEE International Conference on Electronics, Circuits, and Systems (ICECS). Dubai, United Arab Emirates: IEEE, 2021. – P. 1-6.