VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF TELECOMMUNICATIONS

VÝROBA ELEKTRICKÉ ENERGIE Z VIBRACÍ JÍZDNÍHO KOLA

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS

AUTOR PRÁCE AUTHOR

BRNO 2012

PAVEL NOVÁK

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF TELECOMMUNICATIONS

VÝROBA ELEKTRICKÉ ENERGIE Z VIBRACÍ JÍZDNÍHO KOLA PRODUCTION OF ELECTRICITY FROM THE VIBRATION OF THE BICYCLE

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS

AUTOR PRÁCE

PAVEL NOVÁK

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2012

Ing. MARTIN KOUTNÝ, Ph.D.

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav telekomunikací

Bakalářská práce bakalářský studijní obor Teleinformatika Student: Ročník:

Pavel Novák 3

ID: 125565 Akademický rok: 2011/2012

NÁZEV TÉMATU:

Výroba elektrické energie z vibrací jízdního kola POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: Prostudujte problematiku nazvanou energy harvesting. Analyzujte a porovnejte možné způsoby získávání elektrické energie z externích zdrojů jako je pohyb objektu nebo vibrace objektu. Navrhněte a realizujte zařízení pro výrobu elektrické energie z vibrací jízdního kola. Při svém návrhu uvažujte umístění tohoto zařízení do sedlové trubice jízdního kola. Navrhněte a realizujte způsob akumulace takto získané energie. DOPORUČENÁ LITERATURA: [1] BEEBY, Stephen . Energy Harvesting for [1] Autonomous Systems : Smart Materials, Structures, and Systems. USA : Artech House Publishers, 2010. 292 s. ISBN 1596937181. Termín zadání:

6.2.2012

Termín odevzdání:

31.5.2012

Vedoucí práce: Ing. Martin Koutný, Ph.D. Konzultanti bakalářské práce:

prof. Ing. Kamil Vrba, CSc. Předseda oborové rady

UPOZORNĚNÍ: Autor bakalářské práce nesmí při vytváření bakalářské práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.40/2009 Sb.

ABSTRAKT Práce je zaměřena na metody získávání elektrické energie z okolního prostředí. V projektu je shrnuto a obecně popsáno několik metod přeměn energií. Podrobnější popis je věnován metodě na principu Faradayova jevu. Práce zahrnuje výpočet elektromagnetického generátoru s konkrétními parametry, simulaci vypočteného generátoru a sestavení reálného výrobku na základě předchozího teoretického výpočtu. Cílem práce je realizovat výrobek schopný akumulovat získanou energii v připojeném akumulátoru.

KLÍČOVÁ SLOVA Získávání energie z okolí, neodymový magnet, elektromagnetický generátor, Faradayův jev

ABSTRACT The work is focused on methods of obtaining energy from the environment. In the project, there are summarized and generally described some methods of energy conversion. A more detailed description is aimed at a method on the principal of the Faraday’s effect. The work involves a calculation of the electromagnetic generator with specific parameters, a simulation of the calculated generator and builds a real product on the basis of the previous theoretical calculation. The aim is to create a product that accumulates the energy obtained in the attached battery.

KEYWORDS Energy Harvesting, Neodymium magnet, Electromagnetic generator, Faraday effect

NOVÁK, Pavel Výroba elektrické energie z vibrací jízdního kola: bakalářská práce. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav telekomunikací, 2012. 42 s. Vedoucí práce byl Ing. Martin Koutný, Ph.D.

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že svou bakalářskou práci na téma „Výroba elektrické energie z vibrací jízdního kola“ jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího bakalářské práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené bakalářské práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této bakalářské práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a/nebo majetkových a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení S 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon), ve znění pozdějších předpisů, včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č. 40/2009 Sb.

Brno

...............

.................................. (podpis autora)

PODĚKOVÁNÍ Děkuji vedoucímu práce Ing. Martinu Koutnému, Ph.D. za odbornou metodickou pomoc a cenné rady při zpracování bakalářské práce. Dále bych rád poděkoval Ing.Petru Sedlákovi, Ph.D a Doc. Ing. Vlastě Sedlákové, Ph.D za vstřícnost a ochotu při řešení matematických a fyzikálních úkonů.

Brno

...............

.................................. (podpis autora)

OBSAH Úvod

11

1 Úvod do problematiky 1.1 Porovnání zdrojů energií z okolí . . . . . . . . 1.2 Varianty Energy Harvesting systému . . . . . 1.2.1 Systém s akumulátorem . . . . . . . . 1.2.2 Bez bateriový systém . . . . . . . . . . 1.2.3 Hybridní systém . . . . . . . . . . . . 1.3 Rozdělení podle způsobu generování energie . 1.3.1 Piezoelektrické generátory . . . . . . . 1.3.2 Elektromagnetické generátory . . . . . 1.3.3 Elektrostatické generátory . . . . . . . 1.4 Srovnání generátorů . . . . . . . . . . . . . . 1.5 Mobilní elektronická zařízení a jejich spotřeba 1.6 Elektromagnetický vibrační systém . . . . . . 1.7 Výrobky na světovém trhu . . . . . . . . . . . 1.7.1 Generátor společnosti Perpetuum Ltd. 1.7.2 Generátor společnosti M2E Power,Inc. 1.7.3 nPower PEG - vibrační generátor . . . 1.7.4 Vibrační baterie . . . . . . . . . . . . . 1.8 Neodymové magnety . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

12 12 12 12 12 13 13 13 13 14 15 15 16 17 17 17 18 19 19

. . . . . . . . . . . .

20 20 22 22 23 23 23 24 24 24 24 25 26

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 Teoretický postup řešení 2.1 Fyzikální model generátoru . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Teoretický výpočet generátoru . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Uložení generátoru . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Výpočet generátoru s konkrétními hodnotami 2.2.3 Výpočet magnetického toku a napětí: . . . . . 2.2.4 Výpočet odporu cívky: . . . . . . . . . . . . . 2.2.5 Výpočet výkonu: . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Návrh prototypu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Cívka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Magnet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Pružina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Simulace teoretického projektu . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

3 Realizace funkčního prototypu 3.1 Návrh mechanické části . . . . 3.2 Realizace mechanické části . . 3.3 Návrh elektronické části . . . 3.4 Realizace elektronické části . . 3.5 Konečná fáze výrobku . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

29 29 29 31 36 37

4 Závěr

38

Literatura

39

Seznam symbolů, veličin a zkratek

41

A Seznam příloh

42

SEZNAM OBRÁZKŮ 1.1 1.2 1.3 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10

Piezoelektrický princip [5] . . . . . . . . . . . . . Elektromagnetický prinicip [1] . . . . . . . . . . . Elektromagnetický princip [1] . . . . . . . . . . . Fyzikální model generátoru [1] . . . . . . . . . . . Elektrické schéma zapojení generátoru [1] . . . . . Rozměry kovové tyče, tzv. sedlovky . . . . . . . . Boční řez cívkou - vnitřní průměr cívky . . . . . . Uchycení magnetu dvěmi pružinami . . . . . . . . Nasimulování pohybové rovnice včetně tlumení . . Simulace napětí a výkonu na cívce . . . . . . . . . Průběh ustalení tělesa s výchylkou 5 mm . . . . . Průběh okamžitého napětí na cívce . . . . . . . . Průběh okamžitého výkonu cívky . . . . . . . . . půdorys generátoru (jednotky uvedeny v mm) . . podelný řez bokorysem (jednotky uvedeny v mm) Prototyp generátoru . . . . . . . . . . . . . . . . Rozdělaný generátor . . . . . . . . . . . . . . . . Zdvojovač střídavého napětí . . . . . . . . . . . . Schéma zapojení IO BQ25504 . . . . . . . . . . . Návrh desky plošného spoje . . . . . . . . . . . . Rozmístění součástek při pohledu shora . . . . . . Rozmístění součástek při pohledu zespoda . . . . Zapojení celého systému . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13 14 14 20 21 22 25 26 27 27 28 28 28 29 30 32 32 33 35 36 36 36 37

SEZNAM TABULEK 1.1 1.2 1.3 1.4

Přehled dosažených výkonů z okolních zdrojů [8] Pozitiva a negativa generátorů [2] . . . . . . . . Přehled spotřeby jednotlivých zařízení [19] . . . Parametry nPower PEG . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

12 15 16 18

ÚVOD V současné době v oblasti elektroniky je trendem co nejvíce velikostně minimalizovat zařízení každodenní potřeby (mp3 přehrávače, mobilní telefony, navigace aj.), avšak je tu i snaha o nezávislost těchto zařízení. Jde především o nezávislost spotřebičů na elektrické rozvodné síti a zajištění potřebné energie pro tyto zařízení efektivnějším způsobem. Například energií z okolních vlivů prostředí či energie z pohybu člověka. Pojmy jako Energy Harvesting, Power Harvesting či také Energy scavenging, které lze do češtiny přeložit jako získávání energie, řeší právě problematiku v oblasti využití energie pro elektronická zařízení, získané z pohybu lidské chůze, sluneční energie, nestálosti teploty okolí. Způsobů, kterými lze energie získávat a dále ji přeměňovat na využitelnou energii pro elektronické spotřebiče, je mnohem více. Cílem bakalářské práce je prostudování informací v oblasti přeměny energie z okolí, tzv. Enery harvesting. Dále pak ze získaných poznatků sestavit výpočet a simulaci generátoru a na základě toho vytvořit funkční prototyp systému, který by dokázal přeměnit okolní energii na energii elektrickou a tu dál využíval k nabíjení akumulátoru. Přídavné spotřebiče, jež by měl daný systém napájet, budou napájeny nepřímo energií ze zdroje. Přeměněná energie se shromažďuje v nabíjecím článku (akumulátoru), který slouží jako sekundární zdroj pro spotřebiče. Systém by měl tvořit zdroj konstantního napětí nijak závislého na elektrické rozvodné síti. Potřebná energie pro systém k výrobě elektrické energie je dotována ve formě kinetické energie, jelikož je tento projekt zaměřen do oblasti energie vibrací. Kinetickou energií jsou myšleny vibrace okolního prostředí působící přímo na generátor. Takovýto generátor by měl vydat dostatečný výkon k napájení nízkovýkonových prvků, jako jsou GSM, GPS moduly, cyklo-počítače apod. Systém bude vytvářen pro získávání energie z jízdy na jízdním kole. Při pohybu kola vlivem nerovností na trajektorii, po které se kolo pohybuje, dochází k rozkmitání a následnému časově omezenému kmitání magnetu zavěšeného na pružině, který je uložen v generátoru, kde je důležitým prvkem k přeměně energií.

11

1

ÚVOD DO PROBLEMATIKY

1.1

Porovnání zdrojů energií z okolí

Zisk energie lze definovat jako přeměnu okolní energie na energii využitelnou. Životní prostředí je vlastně nevyčerpatelným zdrojem energie. V následující tabulce je porovnání získaných výkonu od tří odlišných zdrojů energie z okolí. Konkrétní dosažené výkony jsou uvedeny na plochu 1 𝑐𝑚2 . Tab. 1.1: Přehled dosažených výkonů z okolních zdrojů [8] Zdroj energie Světlo Teplo Vibrace

Přednost zařízení o malé ploše malé teplotní gradienty variabilita vibrací

Výkon 10 𝜇W-15 mW 10 𝜇W 1 𝜇W-200 𝜇W

Světlo může být významným zdrojem energie, ovšem za předpokladů umístění v dobrých světelných podmínkách. Tepelné energie jsou dost omezené, protože teplotní rozdíly snímačů jsou dosti limitované. U vibračních zdrojů závisí na konkrétní aplikaci.

1.2

Varianty Energy Harvesting systému

Máme tři varianty systému, kdy se u jednotlivých variant jinak nakládá se zpracováním příchozí elektrické energie.

1.2.1

Systém s akumulátorem

Systém využívá akumulátor pro uchování energie získané z generátoru. Zařízení tedy není přímo dobíjeno ze zdroje generátoru, ale je využíván sekundární zdroj energie. [14]

1.2.2

Bez bateriový systém

U této varianty systému není použit akumulátor. Pro dodávání energie do spotřebního zařízení je nutností, aby generátor produkoval elektrický proud . Okolní energie musí zákonitě působit na mechanizmus tohoto zdroje přeměny energie, jinak je koncové zařízeni bez dodávky elektrické energie nutné k provozu. [14]

12

1.2.3

Hybridní systém

Tento druh systému Energy Harvestingu je nejrozšířenější. Je zde zaveden akumulátor, který slouží jako zásobník energie pro neustále dodávání stejných hodnot energie do spotřebiče. Zdroj přeměny energie se stará pouze o dobíjení daného akumulátoru. [14]

1.3

Rozdělení podle způsobu generování energie

V našem projektu se budeme zabývat pouze generátorem, který dodává elektrické napětí z energie kmitů tělesa. Tento typ se nazývá elektromagnetický generátor. Pro přehled si však uvedeme i další typy generátorů.

1.3.1

Piezoelektrické generátory

Generátory tohoto typu pracují na principu piezoelektrického jevu, jež umožňuje změnou, deformací struktury krystalu generovat elektrické napětí. Při deformaci dojde k posunutí iontů v krystalové mřížce. Kladné a záporné ionty změní své vzájemné vzdálenosti oproti původní nezdeformované struktuře. V určitých částech krystalu dojde ke vzniku elektrického náboje. Jako nejčastěji použitý prvek krystalu je monokrystalický křemík. [2]

Obr. 1.1: Piezoelektrický princip [5]

1.3.2

Elektromagnetické generátory

U těchto typů generátorů se využívá Faradayova zákona. Jde o generování proudu ve vodiči v magnetickém obvodu. Při pohybu magnetu uvnitř cívky se začne indukovat 13

napětí na výstupu cívky. Množství generované elektřiny závisí na síle magnetického pole, na frekvenci kmitů magnetu a na počtu závitů cívky. [2]

Obr. 1.2: Elektromagnetický prinicip [1]

1.3.3

Elektrostatické generátory

Získání energie pomocí elektrostatického jevu. Generátor je tvořen jakýmsi kondenzátorem v elektrickým poli, kdy je jedna z elektrod ve statickém stavu, druhá je pohyblivá. Elektrody od sebe odděluje dielektrikum. Vnější působení energie na kondenzátor má za následek posouvaní volné elektrody. Generátory jsou založeny na elektromagnetickém útlumu. Jsou-li desky kondenzátoru v klidu, náboj v kapacitoru je tedy konstantní, snižuje se kapacitní odpor a zvyšuje se napětí na výstupu generátoru. Při nestabilním náboji se odpor kapacitoru zvyšuje a následuje pokles výstupního napětí. [2]

Obr. 1.3: Elektromagnetický princip [1]

14

1.4

Srovnání generátorů

Každý z výše uvedených typů generátorů má své přednosti i zápory. Přehled kladných i záporných vlastností je uveden v tabulce. Piezoelektrický generátor je vhodný do oblastí s požadavkem na vyšší hodnotu napětí a nízkou hodnotu výkonu. Dosažení většího měrného výkonu lze očekávat u generátoru založeného na principu elektromagnetického jevu. Vhodný je do prostředí s výskytem velkých vibrací s nízkou frekvencí. Tento typ má tu výhodu, že je proveditelný téměř v jakékoli velikosti. Tomu pak odpovídá dosažený výkon. Elektrostatický generátor se používá v MEMS(Micro Electro Mechanical systems) zařízení. [2] Tab. 1.2: Pozitiva a negativa generátorů [2] Generátor Piezoelektrický

Elektrostatický

Kladné vlastnosti Zdroj energie pro frekvence vibrací větší než 100 Hz. Vysoké generované napětí Velký potenciál pro integraci do MEMS struktur

Záporné vlastnosti Vysoký vnitřní odpor

Vyžaduje samostatný zdroj napětí pro inicializaci přeměny energie. Nízký výkon. Použití mechanického dorazu. Elektromagnetický Vhodný jako zdroj energie Obecně nízké napětí pro frekvence vibrací 50 až 100 Hz. Dostatečné geerování napětí a výkon při rozměrově neomezeném generátoru

1.5

Mobilní elektronická zařízení a jejich spotřeba

Abychom vůbec věděli, zda má cenu vytvářet tyto zdroje energie, je nutné vědět, jaká je spotřeba zařízení, které chceme dobíjet. Bude-li vůbec možné dosáhnout požadovaných hodnot spotřebičů. Malý přehled zařízení a jejich spotřeby je uveden v tabulce 1.3. Z tabulky je viditelné, že nejvyšší výkon se pohybuje v řádu stovek miliwattů. Výroba generátoru bude konstruována tedy na výstupní maximální výkon v řádu jednotek wattů. Vyššího výkonu nebude třeba.

15

Tab. 1.3: Přehled spotřeby jednotlivých zařízení [19] Zařízení 2G mobilní telefon (hovor) GPS přijímač LED svítilna Mp3 přístroj 2G mobilní telefon (poh. režim) 3D akcelerometr Hodinky

1.6

Spotřeba 360 mW 12-200 mW 38-80 mW 46-58 mW 9 mW 324 𝜇W 7 𝜇W

Elektromagnetický vibrační systém

V elektromagnetickém vibračním systému je základním prvkem generátor. Jedná se o konvertor kinetické energie na elektrické napětí a primitivní vibrační generátor je sestaven z tělesa s magnetickými vlastnostmi a závity vodiče tvořícího cívku. Možností, pro mechanické uchycení jednotlivých prvků, je více. Cívka je pevně uchycená a magnetický prvek je zavěšen na pružině. V druhém případě je magnet pevně spjat s tělesem generátoru a cívka vodiče je volně zavěšena. Třetí způsob uchycení je kombinací prvních dvou variant. Cívka i magnet jsou volně zavěšeny v prostoru generátoru. Poslední varianta bude z hlediska provedení nejnáročnější. Musí se tu řešit dvě odlišná uchycení. Je tu vyšší riziko vzájemných kolizí mezi kmitajícími tělesy. U druhého i třetího případu, kdy je cívka volně zavěšena, jsou kladeny vyšší nároky na kontakty vodičů. Vlivem kmitání cívky dochází v propojovacích kontaktech mezi cívkou a elektrickým obvodem k postupné destrukci způsobené např. ohybem vodičů, otíráním kontaktů aj. Dále se budeme zabývat prvním způsobem s pevným uchycením cívky. [2] Vnější vibrace působící na vibrační systém, určitou silou rozkmitávají magnet o jisté hmotnosti, který je zavěšen na pružině s určitou tuhostí (odporem). Rozkmitaný magnet prochází vnitřkem cívky a tím se mění velikost magnetického toku. Ve vodiči dochází k indukci elektromotorického napětí s určitou intenzitou. Mezi koncovými výstupy cívky dojde ke vzniku elektrického napětí. Většího zisku energie z cívky, lze dosáhnout vyšším počtem závitů cívky. Vzniká tak větší změna magnetického toku při stejném průřezu jádra. Jádro ovšem nesmíme přesytit, došlo by naopak k výraznému zhoršení vlastností magnetického jádra. To byl zjednodušeně a v rychlosti popsán Faradayův zákon elektromagnetické indukce. Tento zákon je podrobně rozebrán ve většině literatur o základech elektroniky. [2]

16

1.7 1.7.1

Výrobky na světovém trhu Generátor společnosti Perpetuum Ltd.

Americká společnost Perpetuum Ltd. zabývající se Energy Harvestingem vyvinula vibrační mikrogenerátor s elektromagnetickým měničem. PMG - Mikrogenerátor, zařízení jenž je určeno zejména pro využití energie z průmyslových strojů, kdy stroje v zapnutém stavu vykazují určitých hodnot rezonance. Nevyužité mechanické vibrace jsou přeměněny na využitelnou elektrickou energii. Tím lze napájet různé bezdrátové monitorovací systémy k monitorování stavu strojů ve výrobě. Generátor je schopen vydat až 4 mA při 5 V. Jeho horní hranice výkonu je tedy kolem 20 mW. Generátor lze připojit přes 3pinový konektor IEC. Generátor je hermeticky uzavřen a vyhovuje podmínkám umístění ve výrobních objektech. Maximální výstupní napětí naprázdno až 5 V. I při amplitudě 25 mg (RMS) vibrací s frekvencí 2 Hz je schopno zařízení dodat výkon minimálně 0,5 mW. Postačí k napájení bezdrátových senzorů. Konstrukce měniče generátoru je s pevnou cívkou s vnitřně zavěšeným magnetem na pružině. Generátor je hermeticky uzavřen a povrch tvoří nerezová ocel.[13] PMG generátory jsou k dispozici ve čtyřech verzích: 1. PMG17-60 (60 Hz) 2. PMG17-120 (120 Hz) 3. PMG17-50 (50 Hz) 4. PMG17-100 (100 Hz)

1.7.2

Generátor společnosti M2E Power,Inc.

Společnost M2E Power, Inc. zaměřuje své produkty pro vojenské aplikace a do komerčních elektronických mobilních zařízení. V budoucnu se firma chce zaměřit také do oblastí automobilového průmyslu, zisku energie z větru a do oblasti nanočipů. M2E power - nabíječka pro malé elektronické zařízení, jako jsou iPod, digitální fotoaparát, mp3 přehrávač, kde kinetická energie vytvořena pohybem člověka je opět přeměněna na principu elektromagnetického jevu. Zařízení je určeno pro nízké frekvence vibrací. Při frekvenci 2 Hz je již schopno vytvořit dostatek energie pro nabíjení. Výrobce uvádí 6 hodin pohybu postačí k 30-60minutovému rozhovoru z mobilního telefonu. Zařízení je zatím ve fázi prototypu. [7]

17

1.7.3

nPower PEG - vibrační generátor

Jedná se o zařízení, jenž dokáže z chůze nebo běhu člověka či jiných fyzických aktivit dobíjet mobilní telefon, mp3 přehrávač, GSM zařízení či jiné zařízení s nízkým odběrem energie. NPower PEG vibrační generátor funguje na principu elektromagnetické indukce. Generátor přeměňuje mechanické vibrace na elektrické napětí, které je vyvoláno změnou magnetického indukčního toku viz. Faradayův zákon elektromagnetické indukce (z roku 1831). Výrobek je válcovitého dutého tvaru, kdy střední část válce je silnějšího průměru. Uvnitř silnější části je z obou konců na pružinách zavěšen magnet. Působením kinetické energie magnet začne kmitat. Vnitřní obvod silnější části přístroje je vyplněn závity vodiče a tvoří tak cívku, na jejímž konci se při kmitání jádra indukuje napětí. Získaná přeměněná energie z generátoru se shromažďuje v akumulátoru, ten dále slouží jako zdroj napětí pro přenosná zařízení určena k použití. Parametry generátoru jsou kompromisem mezi výkonem a pohodlím uživatele. Pro vyšší výkon by bylo zapotřebí větších rozměrů cívky s magnetem, tedy celkového navýšení objemu přípravku. Ovšem na úkor pohodlí a možností uložení. Výrobce uvádí : Na uskutečnění jedné minuty hovoru z mobilního telefonu iPhone 3G postačí 10 minut chůze. K přehrání mp3 skladby, jedna minuta chůze. [17] Tab. 1.4: Parametry nPower PEG délka: průměr: hmotnost: max. výkon výstupní napětí: výstupní proud: cena:

230 mm 25,4 mm, 38,1 mm 255 g 4W 5V 200 mA 149 $

V mé práci se budu právě zabývat možnostmi takového prvku na principu zisku energie pomocí elektromagnetické indukce. Možnostmi využití tohoto mechanizmu, zjištění a ověření výkonnosti a dalších možných vlastností. Prozkoumání kladných a záporných vlastností. Zhotovení podobné konstrukce vibračního generátoru, jaký je uveden předchozí části.

18

1.7.4

Vibrační baterie

Jedná se o baterie typu AA a AAA. Jakmile kinetická energie ve formě vibrací dostane baterii do pohybu, začne se baterie dobíjet a to opět podle elektromagnetického principu M. Faradaye. Třepáním se začne měnit poloha magnetu uvnitř generátoru. V momentě, kdy se magnet dostane do prostoru cívky, začne cívkou protékat střídavý proud. Proud se dostává do nabíjecího kondenzátoru a tím začne vzrůstat uložená energie kondenzátoru. Výrobce uvádí průměrný výkon baterie typu AA v rozmezí od 10 až do 180 mW ,při frekvenci 4 až 8 Hz. Výstupní napětí na baterii je 3,2 V, což omezuje počet zařízení, které můžeme tímto způsobem připojit. Dle výrobce je prvek využitelný hlavně tam, kde není nutné nepřetržité napájení připojeného zařízení. Jedná se především o dálkové ovládací prvky a LED zařízení. [6]

1.8

Neodymové magnety

Sintrované NdFeB magnety tvořeny směsí Neodymu, železa a Boru jsou v dnešní době jsou nejsilnějšími permanentními magnety s výbornými magnetickými vlastnostmi (koercitiva, remanence) a nejvyšší hustotou energie(7,5 g/cm3). Přídržná energie magnetu je až 1000násobek vlastní hmotnosti. Nevýhodou magnetů je však velká náchylnost ke korozím. Proto se provádí povrchová úprava, kdy je magnet pokryt vrstvou niklu, zinku, stříbra, zlata či epoxidové pryskyřice. Ochranná vrstva magnetu nezaručuje 100% ochranu před korozí, ale prodlužuje životnost magnetu velmi výrazně. Kovové povlakování snižuje magnetickou indukci o 5 %, ovšem i tak je magnetická indukce těchto magnetů vysoká a v řadě literatur je uvedena hodnota kolem 1,32 T. Nevýhodou neodymových magnetů je také jejich malá tepelná odolnost oproti feritovým magnetům, které ztrácejí magnetické vlastnosti při 300 °C, u NdFeB je to již při 80 °C. Velkou výhodou je však nízká pořizovací cena. Vysoká koercitiva brání demagnetizaci pole. Tento typ magnetů je vhodný do miniaturních aplikací. Běžně se používá v počítačové technice, reproduktorech, mikrofonech.

19

2 2.1

TEORETICKÝ POSTUP ŘEŠENÍ Fyzikální model generátoru

Daný vibrační generátor, lze z fyzikálního pohledu popsat jako těleso zavěšené na pružině. Kde těleso o hmotnosti m je zavěšeno na pružině o tuhosti k. Působením vnější síly F dojde k rozkmitání tělesa ve svislém i vodorovném směru. [4] Na pohybující se těleso začne působit mechanické tlumení 𝑏𝑚 , v elektrickém obvodu pak i elektromechanické tlumení 𝑏𝑒 . Obě tyto síly působí proti pohybu tělesa. Takto popsaný generátor je znázorněn na obr. 2.1.

Obr. 2.1: Fyzikální model generátoru [1] Jako vnější síla (působení vibračních sil) bude brán v úvahu periodický sinusový průběh, ze vztahu 2.1, kde A0 je maximální výchylka tělesa

𝑦 = 𝐴0 sin(𝜔𝑡 + 𝜙0 ).

(2.1)

Z druhého Newtonova pohybového zákona lze odvodit vztah 2.2 a následnou úpravou sestavit vztah 2.3 [4]

𝑦¨𝑚 + 𝑏𝑚 𝑦˙ + 𝑏𝑒 𝑦˙ + 𝑘𝑦 = 0 ,

(2.2)

𝑦¨ + 2𝛿 𝑦˙ + 𝜔 2 𝑦 = 0 .

(2.3)

Úhlová frekvence vlastních netlumených kmitů je ve vztahu 2.4 , ve vztahu 2.5 je definovaná konstanta útlumu. Konstanta pro slabý útlum, což je náš případ, musí být 20

menší než vlastní netlumené kmity oscilátoru. Platí tedy, že 𝛿 << 𝜔. Pro co největší zisk výkonu zařízeni je dokázáno, že mechanické a elektromechanické tlumení má být rovno či jen s minimálním rozdílem. [15] √︃

𝜔=

𝑘 , 𝑚

(2.4)

𝑏𝑒 + 𝑏𝑚 . (2.5) 2𝑚 Uzavřením elektrického obvodu po připojení elektrické zátěže Rz , začne dodávat generátor do zátěže určitý výkon 2.6. [3] V tomto případě však cívka má vzduchové jádro, kde hodnota reaktance je tak malá, že jí lze zanedbat. Vztah se tímto zjednoduší na tvar 2.7. Rc je odpor vodiče cívky. 𝛿=

Obr. 2.2: Elektrické schéma zapojení generátoru [1] Okamžitý výkon v závislosti na elektromagnetickém tlumení popisuje 2.8, kde 𝑦˙ je okamžitá rychlost kmitajícího tělesa. Dosadíme-li vztah2.9 do 2.7 a ten pak do 2.8, dostaneme vztah pro elektromagnetické tlumení 2.10. 𝑈𝑖 2 𝑃 = √︁ , (𝑅𝑐 + 𝑅𝑧 )2 + (𝑗𝜔𝐿)2 𝑝=

𝑢𝑖 2 , 𝑅𝑐 + 𝑅𝑧

𝑝 = 𝑏𝑒 · 𝑦˙ 2 ,

21

(2.6)

(2.7)

(2.8)

2.2 2.2.1

𝑢𝑖 = 𝐵 · 𝑁 · 𝑙 · 𝑦˙ ,

(2.9)

(𝐵 · 𝑁 · 𝑙)2 . 𝑏𝑒 = 𝑅𝑐 + 𝑅𝑧

(2.10)

Teoretický výpočet generátoru Uložení generátoru

Protože daný model generátoru má být využíván při jízdě na jízdním kole, jeví se jako nejvhodnější místo pro uložení modulu tzv. sedlovka, zobrazená na obr. 2.3. Jedná se o dutou kovovou tyč válcovitého tvaru, díky které lze nastavovat polohu výšky sedadla. Uvnitř sedlovky bude modul chráněn, jak před vnějšími nepříznivými vlivy počasí, tak i před možným mechanickým poškozením. Navíc k modulu bude jednoduchý a rychlý přístup, postačí pouze povolit a vysadit sedlovku z rámu jízdního kola. Rozměry sedlovky samozřejmě nelze měnit, a proto se musí tyto hodnoty brát jako výchozí. Vnitřní průměr tyče činí 34 mm, celková délka je rovna 550 mm. Rozměry cívky musí být menšího průměru zhruba o 2 mm. Volný prostor bude využit k uchycení.

550 mm

34 mm

Obr. 2.3: Rozměry kovové tyče, tzv. sedlovky

22

2.2.2

Výpočet generátoru s konkrétními hodnotami

Parametry cívky: • • • • • • •

počet závitů: 𝑁 = 8000, průměr cívky: 𝑑 = 0, 032 𝑚, délka cívky: ℎ = 0, 020 𝑚, průměr Cu vodiče: 𝑑𝑣 = 0, 00014 𝑚, průřez magnetu: 𝑆 = 7, 58 · 10−5 𝑚2 , délka vodiče jednoho závitu: 𝑙𝑧 = 0, 107 𝑚, průřez vodiče: 𝑆𝑣 = 1, 539 · 10−8 𝑚2 .

2.2.3

Výpočet magnetického toku a napětí:

Magnetický indukční tok je dán vztahem Φ=𝑆·𝐵 ,

(2.11)

kde S představuje průřez cívky a B je magnetická indukce magnetického materiálu. V projektu bude použit nejsilnější typ magnetu tzv. Neodymový magnet s přibližnou indukcí 1,32 T. Dosažením hodnot do vztahu dostaneme hodnotu magnetického toku, který podělíme hodnotou periody vlastních netlumených kmitů. Jako teoretickou hodnotu v tomto projektu budeme považovat vibrace s frekvencí 10 Hz.Podílem zjistíme indukované napětí na jednom závitu cívky 2.13. Φ = 𝑆 · 𝐵 = 7, 58 · 10−5 · 1, 32 = 1, 001 · 10−4 𝑊 𝑏 , 𝑈𝑧 =

Φ 1 𝑓

=

1, 001 · 10−4 1 10

= 1, 037 · 10−3 𝑉.

(2.12) (2.13)

Celkové napětí na cívce při těchto parametrech je pak rovno součinu indukovaného napětí na závitu s celkovým počtem závitů cívky 2.14. 𝑈 = 𝑁 · 𝑈𝑧 = 8000 · 1, 037 · 10−3 = 8, 008 𝑉 .

2.2.4

(2.14)

Výpočet odporu cívky:

Odpor cívky je dán vztahem 2.16, kde 𝜌 měrný elektrický odpor mědi a jeho velikost je uvedena v 2.15. Počet závitů značí N, 𝑙𝑧 je délka vodiče jednoho závitu a 𝑆𝑣 je průřez vodiče. 𝜌 = 16, 7810 · 10−9 Ω · 𝑚 , (2.15) 𝑅=

𝜌 · 𝑁 · 𝑙𝑧 16, 7810 · 10−9 · 8000 · 0, 107 = = 933, 368 Ω . 𝑆𝑣 7, 85 · 10−5 23

(2.16)

2.2.5

Výpočet výkonu:

Výpočet výkonu cívky 2.18 je velice jednoduchý. Za prvé zjistíme proud procházející cívkou 2.17 a ten pak vynásobíme s výstupní hodnotou napětí na cívce, vypočteného výše. 8, 008 𝑈 = = 8, 579 · 10−3 𝐴 , (2.17) 𝐼= 𝑅 933, 368 𝑃 = 𝑈 · 𝐼 = 8, 008 · 8, 579 · 10−3 = 68, 7 · 10−3 𝑊 .

(2.18)

Výsledné hodnoty, které zde vyšly by měly zcela postačit k napájení nízkoenergetických zařízení viz.1.2, avšak je nutno brát tyto hodnoty jako teoretické. V praxi nebude dosaženo stejných hodnot. Vnější vibrace totiž nebudou nikdy s stálou hodnotou a ani indukce magnetu nebude zcela jistě odpovídat hodnotě 1,32 T, působit zde bude zajisté více parazitních hodnot.

2.3

Návrh prototypu

Zde jsou popsány jednotlivé části generátoru a jejich následné zhotovení v budoucnu, je však nutno počítat s tím, že se jedná o hrubý popis sestavení konstrukce. Zpřesňování údajů v určitých částech bude docházet až s přímým realizováním výrobku.

2.3.1

Cívka

Cívka elektromagnetického generátoru bude ve tvaru dutého válce a bude pevně spjata se sedlovkou. Uvnitř cívky se pak bude kmitavým pohybem pohybovat FeNdB magnet. Sestavena bude z měděného vodiče s kruhovým průřezem o průměru 1, 4 · 10−4 m. Délka cívky je námi stanovena na 20 mm a průměr cívky je dán průměrem tyče, kde se bude zhotovený modul v konečné fázi nacházet. Vnější průměr cívky musí mít menší jak vnitřní průměr tyče a to zhruba asi o 2 mm, které budou zapotřebí k upevnění a stabilizaci modulu uvnitř sedlovky. Cívku bude tvořit 8000 závitů ve více vrstvách.

2.3.2

Magnet

Na základě pevně stanovených parametrů uložiště a z toho odvozených rozměrů cívky budou použity dva neodymové FeNdB magnetz od výrobce Magsy. Magnety jsou válcovitého tvaru, axiálně magnetované - rovnoběžně s osou. Povrch magnetu je chráněn vrstvou Niklu. Průměry magnetů jsou 15 a 12 mm, výška každého magnetu je rovna 12 mm, celková hmotnost je rovna 22,97 g a magnetická indukce s hodnotou uvedenou v literatuře 1,32 T.

24

závit

0,14 mm

17 mm

Obr. 2.4: Boční řez cívkou - vnitřní průměr cívky

2.3.3

Pružina

Pohyblivý magnet v modulu budou stabilizovat dvě pružiny obr.2.5, kdy jedna pružina bude přichycovat vrchní stranu magnetu k horní straně tubusu generátoru a druhá pružina bude naopak připevněna mezi spodním koncem tubusu a spodním stranou magnetu. Pružiny mají funkci stabilizátoru, kdy mají minimalizovat výchylku magnetu do bočních stran a zabránit tak zbytečnému dotyku s tělem cívky. Snižuje se tím tedy velikost mechanického tření. Požadovanou tuhost pružiny pro tento konkrétní případ dostaneme z upraveného vztahu 2.19. Tuhost pružiny k je závislá na hmotnosti magnetu m a frekvenci budících vibrací f, pro náš případ je tato frekvence zvolena 10 Hz. 𝑘 = 4 · 𝜋 2 · 𝑓 2 · 𝑚 = 4 · 𝜋 2 · 102 · 22, 97 · 10−3 = 90, 7 𝑁 · 𝑚−1 .

(2.19)

V modulu máme zavedeny dvě pružiny v poměru délek 1:2. Celková tuhost k je dána součtem tuhostí jednotlivých pružin, výslednou hodnotu k vynásobíme poměry délek pružin. Získáme tak hodnotu tuhosti pro pružinu 𝑘1 , 𝑘2 . 𝑘 = 𝑘1 + 𝑘2 = 90, 7 𝑁 · 𝑚−1 ,

(2.20)

𝑘1 =

1 𝑘 = 30, 23 𝑁 · 𝑚−1 , 3

(2.21)

𝑘2 =

2 𝑘 = 60, 47 𝑁 · 𝑚−1 . 3

(2.22)

25

Obr. 2.5: Uchycení magnetu dvěmi pružinami

2.4

Simulace teoretického projektu

Sestavení simulace bylo provedeno v prostředí Matlab, konkrétně v nadstavbě Simulink, který je vhodný pro řešení obecných systémů. Jedná se o grafické prostředí, kde matematické operace jsou nahrazeny bloky dle konkrétních požadavků. Objekt simulovaného generátoru je zde rozdělen do tří jednoduchých bloků. První blok zobrazený na obr. 2.6 popisuje upravenou pohybovou rovnici generátoru včetně hodnot mechanického a elektromagnetického tlumení. Na výstupu prvního bloku zaznamenáván postupný útlum a návrat magnetu zpět do rovnovážné polohy na základě různě zvolené počáteční výchylky. Druhý a třetí objekt na obr. 2.7 představují sestavení rovnic pro simulaci okamžitých hodnot, výkonu a napětí v čase, na cívce. Sestavená simulace byla provedena se shodnými parametry pro výpočet prototypu generátoru. Signálu představující výchylku magnetu byla nastavena počáteční hodnota na 5 mm. Tím máme danou maximální výchylku magnetu, která nemůže být zákonitě v pokračujícím průběhu překročena. Byly provedeny dvě simulace pro rozdílné odporové zátěže na výstupu cívky. Výsledkem pro první i druhou simulaci jsou vždy tři grafy s průběhy ustálení tělesa, okamžitého napětí a výkonu, v čase. V průběhu 2.8je zřetelné, že s větší zátěží na cívce se projevuje menší elektromagnetické tlumení 𝑏𝑒 . Na kmitající magnet tedy působí menší záporná síla a magnetu trvá delší čas, než se vrátí do klidového rovnovážného stavu. Průběh 2.9 ukazuje nepatrné zvýšení napětí cívky s vyšší hodnotou připojené zátěže. V průběhu 2.10 je vidět jasný rozdíl výkonu cívky při dvou krajních hodnotách zátěže. Výkonnost cívky se značně velkou zátěži na výstupu je vcelku mizivá.

26

-T-

vychylka okam_rychl To Workspace

1 s

1 s

Integrator

Integrator1

Sine Wave

slabe_tlumeni

Add

2*delta Gain1

be Gain2

omega^2 Gain

Obr. 2.6: Nasimulování pohybové rovnice včetně tlumení

[okam_rychl]

okam_vykon To Workspace1

okam_rychl1 be Divide

Gain4

[okam_rychl] okamzity_vykon

okam_rychl2

Okamzity_napeti [okam_rychl] From

B*N*l Gain3 okam_napeti To Workspace2

Obr. 2.7: Simulace napětí a výkonu na cívce

27

Obr. 2.8: Průběh ustalení tělesa s výchylkou 5 mm

Obr. 2.9: Průběh okamžitého napětí na cívce

Obr. 2.10: Průběh okamžitého výkonu cívky

28

3

REALIZACE FUNKČNÍHO PROTOTYPU

Sestavením teoretického výpočtu a jeho následným odsimulováním v programu Matlab jsme získali přibližné hodnoty výstupního napětí na generátoru v čase, velikost okamžitého výkonu generátoru při různých hodnotách zátěže na výstupu atd. Dodržením přibližných parametrů, které byly použity ve výpočtu, bychom měli dojít k přibližně stejným výsledkům i na reálném výrobku. Stejných hodnot nemůže být dosaženo, protože ve výpočtu je počítáno s nulovou hodnotou třecí síly mezi magnetem a trubicí, hodnota frekvence vnějších kmitů je ve výpočtu stálá, neměnná. Realizace prototypu je rozdělena do dvou částí: 1. Návrh a realizace mechanické části 2. Návrh a realizace elektronické části

3.1

Návrh mechanické části

Při návrhu se musí vzít v úvahu místo uložení generátoru. Válcovitý tvar a maximální rozměry jsou dány parametry sedlovky. Vytváření generátoru je prováděno na základě výkresové dokumentace. Ta je vytvořena v programu AutoCAD. Jedná se o software pro vytváření 2D a 3D projektů. Z půdorysu a bokorysu, zobrazených na obrázcích č. 3.1 a č. 3.2, lze vyčíst velikost a válcovitý tvar generátoru. Na obr. č. 3.2 je navíc zobrazen řez pláštěm, kde je vidět uložení cívky v široké části pouzdra. Do úzké trubice, která je v řezu vidět prázdná, budou vloženy pružiny s magnetem.

Obr. 3.1: půdorys generátoru (jednotky uvedeny v mm)

3.2

Realizace mechanické části

Mechanickou částí je zde myšleno zařízení, umožňující mechanické kmitání převádět na elektrickou energii v podobě střídavého napětí - tzv. generátoru. Konstrukce oscilátoru je sestavena z PVC duté trubice tloušťky 1mm. Tento materiál má hladký 29

Obr. 3.2: podelný řez bokorysem (jednotky uvedeny v mm)

30

povrch, který minimalizuje tření, jež vzniká pohybem magnetu uvnitř trubice. Konstrukce nemůže být kovová. U kovové konstrukce dochází ke vzniku přitažlivých a odpudivých sil mezi magnetem a pouzdrem. Tyto síly zabraňují plynulému kmitání magnetu či pohyb magnetu úplně zastaví. Ve 23 výšky trubice je umístěna cívka z měděného drátu. Výstupní napětí na cívce, které má pro další zpracování smysl, by mělo být minimálně ve stovkách mV. Při jízdě po rovinném povrchu není možné dosáhnout velké výchylky magnetu, proto je potřeba dosáhnout co nejvyšších hodnot napětí i při minimálním pohybu magnetu. Je tedy zapotřebí cívky s velkým počtem závitů o malém průměru vodiče. Výsledný počet závitů cívky je 8000. Použitý průměr vodiče je 0,14 mm. S průměrem menším jak 0,14 mm dochází k potížím při navíjení (časté přetrhávání drátu). Uvnitř trubice je uložen magnet a dvě ocelové pružiny. Vzniklá vůle mezi magnetem a trubicí, způsobovala zaseknutí pružiny při kmitání, vzniklo tak velké tření, které zabránilo dalšímu pohybu magnetu. Proto je magnet tvořen dvěma válcovými magnety s odlišnými průměry(12 mm, 15 mm). Magnet o menším průměru 12 mm je vsazen do spodní pružiny. Tím je předcházeno zaseknutí pružiny mezi magnetem a trubicí. Výška magnetu je srovnatelná s výškou cívky tak, aby i při malém výkyvu magnetu z rovnovážné polohy byla vyvolána velká změna v magnetickém poli a tím bylo dosaženo vysokého napětí na výstupu. Pružiny jsou vyrobeny z ocelového drátu, který vykazuje nízké magnetické vlastnosti, nedochází tak k deformaci pružiny vlivem magnetické síly magnetu. Vrchní pružina slouží k plynulému odrazu magnetu, zároveň taky určuje maximální výchylku magnetu od středu cívky, která může vzniknout při velkých otřesech. Spodní pružina je vytvořena na základě teorie z kapitoly č. 2.1, kde je uveden vztah pro výpočet tuhosti pružiny. Jak spodní, tak i vrchní pružina splňují podmínku slabého útlumu, jež zaručuje postupné ustálení pohybu magnetu. Funkční prototyp generátoru je vyfocen na obrázku č. 3.3. Fotografie č. 3.4 zobrazuje rozdělaný generátor, použité neodymové magnety a ocelové pružiny. Pomocí kroucené dvojlinky je kabel připojen k elektrickému obvodu, kde je elektrický signál dále zpracován. Při zkušební klidné jízdě po asfaltové silnici byl tento výrobek schopen vytvářet na výstupu napětí v rozmezí 0,3-0,8 V. Při průjezdu větším množstvím výmolů, je pak generátor schopen vytvořit špičkové hodnoty napětí dosahujících 8 V i více.

3.3

Návrh elektronické části

Elektronická část zpracovává výstupní signál z generátoru. Na vstup elektrického obvodu přichází střídavé napětí. Toto napětí je usměrněno a navýšeno ve zdvojovači

31

Obr. 3.3: Prototyp generátoru

Obr. 3.4: Rozdělaný generátor

32

střídavého napětí. Obvod zdvojovače střídavého napětí obr. 3.5 nám ze střídavého signálu dělá signál stejnosměrný o dvojnásobné hodnotě. Obvod je tvořen dvěma diodami a dvěma kondenzátory. Jako diody jsou použity Schottkyho diody, které disponují rychlou dobou zotavení a nízkým úbytkem na přechodu - 0,3 V. Kondenzátory jsou realizovány elektrolytickými kondenzátory s nízkou hodnotou ESR (ESR - ekvivalentní sériový odpor). Nízká hodnota ESR je u měničů důležitá. Kondenzátory s nízkým ESR se tolik nezahřívají a lze je proudově více zatěžovat, navíc na nich dochází k menšímu úbytku napětí. Princip zdvojovače je takový, že při vstupu kladné půlvlny se otevře dioda v propustném směru a nabije se první kondenzátor. Záporná vlna projde diodou zapojenou v závěrném směru a nabije se druhý kondenzátor. Tento děj se vykonává neustále dokola. Hodnoty těchto dvou kondenzátoru zapojených v sérii se sečtou a dají nám dvojnásobnou hodnotou napětí, než je na vstupu zdvojovače. Použité součástky • elektrolytický kondenzátor - low ESR, 470 𝜇F/10 V - 2 ks, [12] • Schottkyho dioda MBD54DWT1G - 2 ks. [11]

Obr. 3.5: Zdvojovač střídavého napětí V našem případě je zdvojovač důležitou součásti elektrického obvodu, protože generátor nám po většinu času bude dodávat nízké hodnoty napětí. Abychom však signál mohli dále zpracovat je nutné, aby dosahoval minimální hodnoty potřebné k provozu integrovaného obvodu, který je umístěn dále v obvodě. Další stupeň zpracování signálu zajišťuje integrovaný obvod BQ25504. Tato součástka BQ25504 umí zpracovat nízké úrovně signálů a upravuje je takovým způsobem, že signál na výstupu obvodu je vhodný k nabíjení Li-Ion akumulátorů.

33

BQ25504 je novinkou na trhu. Jedná se o výrobek americké firmy Texas Instruments, který dává nízko-výkonovým elektro-zařízením možnost nižší závislosti na energii dodávané z okolní rozvodné sítě. Typické pro tento obvod je zapojení se solárním článkem jako primárním zdrojem energie, další alternativy se pak nabízejí zdroje tepla či vibrací. Obvod pracuje již při nízkých vstupních hodnotách stejnosměrného napětí dosahujících alespoň 300 mV. Proudově lze obvod zatížit až 250 mA. Pro správnou funkčnost obvodu se připojují externí součástky zajištující vhodné nastavení hladin jednotlivých úrovní při nabíjení. Nastavují se tři hladiny. Hladina OV zabraňující zbytečnému přebíjení již nabité baterie se nastavuje poměrem dvou hodnot odporů ROV1, ROV2. Spodní stav UV, pod který by nemělo klesnout napětí na baterii, je ošetřen poměrem dvou odporů, značených RUV1, RUV2. Trojice odporů ROK1, ROK2 a ROK3 zajišťují hysterezní smyčku OK pro nabíjení baterie. Odpory ROC1, ROC2 určují velikost vzorkovacího kmitočtu. Akumulátor či kondenzátor určený pro zadržování energie se připojuje na výstup VBAT. Cívka LBST navyšuje výkon měniče uvnitř obvodu a tím zvyšuje celkovou účinnost nabíjení. Konkrétní zapojení IO včetně hodnot externích součástek je vidět na obr. 3.6. Dostatečné množství energie přicházející na vstup VIN_DC či napětí nižší hodnoty jak 1,8 V na pinu VSTOR, uvádí měnič do provozu. Pokud je však napětí na vstupu vyšší než napětí na VSTOR či VBAT nastává abnormální stav a měnič přestane pracovat. Činnost konvertoru je automaticky zakázána, při dosažení horní hladiny OV napětí na baterii. Je-li připojen akumulátor, jehož hladina napětí je pod stavem UV, měnič začne pracovat a nabíjet akumulátor na napětí OK_HYST a OK_PROG, které se nachází mezi krajními hladinami UV a OV. OK_HYST, OK_PROG jsou meze optimálního napětí připojené baterie, kdy OK_PROG představuje dolní hranici a OK_HYST horní hranici nabíjecí hysterezní smyčky. [18]

34

Výpočet jednotlivých stavů napětí nabíjecích hladin s konkretními hodnotami rezistorů, které jsou v zapojení použity, popisují vzorce č. 3.1 až č. 3.4. [18] 𝑉𝐵𝐴𝑇 _𝑈 𝑉 = 𝑉𝐵𝐼𝐴𝑆

𝑅𝑈 𝑉 2 · 1+ 𝑅𝑈 𝑉 1 (︂

3 𝑅𝑂𝑉 2 = 𝑉𝐵𝐼𝐴𝑆 · 1 + 2 𝑅𝑂𝑉 1 (︂

𝑉𝐵𝐴𝑇 _𝑂𝑉

𝑉𝐵𝐴𝑇 _𝑂𝐾_𝑃 𝑅𝑂𝐺 = 𝑉𝐵𝐼𝐴𝑆

)︂

)︂

4, 3 𝑀 Ω = 1, 25 𝑉 · 1 + 5, 6 𝑀 Ω (︃

= 2, 2 𝑉,

3 4, 3 𝑀 Ω = · 1, 25 𝑉 · 1 + 2 5, 6 𝑀 Ω (︃

𝑅𝑂𝐾2 · 1+ 𝑅𝑂𝐾1 (︂

)︂

𝑅𝑂𝐾2 + 𝑅𝑂𝐾3 = 𝑉𝐵𝐼𝐴𝑆 · 1 + 𝑅𝑂𝐾1

)︂

(3.1)

)︃

4, 3 𝑀 Ω = 1, 25 𝑉 · 1 + 4, 7 𝑀 Ω (︃

(︂

𝑉𝐵𝐴𝑇 _𝑂𝐾_𝑃 𝑅𝑂𝐺

)︃

= 3, 3 𝑉,

)︃

= 2, 39 𝑉, (3.3)

5, 73 𝑀 Ω = 1, 25 𝑉 · 1 + 4, 7 𝑀 Ω (︃

)︃

= 2, 77 𝑉.

22-23-2021 BATERIE-1 BATERIE-2

CSTOR GND

10uF

LBST

13

VBAT

VSS1

14

15 VSTOR

CHVR

GND 22-23-2021

10uF 1

VSS

OUT_2-1 OUT_2-2

12

AVSS BQ25504RGTT

RUV2

4M3 5M9

4M3 5M9

RUV1

ROV2 ROV1

GND

GND

GND

Obr. 3.6: Schéma zapojení IO BQ25504

35

ROK2

4M3

VRDIV

8

5

9

1M3

OK_HYST

ROK3

VREF_SAMP

4M7 ROK1

10

VBAT_UV

OK_PROG

7

CREF

VOC_SAMP

VBAT_OV

10pF

11

VBAT_OK

6

4

VIN_DC

OT_PROG

4M3

3

6M2

ROC1_2

2

9M1

ROC2

GND GND

ROC1_1

V_IN-2 V_IN-1

LBST

16

22uH

22-23-2021

(3.2)

GND

(3.4)

3.4

Realizace elektronické části

Deska byla navržena a vytvořena v Eagle - programu pro vývoj schémat a tvorbu plošných spojů. Pouzdra jednotlivých součástek jsou voleny ve velikosti SMD a to z důvodu minimalizace desky plošného spoje. Deska o velkých rozměrech může při jízdě na kole zbytečně překážet. Zdvojovač střídavého napětí je spolu s IO BQ25504 včetně jeho nastavovacích členů, navržen na jednu společnou desku. Návrh desky plošného spoje je na obr. č. 3.7 , obrázky č. 3.8 a č. 3.9 pak určují osazení desky součástkami z vrchní i spodní strany.

Obr. 3.7: Návrh desky plošného spoje

V_IN

OUT2

BATERIE

4M42

9M1

22uH

6M2

470uF

4.7uF

BQ25504

5M9 4M02

4M42

4M22 1M43

5M6

10pF

Obr. 3.8: Rozmístění součástek při pohledu shora

4M42

4.7uF 470uF

Obr. 3.9: Rozmístění součástek při pohledu zespoda

36

3.5

Konečná fáze výrobku

Propojením jednotlivých částí jsme dostali konečný stav výrobku. Generátor a baterie jsou k elektrické části připojeny pomocí dvou vodičů s 2pinovým konektorem. Proměřením bylo zjištěno, že přichází-li na vstup IO proměnlivý signál dosahujících minimálních hodnot nutných k aktivaci obvodu, hodnota napětí na nezatíženém výstupu narůstá a ustálí se na hodnotě horního stavu napětí V_BAT_OV, která činí 3,3 V, viz. výpočet 3.2. Tato hodnota je stálá a i při poklesu vstupního signálu zůstává jistou dobu (desítky sekund) na stejné úrovni. V momentě, kdy začne klesat napětí na výstupu, které klesá velice strmě, stačí k opětovnému dosažení hodnoty V_BAT_OV malého navýšení napětí (jednotky mV) na vstupu. Připojením nabité Li-ion baterie na výstup, její napětí je tedy vyšší jak 3,3 V, nabíjecí cyklus neprobíhá. Sepnutí nabíjení vyhodnocují porovnávací obvody uvnitř IO, jakmile dojde k poklesu napětí na baterii pod úroveň V_BAT_OV začne nabíjení. Maximální nabíjecí proud dosahuje až 5 mA, tedy při hodinové jízdě na kole se baterie o kapacitě 720 mAh nabije na 20 % své kapacity. Dvaceti minutová jízda na kole zvýšila stav kapacity baterie o 5,3 mAh.

Obr. 3.10: Zapojení celého systému

37

4

ZÁVĚR

Snahou bakalářské práce bylo seznámení se s oblastí získávání energie z neobvyklých zdrojů okolo nás. Práce obsahuje obecné popsání této oblasti včetně specifických rozdělení dle různých kategorií, odlišností při získávání energie, využití systému pro další zpracování přeměněné energie atd. Jsou zde popsány i komerční výrobky s jejich vlastnostmi a cílem využití. Hlavní část práce byla věnována elektromagnetickému generátoru, založeném na Faradayově zákoně. Zde je uveden detailní popis na základě principu přeměny energie výkonnosti a účinnosti takového systému a podmínky prostředí, do kterých je systém vhodný. Další částí práce bylo sestavení teoretického prototypu elektromagnetického generátoru a jeho následné odsimulování v prostředí Matlab, jehož výsledné průběhy nám ukázaly s jakými hodnotami lze dále při realizaci počítat, k jakým změnám docházelo se změnou odporové zátěže na výstupních svorkách, a jakým způsobem se projevovalo elektromagnetické tlumení. Dosažením požadovaných výsledných průběhů se projekt dostal do další fáze, a to do fáze návrhu a realizace funkčního prototypu generátoru. Na základě již reálných hodnot, kterých generátor při měření dosahoval, se mohlo pokračovat v návrhu a sestavení elektrické části, která přizpůsobovala příchozí signál z generátoru takový způsobem, jaký byl potřeba k nabíjení přídavné lithiové baterie. Je zřejmé, že daný systém lze dále výkonnostně zlepšovat a to, jak v dílčí části konstrukce generátoru, tak u použití materiálů, důmyslnější uchycení magnetů, ale i v části řízení a regulace signálů, kde by se mohlo využít součástek s lepšími vlastnostmi a nízkým ztrátovým výkonem. Do budoucna by se dalo zaměřit i na jiné místo a způsob získávání energie, než je z vibrací působících na rám kola. Zejména využití přítlačné síly vznikající mezi pedálem a našlapující nohou jezdce.

38

LITERATURA [1] BEEBY, S. P., TUDOR, M. J., WHITE, N. M. Energy harvesting vibration sources for microsystems applications. Southampton, UK: 2006. 21 s. doi: 10.1088/0957-0233/17/12/R01 [2] HADAŠ, Z. Mikrogenerátor jako mikromechanická soustava. Disertační práce. Fakulta strojního inženýrství. VUT, Brno: 98 s. [3] HADAŠ, Z., SINGULE, V., ONDRŮŠEK, Č. T Overall Tuning up of Vibration Generator and Choice of Energy Transducer Construction. 5th International Conference on Advanced Engineering Design 2006. Praha. 2006. [4] HALLIDAY, D., RESNICK, R., WALKER, J. Fyzika - Mechanika. VUTIUM Brno, Prometheus Praha. 2001. dotisk 2006. [5] KHALIGH, A., PENG ZENG, CONG ZHENG Kinetic Energy Harvesting Using Piezoelectric and Electromagnetic Technologies - State of the Art. (9. Květen 2009), [cit. 14. 11. 2011]. Industrial Electronics, IEEE Transactions on. Dostupné z URL: http://ieeexplore.ieee.org/ [6] KUME, H. Vibration-powered Generators replace AA, AAA batteries. [online]. Publikováno 2010-07-16, [cit. 14. 11. 2011]. Dostupné z URL: http://techon.nikkeibp.co.jp/english/NEWS_EN/20100716/184262/ [7] LAPTOP THE PULSE OF MOBILE TECH [online]. [citováno 12. 10. 2011] Dostupné z URL: http://www.laptopmag.com/mobile-life/power-by-motion.aspx [8] LI HUANG, POP, V., de FRANCISCO, R., VULLERS, R. Ultra Low Power Wireless and Energy Harvesting Technologies – An Ideal Combination. (17-19. Listopad 2010), [cit. 10. 11. 2011]. Communication Systems (ICCS), 2010 IEEE International Conference on. Dostupné z URL: http://ieeexplore.ieee.org/ [9] MAGSY [online]. [citováno 17. 10. 2011] Dostupné http://www.magsy.cz/page/155.magnet-neodymovy-ndfeb/

z

URL:

[10] MATEU, L., MOLL, F. Review of Energy Harvesting Techniques and Applications for Microelectronics. Universitat Polit‘ecnica de Catalunya. Barcelona, Spain: Dept. of Electronic Engineerin. 15 s. [11] ON SEMICONDUCTOR. MBD54DWT1, Dual Schottky Barrier Diodes. [online datasheet]. [cit. 18. 5. 2012] Dostupné z URL: http://www.farnell.com/datasheets/92119.pdf 39

[12] PANASONIC. EEEFP1A471AP, Aluminum Electrolytic tors/ FP. [online datasheet]. [cit. 18. 5. 2012] Dostupné http://www.farnell.com/datasheets/370232.pdf

Capaciz URL:

[13] PERPETUUM LTD., PRODUCTS [online]. [citováno 12. 10. 2011] Dostupné z URL: http://www.perpetuum.com/pmg17.asp [14] PIMENTEL, D., MUSILEK, P. Power management with energy harvesting devices. (2-5. Květen 2010), [cit. 10. 11. 2011]. Electrical and Computer Engineering (CCECE), 2010 23rd Canadian Conference on. Dostupné z URL: http://ieeexplore.ieee.org/ [15] ROUNDY, S., RABAEY, J. M., WRIGHT, P. K. Energy Scavenging for Wireless Sensor Networks: With Special Focus on Vibrations. Kluwer Academic Publishers, Boston MA. 2003. [16] ŠIROKÝ, M. Základy práce s programem Simulink. Fakulta aplikovaných věd Západočeské univerzity, Plzeň: 2007. 30 s. [17] Technology Review [online]. [citováno 17. 10. 2011] Dostupné z URL: http://www.technologyreview.com/Energy/19777/ [18] TEXAS INSTRUMENT. BQ25504, Ultra Low Power Boost Converter with Battery Management for Energy Harvester Applications. [online datasheet]. [cit. 18. 5. 2012] Dostupné z URL: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq25504.pdf [19] YUN, J., PATEL, S. N., REYNOLDS, M. S., ABOWD, G. D. Design and Performance of an Optimal Inertial Power Harvester for Human-powered Devices. IEEE Transactions on mobile computing. July 2009. Vol. 8, No. 7. s. 1-16. ISSN: 1536-1233

40

SEZNAM SYMBOLŮ, VELIČIN A ZKRATEK ESR ekvivalentní sériový odpor – Equivalent Series Resistanc GPS globální triangulační systém – Global Position System GSM globální systém pro mobilní komunikaci – Global System for Mobile Communication IEC speciální druh konektoru IO

integrovaný obvod

LED luminiscenční dioda – Light Emitting Diode MEMS mikro-elektrické-mechanické systémy – Micro-Electro-Mechanical Systems NdFeB směs neodymu, železa a bóru PVC umělá hmota – Polyvinylchlorid RMS efektivní hodnota časově proměnného signálu – Root Mean Squared SMD součástka pro povrchovou montáž – Surface Mount Device 2D

dvourozměrný

2G

druhá generace bezdrátové telefonní technologie mobilního telefonu

3D

trojrozměrný

𝜑

průměr

41

A

SEZNAM PŘÍLOH

Všechny přílohy jsou uloženy na přiloženém CD. 1. Elektronická verze bakalářské práce ve formátu pdf. 2. Soubory pro návrh plošného spoje deska.sch a deska.brd vytvořené v programu Eagle 5.11.0. 3. Soubory vypocet.m a simulace.mdl pro výpočet a simulaci v prostředí Matlab.

42