Sistem hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica si piezoelectrica, transformare dc/dc cu integrare MEMS si stocare adaptiva – ASEMEMS HARVEST Fimaţare: - bugetul de stat + cofinanţarea partenerului P4. Contract: 63/2014 Cod proiect: PN II PT-PCCA-2013-4-0486 Rezumat Echipele de cercetare Rezultate preconizate Rapoarte de activitate – stadiul şi rezultatele obţinute Etapa I – 2014 Etapa II – 2015 Etapa III – 2016 Rezumat:

Proiectul propune realizarea prototipului unui sistem hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica si piezoelectrica, transformare DC/DC cu integrare MEMS si stocare adaptiva. Se va realiza si testa un demonstrator alcatuit din senzori wireless care sunt alimentati de catre sistemului hibrid, pentru trei aplicatii practice predefinite. Un element cheie, novator, este microtransformatorul planar, de inalta frecventa, cu miez magnetic hibrid, nanofluid magnetic/ferită, si infasurari spiralate, fabricat în tehnologia MEMS, parte integranta a unui convertor DC/DC. Utilizarea nanofluidului magnetic (nanoparticule de Fe3O4 dispersate in ulei pentru motoare diesel, surfactantul utilizat fiind acid oleic) asigura o mai buna stabilitate termica, creste cuplajul magnetic dintre infasurari si mareste rigiditatea dielectrica a constructiei. Se propune o noua metoda de fabricatie a microbobinelor planare, în tehnologia MEMS. Fabricarea microtransformatorului se realizeaza in cadrul ICPE-CA, in tehnologie LIGA.

Al doilea element central este un sistem de conversie fotovoltaica, dezvoltat utilizand doua solutii inovative, complementare. Sistemul de conversie fotovoltaica este prevazut cu concentrator si strat anti-reflex pentru sporirea eficientei utilizarii iluminarii ambientale. Se va depune pe suprafata celulelor fotovoltaice un strat anti-reflex pe baza de nanostructuri de ZnO, pentru a realiza o structura-capcana destinata cresterii drumului parcurs de fotoni in materialul absorbant prin reflexii multiple. Complementar, este propus un sistem de conversie piezoelectrica inovativ, realizat dintr-o plăcuţa din ceramica piezo pe care s-au construit structuri piezo optimizate, care supuse unor solicitari mecanice (prin expunere la vant sau plasarii intr-un fluid aflat in curgere) produc putere electrica. Cele doua sisteme pentru recoltarea energiei ambientale, fotovoltaic si piezoelectric sunt interconectate cu un sistem inovativ de stocare adaptiva a energiei electrice, care asigura un management energetic optimal. Sistemul-concept propus pentru managementul energetic contine doua elemente de stocare: un buffer de stocare pe termen scurt si un buffer de stocare pe termen lung. Integrarea sistemelor fotovoltaice si a dispozitivului piezoelectric de recoltare, cu un sistem inovativ de stocare adaptiva, eficienta, a energiei si un convertor DC-DC original care utilizeaza micro-transformatorul planar MEMS cu miez hibrid tip nanofluid magnetic/ferită, intr-un dispozitiv de recoltare a energiei eficient, reprezinta o noutate la nivel national, care poate aduce valoare adaugata pentru dezvoltari ulterioare, inclusiv ca un produs final pentru cofinantator. Sistemul propus va alimenta senzori wireless, permitand integrarea sa in solutii de tip ICT (Intelligent

2

Communication Technologies). Aplicatiile posibile cu potential de piata ale acestor sisteme de recoltare a energiei din mediul inconjurator sunt diverse si aproape nelimitate, caracterzandu-se prin posibilitatea amplasarii lor in locuri greu accesibile, izolate si fara surse locale de energie conventionale. Cateva dintre aceste aplicatii pot fi: automatizari cu senzori de presiune montati in retelele de distributie a gazului natural, traductoare de nivel pentru rezervoare de stocare a apei potabile, senzori de analiza a noxelor pentru cosuri de fum. De asemenea, monitorizare in scop stiintific si ecologic: senzori montati pe balize maritime (senzori pentru oxigen dizolvat, temperatură, conductivitate, turbiditate), aplicatii in agricultura: senzori de masurare a umiditatii si temperaturii solului. Impactul generat de diseminare consista in depunerea a patru lucrari ISI depuse la reviste de prestigiu in domeniu si participarea la doua Conferinte internationale ce vor da vizibilitate internationala cercetarii romanesti. In urma derularii proiectului se vor depune doua cereri de brevetare la OSIM. Echipele de cercetare: CO – INCDIE ICPE-CA, Bucureşti: Dr. ing. PISLARU-DANESCU Lucian – director de proiect Dr. ing. Ilie Cristinel - Persoana cheie Drd. ing. Popa Marius - Persoana cheie Dr. ing. Chiţanu Elena - Persoana cheie Dr. ing. Nicolaie Sergiu Dr. ing. Bunea Florentina Dr. ing. Babutanu Corina Alice Ing. Lipcinski Daniel Drd. ing. Chihaia Rares Andrei Tehn. Miu Marius P1. – UNIVERSITATEA POLITEHNICA TIMIŞOARA Conf. dr. ing. STOIAN Floriana Daniela – Responsabil partener Sl. Dr. ing. Holotescu Sorin - Persoana cheie Drd. ing. Marinica Oana-Maria - Persoana cheie Dr. ing. CRAINIC Nicolae Tehn. BALANEANU Florica Tehn. GIULA George P2 – ACADEMIA ROMANA FILIALA TIMISOARA Dr. ing. POPA Nicolae Calin – Responsabil partener Dr. ing. Vekas Ladislau - Persoana cheie Dr. ing. Socoliuc Vlad-Mircea - Persoana cheie Dr. ing. Susan-Resiga Daniela - Persoana cheie Dr. Ing. Chim COCA-PODARU Camelia Fiz. DAIA Camelia Masterand Vasilescu Corina P3 – UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCURESTI Prof. Dr. ing. MOREGA Alexandru Mihail – Responsabil partener Prof. Dr. Ing. Morega Mihaela - Persoana cheie Conf. Dr. Ing. Machedon Alina - Persoana cheie Dr. Ing. Dumitru Jean Bogdan Dr. Ing. Gheorghe Cristina Mihaela Dr. Ing. Ilina Ion Daniel Tehn. Pavel Natalia

3

Tehn. Floricău Elena Tehn. Anghel Dumitru Tehn. Condosi Ioana P4 – S.C. SYSCOM PROCESS CONTROL SRL Drd. ing. ANDRONACHE Valentin – Responsabil partener Ing. Costea-Marcu Ioan - Persoana cheie Ing. Marin Emanue - Persoana cheie Ing. Furdui Razvan-Ioan - Persoana cheie Ing. Popescu Cezar Ing. Juganaru Marian Ing. Paraschiv Laurentiu Ing. Nichifor Sorin Ing. Dascalu Ion-Bogdan Tehn. Pascu Vasile Rezultate preconizate: I. Un nanofluid magnetic cu stabilitate pe termen lung in camp electromagnetic variabil si proprietati corespunzatoare pentru a fi utilizat ca miez lichid intr-un micro-transformator. In acest proiect, urmeaza a fi preparate si caracterizate nanofluide magnetice cu proprietati magnetice, dielectrice, reologice si termice corespunzatoare pentru utilizarea ca miez lichid intr-un micro-transformator. Nanoparticulele magnetice vor fi preparate prin procedeul chimic bazat pe metoda co-precipitarii, care este recunoscuta ca fiind cea mai eficienta. Nanofluidele magnetice care vor fi preparate pentru aplicatia propusa in cadrul proiectului vor trebui sa fie caracterizate prin stabilitate pe termen lung – o cerinta legata tot de procedura de sinteza, inclusiv de natura surfactantului si a lichidului de baza. Alte cerinte de calitate importante care trebuie indeplinite de nanofluidul magnetic si care vor fi avute in vedere ca teme de lucru in cadrul acestui obiectiv sunt: a) magnetizatie de saturatie adecvata pentru aplicatia tinta; b) presiune scazuta a vaporilor si proprietati fizice (viscozitate, conductivitate termica, capacitate termica, conductivitate electrica) adaptate conditiilor de functionare, precum si materialelor in contact cu nanofluidul magnetic; c) buna stabilitate coloidala in camp electromagnetic variabil – fractie volumica controlata a aglomeratelor ireversibile de nanoparticule. II. Un model conceptual al unui transformator TPS 2:1 fabricat în tehnologia MEMS este propus să echipeze un dispozitiv SPRE cu miez magnetic hibrid FNSPM / ferită. Parametrii săi de circuit sunt comparaţi cu cei ai TPS cu miez integral de ferită. III. Un sistem de conversie fotovoltaica, utilizand solutii inovative. Sistemul de conversie fotovoltaica este prevazut cu strat anti-reflex pentru sporirea eficientei utilizarii iluminarii ambientale. Se va depune pe suprafata celulelor fotovoltaice un strat anti-reflex pe baza de nanostructuri de ZnO, pentru a realiza o structura-capcana destinata cresterii drumului parcurs de fotoni in materialul absorbant prin reflexii multiple. IV. Un convertor DC/DC realizat cu integrarea transformatorului TPS 2:1 fabricat în tehnologia MEMS, cu randament ridicat (> 92%) pentru alimentarea senzorilor wireless prin utilizarea energiei furnizate de sistemul de conversie fotovoltaica. Rapoarte de activitate – stadiul şi rezultatele obţinute

1

Valoare Etapa I: 60700 lei ( 58000 lei Bugetul de stat; 2700 lei Cofinantare ) Raportul stiintific si tehnic A - Rezumatul etapei Elaborarea modelului experimental al micro-transformatorului MEMS, cu miez din nanofluid magnetic si ferita este un obiectiv central al proiectului. In acest scop, se dezvolta un concept de transformator miniatural planar cu înfăşurări spiralate (TPS). Carcasa transformatorului, parte a circuitului magnetic, este construită din ferită. Pentru miezul magnetic dintre cele două înfăşurări ale transformatorului sunt considerate două variante constructive: ferită sau nanofluid super magnetic, NF-SPM. Cele două înfăşurări planare sunt alcătuite din patruzeci de spire şi sunt realizate din cupru, cu profil dreptunghiular de dimensiuni 50×50 μm, fabricate în tehnologia MEMS de tip LIGA, pe suport ceramic. Cele două înfăşurări, primară şi secundară, sunt constituite din douăzeci de spire, respectiv patruzeci de spire, cu profil rectangular crescute pe suporţi din ceramică. Similar variantei pentru izolare galvanică, carcasa este realizată din ferită iar miezul magnetic este construit din NF-SPM. Modele 2D sau mai detaliate 3D sunt utilizate pentru simularea câmpului electromagnetic în regim staţionar şi a câmpul electrostatic, pentru ambele tipuri de miez magnetic, ferită (doar pentru transformatorul pentru separare galvanică) sau NF-SPM. Rezultatele obţinute sunt utilizate şi pentru determinarea parametrilor electrici concentraţi ai TPS (inductivităţile proprii, mutuale şi capacităţile electrice proprii şi de cuplaj), de interes în integrarea acestuia în proiectarea circuitului electric al sistemului de conversie din care face parte TPS. În acest studiu, pentru miezul din NF-SPM este studiată şi mişcarea miezului fluid sub acţiunea forţelor de magnetizaţie, pentru diferite scheme de alimentare ale înfăşurărilor. De asemenea, se propune o tehnologie LIGA de realizare a transformatorului TPS 2:1 cu miez magnetic hibrid, NFSPM/ferită. Se propune un procedeu de sinteza prin coprecipitare chimica a nanoparticulelor de magnetite (NPM) surfactate (hidrofob sau hidrofil), precum si o schema de preparare la nivel de laborator a fluidelor magnetice pe baza de solvent organici nepolari (ulei de transformator). Utilizarea unui nanofluid magnetic ca miez lichid intr-un microtransformator planar de inalta frecventa necesita analizarea caracteristicilor electrice ale fluidului de baza (rezistivitate si conductivitate electrica, permitivitatea electrica), a caracteristicilor electrice ale nanoparticulelor magnetice (ce depind in primul rand de natura acestora) cat si cele ale surfactantului utilizat, pentru conditiile de lucru estimate (tensiune, curent, frecventa etc). Studii ale unor caracteristici electrice ale unor surfactanti utilizati pentru acoperirea nanoparticulelor magnetice, au aratat ca in functie de tipul de surfactant, constanta dielectrica a complexului surfactant – solvent poate fi modificata. Spre exemplu, adaugarea de acid oleic in Kerosen in proportii masice variind de la 0 la 100% nu modifica constanta dielectrica a amestecului (aceasta variind in jurul valorii de 2,9), in timp ce adaugarea unor surfactanti ne-ionici dar cu constante dielectrice mult mai mari (de 2 – 3 ori), chiar si in concentratii reduse (sub 5%) poate conduce la cresterea proportionala a conductivitatii electrice a amestecului acestuia cu Kerosen (de pana la 5 ori, pentru 5% concentratie masica surfactant). În ceea ce priveşte influenţa aplicării unui câmp magnetic asupra capacităţii termice a nanofluidului magnetic, pentru un anumit interval de temperatură, literatura de specialitate consemnează rezultate care indică, pe de o parte influenţa compoziţiei nanofluidului magnetic (a naturii lichidului de bază şi a nanoparticulelor, a concentraţiei acestora), iar pe de altă parte influenţa valorii câmpului magnetic şi a orientării acestuia în raport cu câmpul gravitaţional (in cazul campului CC) si a frecventei (in cazul campului AC). Determinarea variatiei acestei proprietati in raport cu parametrii mentionati, pentru nanofluidul magnetic se determina pe cale experimentala, prin calorimetrie, respectiv magneto-calorimetrie (cand se analizeaza influenta intensitatii campului magnetic si a caracteristicilor acestuia). Spre exemplu, studiul influentei unui camp magnetic AC de 300 kHz asupra nanopariculelor de magnetita dispersate intr-o solutie apoasa, in diferite concentratii, a aratat ca pentru un camp de intensitate 42.6 kA/m, plecand de la temperatura mediului ambiant se poate ajunge rapid la temperaturi in jur de 90°C. Pentru TPS cu miez magnetic din ferită s-au realizat studii parametrice pe modele 3D, pentru a determina influenţa pe μr a feritei şi d o au asupra inductivităţii proprii. Astfel, Lii variază practic liniar cu μr al feritei (variaţie < 2%). Lii creşte cu d, tinzând la o valoare constantă pentru d> 1,5 mm.Lij scade cu d, şi tinde la o valoare constantă pentru d< 1 mm. A fost studiată şi dependenţa de d factorului de cuplaj,

2211 LLMk = . O explicaţie pentru factorul de cuplaj prost este valoarea mare a permitivităţii

relative a miezului (μr= 1000) faţa de aceea a suporţilor ceramici (μr = 1). O metodă de îmbunătăţire a factorul de cuplaj poate fi utilizarea unor suporţi realizaţi, de exemplu, din ferită. Înlocuirea suporţilor ceramici cu ferită duce la o creştere substanţială a inductivităţii proprii a TPS. Au fost observate îmbunătăţiri semnificative atât pentru inductivitatea mutuală, Lij, cât şi pentru factorul de cuplaj, care în această configuraţie ajunge la k=0.5 pentru un miez cu înălţime d=0.25 mm. Capacitatea transformatorului planar a fost calculată analitic, prin reducerea problemei de câmp electrostatic la modelul condensatorului planar, şi numeric (modele 2D şi 3D). Pentru modelul TPS 1:2, redus din motive de simetrie la o optime, au fost realizate o serie de studii numerice parametrice, pe domenii de calcul 3D. Efectele de câmp produse de bornele înfăşurărilor au fost neglijate. Curgerea miezul din nanofluid magnetic a fost modelată pentru patru moduri de alimentare a înfăşurărilor. Forţele de magnetizaţie care antrenează curgerea au fost preluate din problema de câmp magnetic. S-a ţinut seama şi de contribuţia forţei gravitaţionale.

2

B - Descrierea stiintifica si tehnica Activitatea I.1. Studiu privind elaborarea unui model experimental de micro-transformator MEMS, cu miez din nanofluid magnetic si ferita I.1.1. Transformator miniatural planar cu înfăşurări spiralate (TPS), concept In vederea indeplinirii obiectivului asumat al proiectului de a realiza un sistem hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica si transformare DC/DC cu integrare MEMS, capabil sa alimenteze senzori wireless, este necesara parcurgerea procesului de elaborare a unui model experimental pentru acest sistem, din care face parte micro-transformatorul cu miez din nanofluid magnetic si ferita. Elaborarea modelului experimental al micro-transformatorului MEMS, cu miez din nanofluid magnetic si ferita trebuie sa aiba in vedere si urmatoarele elemente: - Corelatia dintre parametrii de circuit ai micro transformatorului si parametrii caracteristici necesari ai nanofluidului magnetic ce urmeaza a fi utilizat ca miez lichid, in principal magnetizatia de saturatie, dar si viscozitatea, rezistivitatea/conductivitatea electrica, conductivitatea termica, capacitatea termica, cu luarea in calcul a influentei campului magnetic variabil asupra acestor proprietati; - Compararea proprietatilor magnetice ale miezului ferita cu cele ale volumului de nanofluid magnetic impreuna cu care formeaza miezul (pentru cazul unui miez combinat ferita – nanofluid magnetic); - Compatibilitatea de material dintre nanofluidul magnetic (o suspensie coloidala pe baza de ulei de transformator in care sunt dispersate nanoparticule magnetice acoperite cu un strat de surfactant acid oleic) si substatul de ceramica al bobinelor ce formeaza primarul si secundarul micro-transformatorului (in cazul utilizarii exclusive a nanofluidului magnetic ca miez, respectiv compatibilitatea chimica cu elementele de separare si de etansare. În acest studiu sunt analizate două tipuri de transformatoarele electrice cu înfăşurări planare spiralate (TPS) realizate în tehnologia MEMS tip LIGA: un model cu raport de transformare 1:1, pentru izolare galvanică (Fig. 1) şi un model cu raport de transformare 1:2 (Fig. 2).

Fig. 1— Modelul CAD pentru TPS pentru separare galvanică – raportul numărului de spire 1:1.

Fig. 2 — Modelul CAD pentru TPS cu raport de transformare 1:2.

Carcasa transformatorului, parte a circuitului magnetic, este construită din ferită. Pentru miezul magnetic dintre cele două înfăşurări ale transformatorului sunt considerate două variante constructive: ferită sau nanofluid super magnetic, NF-SPM. Cele două înfăşurări planare sunt alcătuite din patruzeci de spire şi sunt realizate din cupru, cu profil dreptunghiular de dimensiuni 50×50 μm, fabricate în tehnologia MEMS de tip LIGA, pe suport ceramic. Dacă se neglijează efectele de capăt din regiunile terminalelor înfăşurărilor şi se admite că înfăşurările sunt alcătuite din spire circulare, concentrice, pentru TPS cu raportul de transformare 1:2 domeniul de calcul poate fi redus la o optime (ţinând cont de simetria transformatorului). În Fig. 2.9 este prezentat domeniul de calcul pentru această variantă constructivă. Cele două înfăşurări, primară şi secundară, sunt constituite din douăzeci de spire, respectiv patruzeci de spire, cu profil rectangular crescute pe suporţi din ceramică. Similar variantei pentru izolare galvanică, carcasa este realizată din ferită iar miezul magnetic este construit din NF-SPM.

Fig. 3 — Modelul CAD 2D simplificat pentru TPS utilizat pentru separare galvanică.

3

Pentru un studiu preliminar, un model simplificat, 2D axial-simetric (Fig. 3) al TPS pentru separare galvanică este o a alternativă a modelului 3D, mult mai eficient din punct de vedere al efortului de calcul numeric. I.1.2 Modelarea transformatorului miniatural planar cu înfăşurări spiralate I.1.2.1. Câmpul electromagnetic în regim staţionar Modele mai simple 2D (Fig. 3) sau mai detaliate 3D (Fig. 1,2) pot fi utilizate pentru simularea câmpului electromagnetic în regim staţionar şi a câmpul electrostatic, pentru ambele tipuri de miez magnetic, ferită (doar pentru transformatorul pentru separare galvanică) sau NF-SPM. Rezultatele obţinute pot fi utilizate şi pentru determinarea parametrilor electrici concentraţi ai TPS (inductivităţile proprii, mutuale şi capacităţile electrice proprii şi de cuplaj), de interes în integrarea acestuia în proiectarea circuitului electric al sistemului de conversie din care face parte TPS. În acest studiu, pentru miezul din NF-SPM este studiată şi mişcarea miezului fluid sub acţiunea forţelor de magnetizaţie, pentru diferite scheme de alimentare ale înfăşurărilor.

Fig.4 — Condiţiile la limită pentru problema electrocinetică.

Câmpul electrocinetic în cele două înfăşurări, sursele de câmp magnetic, sunt rezultatul unei probleme de câmp electric, definită de [4]

( ) 0=∇σ⋅∇ V , (1)

unde V [V] este potenţialul electric, iar σ [S/m] este conductivitatea electrică a înfăşurărilor. Domeniul de calcul este restrâns la volumele celor două înfăşurări. Condiţiile la limită pentru problema de câmp electrocinectic sunt (Fig. 4) potenţial electric dat la câte unul dintre terminalele înfăşurărilor şi masă la celălalte; restul suprafeţelor sunt izolate electric (n·J =0, unde n este normala exterioară). Pentru TPS cu raport de transformare 1:2, în funcţie de schema de alimentare, condiţiile la limită sunt fie Dirichlet(potenţial electric nul), fie Neumann (se impune componentei normale a densităţii curentului elctric, Jn = 5 A/mm2). Câmpul magnetic staţionar este descris de o ecuaţie cu derivate parţiale, particularizată astfel

Înfăşurări ∇ × μ0

−1μr−1∇ × A( )= Je , (2)

Miezul de ferită şi suporţii din ceramică ∇ × μ0

−1μr−1∇ × A( )= 0, (3)

Miezul din nanofluid superparamagnetic ∇ × μ0

−1μr−1∇ × A − M( )= 0 , (4)

unde Je [A/m2] este densitatea curentului electric din înfăşurări, soluţie a unei probleme de câmp electric staţionar, A [T/m] este potenţialul magnetic vector, μ0= 4π×10-7 H/m este permeabilitatea magnetică a vidului, μr este permeabilitatea relativă a carcasei sau a miezului magnetic (1000, pentru ferită), M [A/m] este magnetizaţia (pentru NF-SPM). Condiţia la limită este izolaţie magnetică (n×A = 0, unde n este mormala exterioară).

Fig. 5 —Condiţiile la limită pentru problema de câmp electrostatic.

Pentru calculul capacităţilor electrice ale TPS (Fig. 5) se rezolvă problema de câmp electrostatic

∇⋅ ε0ε r∇U( )= 0, (5)

4

unde U [V] este potenţialul electrostatic, εr este permitivitatea relativă iar ε0 = 10-9/(4π×9) F/m este permitivitatea vidului. Suprafaţa exterioară a TPS este izolată electric (n·D = 0, unde D = εE[C/m2] este inducţia electrică). Terminalele înfăşurării primare sunt la potenţial constant iar cele ale înfăşurării secundare sunt la masă. Pentru ferită şi ceramică permitivitatea relativă este εr = 10, iar pentru NF-SPM εr= 6 [1,2]. I.1.2.2. Acţiunile pondero-motoare în câmp manetic, în mediul fluid, magnetic În regim staţionar curgerea NF-SPM (newtonian) este incompresibilă, laminară, incompresibilă, definită de [3,4]: Legea conservării impulsului (Navier-Stokes)

ρ u⋅ ∇( )u[ ]= −∇p + η∇2u + fmg , (6)

Legea conservării masei

∇⋅ u = 0, (7)

unde u [m/s] este viteza, p [N/m2] este presiunea, ρ [N/m2] este densitatea de masă, η [N.s/m2] este vâscozitatea dinamică, fmg = μ M⋅ ∇( )H [N/m3] este densitatea forţei de magnetizaţie. Influenţa gravitaţiei este considerată pentru diferitele orientări ale

TPS. Condiţiile la limită pentru curgere sunt viteză de contact zero (fără alunecare) la pereţii solizi şi cu alunecare (componenta normala a vitezei zero) la pereţii corespunzători planurilor de simetrie. Atunci când solenaţiile sunt adiţionale (fluxuri magnetice fasciculare adiţionale) problema nu prezintă simetrie, iar problema hidrodinamică este rezolvătă în întregul domeniu. În regim de funcţionare nominal solenaţiile sunt în opoziţie. Domeniul de calcul şi problema de câmp magnetic prezintă atunci simetrie faţă de planul median orizontal al TPS cu raport 1:1, deci problemele de câmp magnetic şi hidrodinamică pot fi reduse la jumătate. I.1.2.3. Calculul parametrilor de circuit ai TPS Inductivităţile proprii sunt calculate cu ajutorul metodei energetice. Înfăşurările sunt alimentate succesiv (una este activă cealaltă este pasivă), inductivităţile fiind calculate folosind

L11 =2I1

2 wm,1Ω∫ dΩ , (8)

unde Ii [A] este curentul din înfăşurările primară (i = 1) şi secundară (i = 2), iar wm,1 [J/m3] este densitatea de energie magnetică determinată atunci când înfăşurarea primară este parcursă de curentul I1 iar curentul prin înfăşurarea secundară este nul (I2 = 0). Inductivitatea mutuală este calculată aplicând relaţia

L2,1 = L1,2 =Φ21

i1, (9)

unde 21Φ [Wb] este fluxul total produs de înfăşurarea primară atunci când înfăşurarea secundară este lasată în gol,

∫Γ

′=Φ2

211,2 sdA (Γ2 este conturul median al înfăşurării secundare). Efectele capacitive sunt importante, deoarece TPS

funcţionează la frecvenţe de ordinul O(MHz). Pentru a determina capacitatea proprie (dintre înfăşurări) presupunem că înfăşurărilesunt echipotenţiale. Terminalele înfăşurării primare sunt puse la masă iar terminalele înfăşurării secundare sunt ţinute la potenţial constant. Înfăşurărilor primară şi secundară le sunt atribuite valori mari ale permitivităţii astfel încât acestea să se comporte ca şi corpuri electronductoare (armături). Capacitatea proprie se calculează cu

C =2

U 2 weΩ∫ dΩ, (10)

unde we[J/m3] este densitatea de energie electrică, U [V] este tensiuneadintre înfăşurări.

I.1.2.4. Rezultate de simulare numerică pentru TPS Au fost analizate trei moduri de funcţionare:

• o înfăşurare este alimentată şi cealaltă este în gol, soluţia fiind utilizată în calculul inductivităţii proprii şi a inductivităţii mutuale;

• înfăşurările sunt alimentate în opoziţie, fluxurile magnetice fasciculare sunt diferenţiale; • înfăşurările sunt alimentate în acelaşi sens, fluxurile magnetice fasciculare sunt adiţionale.

Modelul matematic (1)-(7) a fost rezolvat numeric cu metoda elementului finit Galerkin (FEM), pentru domenii de calcul 2D şi 3D. I.1.2.4.1. Modelarea 2D a TPS pentru izolare galvanică În regim staţionar problema electrocinetică este decuplabilă de problema magnetică. Fig.6 prezintă spectre ale inducţiei magneticeşi intensităţii câmpului electric.

5

a. Potenţialul electric şi

inducţia electrică. b. Inducţia magnetică,

primarul alimentat, secundarul în gol.

a.Inducţia magnetică, fluxuri magnetice

fasciculare adiţionale.

b.Inducţia magnetică, fluxuri magnetice fasciculare opuse.

I. Primarul este alimentat, secundarul este în gol. II. Ambele înfăşurări sunt alimentate – curenţii au acelaşi sens prin înfăşurări.

Fig. 6— Distribuţiile câmpurilor electric şi magnetic.

Simularea numerică 2D poate da o soluţie satisfăcătoare într-o fracţiune din timpul de simulare necesar pentru un model mai detaliat, 3D. Cu toate acestea, aproximările impuse de presupusa simetriei plan-paralelă a TPS afectează estimarea energiilor magnetice şi electrice în miezul transformatorului.

Fig. 8— Suprafeţe echipotenţiale şi linii de câmp ale intensităţii câmpului electric.

Pentru calculul capacităţii TPS pentru separare galvanică modelul 2D a fost redus, invocând simetria (Fig. 8). Din soluţiaproblemei de câmp electrostatic se determină densitatea de energie electrică, necesară pentru calculul capacităţii electrice proprii a transformatorului.

I.1.2.4.2. Modelarea 3D a TPS pentru izolare galvanică

Pentru studiul curgerea miezului magnetic fluid fiindeste necesară analiza 3D a câmpului magnetic responsabil de apariţia forţelor de magnetizare careo produc. Fig. 9 prezintă o spectrul câmpului electrocinetic din cele două înfăşurări.

a. Potenţialul electric. b. Densitatea curentului electric.

Fig. 9 —Câmpul electrocineticîn înfăşurări.

Problema de câmp magnetic staţionar a fost rezolvată atât pentru TPS cu miez din ferită cât şi pentru cel cu miez NF-SPM, pentru diferite grosimi ale miezului. Pentru fiecare caz sunt considerate trei moduri de alimentare: a) o înfăşurare este alimentată şi cealaltă este lăsată liberă, soluţia fiind utilizată în calculul inductivităţilor proprii şi mutuale; b) ambele înfăşurări sunt alimentate, curenţii prin înfăşurări au sensuri opuse (funcţionare normală), fluxurile magnetice fasciculare sunt diferenţiale; c) ambele înfăşurări sunt alimentate, curenţii a acelaşi sens, fluxurile magnetice fasciculare sunt adiţionale. Fig. 10 prezintă inducţia magnetică. Grosimea tuburilor de flux şi culoare sunt proporţionale cu valoarea locală a inducţiei magnetice. Toate părţile, cu exceptia înfăşurărilor active (puse în evidenţă prin densitatea de curent), au fost suprimate pentru o vedere mai bună.

6

I. Miez din ferită, d= 0.56 mm.

II. Miez din ferită, d= 2,24 mm.

III. Miez din NF-SPM, d= 0.56 mm.

a. O înfăşurare este activă, cealaltă este

lăsată în gol. b.Ambele înfăşurări sunt active, fluxuri

fasciculare adiţionale. c. Ambele înfăşurări sunt active,

fluxuri fasciculare opuse.

Fig. 10— Câmpul magnetic staţionar pentru TPS cu miez magnetic din ferită. (I, II) şi NF-SPM (III).

Din analiza numerică ale câmpului magnetic se poate observa influenţa efectelor de capăt produse de terminalele (bornele electrice ale) înfăşurărilor în distribuţia fluxului magnetic, respectiv distorsionarea liniilor de flux magnetic fascicular produse de spirele celor două înfăşurări. Forma şi dimensiunea terminalelor electrice poate fi un element de optimizare a TPS, în special dacă se utilizează un miez magnetic din nanofluid. Problema de câmp electrostatic a fost rezolvată parametric pentru diferite înălţimi ale miezului magnetic realizat din ferită sau nanofluid. Fig. 11 prezină distribuţia câmpului electric, E, şi a potenţialul electric pentru TPS cu miez din ferită. Pentru reducerea efortul de calcul se utilizează simetria faţă de planul median orizontal al TPS.

Fig. 11 —Câmpul electric static în TPS cu miez din ferită.

Un fenomen spcific transformatoarelor cu miez NF-SPM este mişcarea miezului sub acţiunea forţelor de magnetizare. Această curgerea a fost studiată pentru funcţionarea normală a TPS (înfăşurările sunt parcurse de curenţi opuşi). Fig. 12 prezintă curgerea prin tuburi de funcţie de curent pentru diferite înălţimi ale miezului, atunci când înfăşurările sunt alimentate în opoziţie (curentul este 1 mA). Efectul acceleraţiei gravitaţionale asupra curgerii este neglijat.

a. d= 0,56 mm – viteza

maximă este de ordinul de mărimeO(25 nm/s).

b. d = 1,12 mm – viteza maximă este de ordinul de

mărime O(65 nm/s)

c. d= 1,68 mm – viteza maximă este de

ordinulO(0,1 µm/s).

d. d= 2,12 mm – viteza maximă este de ordinul de

mărimeO(10 µm/s).

Fig.12 – Curgerea în miezul TMS cu miez NF-SPM (privită de deasupra planului median).

7

Fig. 13 prezintă vederea 3D a curgerilor din Fig. 12. Complexitatea curegerii şi component Oz a vitezei cresc cu grosimea miezului.

a. d= 0,56 mm – viteza maximă este de ordinul de mărime

O(25 nm/s). b. d = 1,12 mm – viteza maximă este de ordinul de mărime

O(65 nm/s).

c. d= 1,68 mm – viteza maximă este de ordinul de mărime

O(0,1 µm/s). d. d= 2,12 mm – viteza maximă este de ordinul de mărime

O(10 µm/s).

Fig. 13 – Curgerea în miezul NF-SPM al TMS vizualizată prin tuburi de funcţie de curent.

Efectul orientării lui g este analizat pentru miezul magnetic cu d = 2,12 mm (Fig. 14, 15).

Fig. 14 – Curgerea în miezul fluid pentru curenţi de 1 mA.

a. Fără gravitaţie. Căderea de presiune este de ordinul O(10-3) Pa.

b. Gravitaţia acţionează în direcţia Oz, în sens negativ. Căderea de presiune este de ordinul O(20) Pa.

c. Gravitaţia acţionează în direcţia Oy, în sens negativ. Căderea de presiune este de ordinul O(60) Pa.

Fig. 15 – Efectul gravitaţiei asupra curgerii miezului nanofluid. Curentul prin înfăşurări este 1 mA.

g

g

8

Structura curgerii nu este afectată semnificativ, dar apar discrepanţe importante în câmpul de presiune, evidenţiate prin nuanţele de gri ale tuburilor de curgere (gri deschis – presiune ridicată, gri închis indică presiunea scăzută). Atunci când g acţionează în direcţia Oz, câmpul de presiune joasă este stratificat orizontal. Dacă g acţionează în direcţia Oy, stratificarea este verticală. I.1.3 Tehnologia de realizare a transformatorului TPS 2:1 cu miez magnetic hibrid, NFSPM/ferită Tehnologia de realizare propusa este exemplificata in Fig. 16:

Fig. 16. Tehnologia propusa de realizare a transformatorului TPS 2:1 cu miez magnetic hibrid, NFSPM/ferită.

Referinţe bibliografice pentru Activitatea I.1. (Studiu privind elaborarea unui model experimental de micro-transformator MEMS, cu miez din nanofluid magnetic si ferita)

[1] A.M. Morega, M. Morega, L. Pîslaru-Dănescu, J.B. Dumitru, V. Stoica, Magnetic and electric sizing of a miniature planar spiral transformer, Proc. of the 7th International Conference on Electrical and Power Engineering, EPE 2012, 25-27 October 2012, Iaşi, Romania. IEEE Xplore;

[2] Jean Bogdan DUMITRU, Alexandru MOREGA, Mihaela MOREGA, Lucian PÎSLARU-DĂNESCU, Analiza unui transformator planar miniatural cu miez din nanofluid magnetic, Electric Machinery Symposium SME’13;

[3] A.M. Morega, L. Pîslaru-Dănescu, M. Morega, A novel nanoparticles magnetic fluid microactuator device, Proc. of the 13th Int. Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment, OPTIM 2012, 24-26 May 2012, Brasov, Romania, paper RD-006602, IEEE-Xplore.

[4] Jean Bogdan Dumitru, Alexandru Morega, Lucian Dănescu Pîslaru, Mihaela Morega, Modelarea numerică a fenomenelor electrice şi magnetice dintr-un transformator planar realizat în tehnologie MEMS, Electric Machinery Symposium SME’12.

Pentru realizarea practică a transformatorului planar vor fi urmati următorii paşi:

1. fabricarea microbobinelor: - pregătirea substratului ceramic (1) (pregătire suprafaţă) şi depunerea uniformă a unui strat conductor submicronic (3). - depunerea prin centrifugare a unui strat uniform (2) de fotorezist SU8. (Fig. 16. a) Grosimea acestui strat va fi cu puţin peste înălţimea spirelor ce vor fi depuse. - coacerea preexpunere (soft bake) la 95°C, - expunerea la radiaţie UV prin scriere directă folosind echipamentul DWL66, - coacerea postexpunere (post expose bake) la 65°C şi 95°C, cu rampă controlată, - relaxarea structurilor şi developare folosind 1-methoxy-2-propil- acetat (mr-DEV600), (Fig. 16. b), - uscare, coacere dură (hard bake), - depunerea electrochimică de Cu de mare puritate (4), cu grosime controlată (Fig. 16. c), - înlăturarea fotorezistului SU8 expus prin reacţia cu radicali liberi folosind echipamentul STP2020 / R3T (Fig. 16. d), - corodarea controlată a stratului submicronic pentru a separa microbobinele planare (Fig. 16. e), - verificarea integrităţii bobinelor executate.

2. alte repere: - execuţia prin microprelucrare pe maşini cu comandă numerică de precizie (KERN Micro), prin ablaţie laser pe CompexPro/Coherent şi prin electroeroziune pe SmartDEM / Kunth a elementului de separare şi etanşare (5) (Fig. 16. f) şi a plăcilor de ferită (7), (Fig. 16. h).

3. montaj: - alinierea a două plăcuţe cu microbobine prin intermediul elementului de separare şi etanşare (5), (Fig. 16. g). - adezivarea nedemontabilă a ansamblului, - introducerea în cavitatea formată a fluidului feromagnetic (6), (Fig. 16. g), şi sigilarea orificiului de acces, - montarea plăcilor de ferită izolat fată de bobine şi executarea conexiunilor electrice.

a

b

c

d

e

f

g

h

1 2 3

4

5

6

7

9

[5] J.B. Dumitru, A.M. Morega, L. Pîslaru-Dănescu, M. Morega, A parametric study of lumped circuit parameters of a miniature planar spiral transformer, ATEE 2013, ISBN 978-1-4673-5978-8, IEEE Xplore;

[6] Sadler, D.J., Gupta, S. , Ahn, Chong H., Micromachined spiral inductors using UV-LIGA techniques, Magnetics, IEEE Transactions on,Volume:37, Issue: 4, 2001;

[7] Alexandru M. Morega, Mihaela Morega, Jean B. Dumitru, Magnetic Field – Flow Interactions in a Miniature electric power Transformer with Magnetic Nanofluid Core and solenoid type coils, Rev. Roum. Sci. Techn.– Électrotechn. et Énerg., 58 , Bucureşti, 2013.

Activitatea I.2. Analiza tehnologiei de laborator pentru producerea nanofluidului magnetic pentru utilizarea ca miez lichid I.2.1 Considerentele de baza privind utilizarea unui fluid magnetic ca miez magnetizabil

Considerentele de baza privind utilizarea unui fluid magnetic ca miez magnetizabil deriva din ecuatia Langevin a magnetizarii ([1])

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

ξξφ 1cothdML MM , (11)

unde

TkHDM

B

md6

30πμ

ξ = (12)

este parametrul Langevin, cu Md – magnetizatia domeniala, Dm – diametrul „magnetic” al nanoparticulelor magnetice din componenta fluidului magnetic, H - intensitatea campului magnetic aplicat, kB - constanta lui Boltzmann, μ0 - permeabilitatea magnetica a vidului, T - temperatura in grade Kelvin.

La câmpuri mici 3

L ξξ → , ceea ce conduce la o dependenţă liniară a magnetizării de H, susceptibilitatea iniţială

fiind

Tk18DM

B

m3m

2d0

iLφπμ

χ = . (13)

In câmpuri intense ξξ11−→L , magnetizarea convergând astfel la valoarea de saturaţie sM . La câmpuri mari

formula aproximativă a magnetizării se scrie

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−≅ 3

md0

BdML HDM

Tk61MMπμ

φ . (14)

În câmpuri slabe se orientează particulele mai mari, cele mai fine orientându-se pe măsură ce câmpul creşte. La limita, se atinge magnetizatia de saturatie

Ms = ΦM Md . (15) Valoarea susceptivitatii initiale este esentiala pentru utilizarea fluidului magnetic ca miez magnetic. Din expresia (3) a susceptivitatii se observa ca aceasta depinde foarte mult de dimensiunea si fractia volumica magnetica a nanoparticulelor magnetice si, desigur, de natura materialului magnetic. Fluidele magnetice performante, cu stabilitatea coloidala indelungata, au ca si componenta magnetica nanoparticule de ferita, de regula magnetita. Prin urmare, susceptivitatea magnetica initiala va depinde in mare masura de concentratia fluidului magnetic. In functie de conditiile de utilizare si mentinerea stabilitatii coloidale, diametrul particulelor poate fi de asemenea un parametru important. Procedeul de baza a sintezei prin coprecipitare chimica a nanoparticulelor de magnetite (NPM) surfactate (hidrofob sau hidrofil) este prezentata in Fig. 17.

Fig. 17. Sinteza nanoparticulelor de magnetita cu proprietati hidrofobe/hidrofile.

10

Fig. 18. Schema de preparare la nivel de laborator a fluidelor magnetice pe baza de solvent organici nepolari (ulei de

transformator). Pentru acest proiect fluidul magnetic va fi de preferinta pe baza de hidrocarbura slab volatile (de ex. ulei de transformator (lichid de baza organic nepolar)), prin urmare se vor utiliza nanoparticule de magnetita surfactate hidrofob (cu monostrat de acid oleic chemisorbit). Schema de preparare a fluidelor magnetice pe baza de hidrocarburi ([2], [3]) din Fig. 18 se va adapta in functie de cerintele specifice ale dispozitivului de conversie ce se va realiza:

a. concentratia volumica a NPM in domeniul 0.10-0.20; b. diametru magnetic mediu cat mai mare (in intervalul 6-10 nm), fara a influenta negativ stabilitatea coloidala pe termen

lung. La fractii volumice mari ale NPM, peste 0.10, investigarea structurala, magnetica si reologica a fluidului magnetic ([4]) va fi orientata spre identificarea clusterelor de NPM si influenta lor asupra susceptivitatii magnetice initiale si a stabilitatii coloidale indelungate in transformatoare electrice din componenta sistemului hibrid de conversie a energiei care urmeaza sa se realizeze. Referinte pentru activitatea I.2 (Analiza tehnologiei de laborator pentru producerea nanofluidului magnetic pentru utilizarea ca miez lichid) [1] Vékás L., Nanofluide magnetice. Sinteza. Structura. Proprietati. Aplicatii, Editura Academiei Romane, Bucuresti, 2013 [2] Bica D., Preparation of magnetic fluids for various applications, Romanian Reports în Physics, 47(3-5) 265-672

(1995) [3] Vékás L., Bica D., Avdeev M.V., Magnetic nanoparticles and concentrated magnetic nanofluids: Synthesis, properties

and some applications(review), China Particuology, 5, 43-49 (2007) [4] Susan-Resiga D., V. Socoliuc, T. Boros, Borbáth T., Marinica O., Han A., Vékás L., The influence of particle

clustering on the rheological properties of highly concentrated magnetic nanofluids, Journal of Colloid and Interface Science, 373, 110–115 (2012)

11

Activitatea I.3. Studiul proprietatilor magnetice, reologice, structurale, electrice si termice necesare ale nanofluidului magnetic in vederea utilizarii ca miez lichid

I.3.1. Analiza magneto-granulometrica Analiza magneto-granulometrica presupune determinarea parametrilor distributiei dimensionale, a diametrului mediu si

abaterii standard. In cazul suspensiilor slab concentrate de particulelor magnetice cu o distributie dimensionala log-normala:

( )⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

−= 20

2

2

lnexp

21

S

Dx

xSxf

π (16)

modelul Langevin pentru dependenta magnetizarii de camp este:

( )( )∫∞

=0

)()( dDDfDLDmnM L ξ (17)

unde n este densitatea particulelor magnetice, m este magnetizarea particulei de diametru D, iar L este functia Langevin. Relatia (17) permite determinarea parametrilor D0m si Sm a distributiei diametrelor magnetice, precum si a concentratiei

n a particulelor cu relatiile [Rasa, M. 2000, Rasa, M. et.al., 2002]:

s

im M

HS 03

ln31 χ

=

000

30 3

6H

MHM

TkD

i

s

d

Bm χπμ

= (18)

TkMH

nB

s00μ=

unde Md este magnetizarea domeniala a magnetitei, kB este constanta lui Botzmann iar μ0 este permeabilitatea magnetica a vidului. Susceptibilitatea initiala χi se determina din panta portiunii liniare a magnetizarii la campuri slabe iar magnetizarea de saturatie Ms si H0 se determina din portiunea liniara la campuri mari in reprezentarea M(1/H). Cunoscand D0m si Sm, media <Dm> si deviatia standard σm a diametrului magnetic al particulelor sunt:

2 2m m

2m

m 0m f m c f surf

S / 2 S / 2m 0m

SD D exp ; D D 2, D D 2 ,2

D e e 1

⎛ ⎞= ≅ + = + δ⎜ ⎟

⎝ ⎠

σ = −

(19)

Pentru estimarea diametrului fizic mediu (<Df>) al particulelor magnetice, la valoarea medie a diametrului magnetic se

aduga 1.9 nm, dublul grosimii stratului nemagnetic (Ec. (19)). Analiza magneto-granulometrica permite determinarea parametrilor distributiei dimensionale a diametrelor magnetice

medii ale particulelor magnetice coloidale, respectiv evidentierea si caracterizarea agregatelor de particule magnetice din structura ferofluidelor, folosind curbele de magnetizare statica ale acestora. Referinte pt. activitatea I.3.1 (Analiza magneto-granulometrica) [1] Rasa M., Magnetic properties and magneto-birefringence of magnetic fluids, Eur.Phys.J.E, 2, 265-275 (2000) [2] Rasa M., Bica D., Philipse A., Vékás L., Dilution series approach for investigation of microstructural properties and

particle interactions in high-quality magnetic fluids, Eur.Phys.J.E, 7, 209-220 (2002) I.3.2. Imprastierea dinamica a luminii Imprastierea dinamica a luminii („Dynamic Light Scattering” - DLS) sau Spectroscopia de corelatie fotonica („Photon

Correlation Spectroscopy” - PCS) este o tehnica granulometrica bazata pe fenomenul de imprastiere a luminii. Lumina unui fascicul laser este imprastiata de catre particulele dispersate într-o matrice lichida transparenta. Imprastierea pe particule mult mai mici decît lungimea de unda a luminii este izotropa. Evolutia în timp a fluxului de lumina imprastiata pe o anumita directie este influentata de miscarea Browniana a particulelor din suspensia coloidala.

12

Fig. 19. Dispozitiv experimental pentru studiul imprastierii dinamice a luminii

In figura Fig. 19 a este prezentata schema unui dispozitiv experimental pentru studiul imprastierii dinamice a luminii.

Lumina este imprastiata pe particulele din suspensie. In orice punct din spatiu, cimpul electromagnetic al luminii imprastiate este rezultatul interferentei undelor secundare formate prin imprastierea pe fiecare particula din suspensie. Deoarece laserul emite lumina coerenta, interferenta undelor secundare va fi determinata de o diferenta de faza la randul ei dependenta de miscarea relativa a particulelor din suspensie. Ca urmare, fluctuatiile intensitatii luminii imprastiate sunt determinate de miscarea Browniana în care sunt antrenate particulele din suspensie (Fig. 19 b). Tinind cont de faptul ca dinamica miscarii Browniene este determinata de diametrul particulelor, rezulta ca fluctuatiile luminii imprastiate poarta informatii legate de dimensiunea particulelor din suspensie. Extragerea acestor informatii face uz de functia de autocorelatie temporala a intensitatii luminii [Pecora 1985].

Functia de autocorelatie la intervalul τ a intensitatii luminii imprastiate si detectate la unghiul azimutal θ este definita formal de expresia

( ) ( ) ( )( ) 2,tI

tItIG

ττθ

+= (20)

si este legata de coeficientul de difuzie D si de modulul vectorului de imprastiere q prin expresia

( ) ττθ221, DqeG −+= (21)

de unde rezulta imediat:

( )( ) ττθ ⋅−=− 221,ln DqG (22) Pentru particulele sferice de raza r dispersate într-un lichid cu vîscozitatea η, coeficientul de difuzie este dat de formula

lui Einstein:

rTk

D B

πη6= (23)

iar modulul vectorului de imprastiere are expresia:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

2sin4 θ

λπq (24)

unde λ este lungimea de unda a luminii in matricea lichida. Ecuatia (20) serveste la calculul functiei de autocorelatie a luminii imprastiate masurata experimental, la diverse valori

ale intervalului de corelatie τ. Pe de alta parte, ecuatiile (22) – (24) descriu dependenta functiei de autocorelatie de intervalul τ si de dimensiunea particulelor: logaritmul functiei (G(θ,τ)-1) este invers proportional cu raza particulelor. În Fig. 19, c) sunt prezentate schematic rezultatele a trei experimente DLS pe suspensii cu particule de diverse dimensiuni. Cu panta (βEXP) obtinuta prin fitarea liniara a datelor se calculeaza valorile numerice ale diametrelor, tinînd cont de valoarea temperaturii (T), a vîscozitatii lichidului dispersant (η), a lungimii de unda (λ) si a unghiului de imprastiere (θ):

2

2sin4

3 ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅=θ

λπ

πηβ EXP

BTkr (25)

Diametrul particulelor obtinut prin studiul DLS al dispersiilor coloidale magnetice are semnificatia diametrului hidrodinamic al particulei de magnetita acoperita cu unul sau mai multe straturi de surfactant.

DLS este o metoda granulometrica, utilizata pentru studiul si caracterizarea ferofluidelor, ce vizeaza pe de o parte determinarea parametrilor distributiei dimensionale a diametrelor hidrodinamice ale particulelor magnetice coloidale, iar pe de alta parte punerea in evidenta si caracterizarea agregatelor. Metoda ofera informatii despre structurarea spontana, in absenta campului magnetic, adica despre eventuala formare a aglomerarilor datorate interactiunilor van der Waals dintre moleculele de surfactant de pe particulele magnetice sau a interactiunilor magnetice dipolare.

13

Referinte pt. activitatea I.3.2. (Imprastierea dinamica a luminii) [1] R. Pecora, Dynamic Light Scattering: Applications of Photon Correlation Spectroscopy, Springer Science & Business

Media - Science, 420 p. (1985) I.3.3. Magnetometrul cu proba vibrata Principiul de masurare a proprietatilor magnetice statice a unei probe de material magnetic, demagnetizata in prealabil,

in cazul magnetometrului cu proba vibrata, se bazeaza pe inducerea unui flux magnetic variabil intr-o bobina (pereche de bobine) sonda.

Daca se plaseaza o bobina sonda intr-un camp magnetic astfel incat o parte din flux se inchide prin aceasta bobina, o modificare a fluxului magnetic respectiv va induce o tensiune electromotoare in aceasta bobina, conform legii Maxwell:

drot = -dtBE (26)

Aplicand teorema lui Stokes, relatia de mai sus poate fi scrisa:

c s

d d× = - × = -dt dt

ϕ∫ ∫∫E dl B ds (27)

unde E este intensitatea campului integrata de-a lungul unei spire a bobinei sonda. Pentru o bobina cu N spire se poate scrie

inddφV = -Ndt

(28)

Daca dorim sa masuram momentul magnetic static, nu avem un flux care sa se modifice si astfel, trebuie sa realizam o modificare, artificiala, a fluxului. O metoda pentru realizarea acestei modificari a fost propusa de Simon Foner [Foner, 1959], considerat drept inventatorul magnetometrului cu proba vibrata.

Fig. 20. Prezentarea principiului magnetometrului VSM.

Fluxul variabil prin bobina sonda este creat in cazul magnetometrului cu proba vibrata (VSM) prin vibrarea unei probe

magnetice in vecinatatea unei perechi de bobine de detectie (sonda) (Fig. 20). Modificarea fluxului inchis de bobinele sonda datorita miscarii probei determina aparitia unei tensiuni electromotoare induse, Vind, care este proportionala cu momentul magnetic al probei.

Proba este conectata, prin intermediul unei tije nemagnetice, la o sursa de vibratii mecanice, cu frecventa si amplitudine cunoscute. In aparatele actuale, ca sursa de vibratie se folosesc motoare liniare, cu frecvente sub 40 Hz si amplitudini de pana la cativa milimetri sau dispozitive vibratoare de tip difuzor, care functioneaza la frecvente de aproximativ 100 Hz si amplitudini de peste 0.1 mm.

Referinte pt. activitatea I.3.3. (Magnetometrul cu proba vibrata) [1] Foner S., Versatile and Sensitive Vibrating-Sample Magnetometer, Rev. Sci. Instrum., 30 (7), 548–557 (1959)

I.3.4. Proprietatile reologice Pentru stabilirea strategiei de exploatare a fluidelor inteligente, o importanta deosebita o are cunoasterea comportarii

reo- si magnetoreologice a acestora si a legaturii intre proprietatile reo / magnetoreologice si proprietatile structurale. Pentru investigarea acestor proprietati se va utiliza un magnetoreometru performant, Physica MCR-300, produs de Anton Paar, Germania – Fig. 21.

14

Fig. 21. Reometrul MCR-300 - vedere generală.

În funcţie de geometria celulei de măsurare (cilindri concentrici sau placă - placă), reometrul permite măsurarea vâscozităţilor de la valori mai mici decât cea a apei, până la valori apropiate de cele ale materialelor solide. Fiecare celula de măsurare este confecţionată dintr-un metal nemagnetic pentru a preveni apariţia forţelor magnetice radiale în interiorul celulei. Reometrul dispune de un software specializat (US 200.0-R/N) pentru conducerea în timp real al măsurătorilor cât şi afişarea şi prelucrarea în timp real a datelor experimentale.

Conversia între datele măsurate şi parametrii reologici Reometrul masoara momentul M al cuplului de torsiune, care apoi se converteste in tensiunea τ de forfecare sau in

vascozitatea η utilizand formulele urmatoare.

• Pentru celula cu placi paralele: - Tensiunea de forfecare în interstiţiu

MCRM

R ss=2

=)( 3πτ , (28)

unde ssC [Pa/Nm sau 1/m3] = constantă a celulei de măsurare, ca un factor de conversie între M şi τ . Ea depinde doar de

raza R a plăcii superioare. O rază R mare creşte sensibilitatea la valori mici ale cuplului sau tensiunii de forfecare. - Viteza de forfecare în interstiţiu

nC

hnR

hR

hv

R sr=60

2===)(

πωγ& , (29)

cu srC [min/s] = tot o constantă de geometria sistemului, ca factor de conversie între n şi γ& . Ea depinde de R şi h. Maximul

vitezei de forfecare apare la marginea plăcii, când r = R (r este distanţa de la axa de rotaţie). De obicei, calculul şi analiza mărimilor se fac legat de această valoare. - Vâscozitatea de forfecare în interstiţiu:

ωπγτ

η 4

2==

RMh

&, conform legii lui Newton. (30)

Pentru efectuarea de masuratori in prezenta unui camp magnetic extern, celula magnetoreologica (geometrie placa-placa) dispune de o bobina plasata sub placa inferioara. - Inducţia campului magnetic in proba se calculeaza cu relatia

][10035.010539.7 4 T

h

IKB

r

r

μμ −

⋅−⋅= − , (31)

unde I[A] = intensitatea curentului aplicat în bobină, h[m] = interstiţiul dintre plăci, rμ = permeabilitatea magnetica relativa a probei, care se determina din curba de magnetizare (ea este dependenta de intensitatea campului magnetic aplicat), K = factor de calibrare dependent de geometria de măsurare. Pentru R = 20 mm şi h = 1 mm, K = 1. Intensitatea câmpului magneti

ro

BH

μμ= , (32)

cu mHo /104 7−⋅= πμ = permeabilitatea magnetica a vidului.

• Pentru celula de măsurare cu cilindri concentrici, cu interstitiu mic: - Tensiunea de forfecare în interstiţiu

15

hRM

i22π

τ = , (33)

cu 2

ioa

RRR += media aritmetică a razelor cilindrilor, Ro = raza cilindrului exterior, Ri.= raza cilindrului interior.

- Viteza forfecare

io

i

RRR−

Ω=γ& , (34)

Ω - viteza de rotaţie a cilindrului interior. - Vâscozitatea

γτη&

= . (35)

Se vor efetua teste rotationale, determinand curbele de curgere / vascozitate in domeniul de temperaturi care intereseaza, atat in absenta, cat si in prezenta unui camp magnetic aplicat. Aceste teste ofera informatii legate de natura comportarii fluidului (de obicei Newtoniana pentru nanofluidele magnetice la concentratii uzuale, si dependenta de viteza de forfecare in cazul fluidelor magnetoreologice si a nano-micro-compozitelor), precum si informatii despre influenta altor parametri / factori asupra comportarii la curgere: compozitie / microstructura, fractia volumica a particulelor, intensitatea campului magnetic, timp / „istoria” fluidului. Se va determina, in caz ca exista, tensiunea de prag, si dependenta acesteia de intensitatea campului magnetic si de fractia volumica de particule.

Pentru probele cu proprietati vascoelastice se vor efectua teste oscilatorii („Amplitude sweep test”, „Frequency sweep test”), atat fara cat si cu camp magnetic aplicat, investigand influenta unor factori (intensitatea campului magnetic, temperatura, amplitudinea deformatiei, frecventa unghiulara) asupra acestor prorietati (modulul elastic, modulul vascos, modulul vascozitatii complexe, deformatia critica).

I.3.5. Proprietati electrice necesare Se cunoaste ca proprietatile electrice ale unui nanofluid magnetic sunt determinate de proprietatile electrice ale fluidului de baza, de caracteristicile (natura, distributia dimensionala etc) si fractia volumica ale nanoparticulelor magnetice si surfactantul (surfactantii) utilizat(i) si de caracteristicile campului magnetic extern aplicat: intensitate, orientare in raport cu g si gradient (in cazul campului de curent continuu), frecventa (in cazul campului de curent alternativ), precum si de temperatura. Utilizarea unui nanofluid magnetic ca miez lichid intr-un microtransformator planar de inalta frecventa necesita analizarea caracteristicilor electrice ale fluidului de baza (rezistivitate si conductivitate electrica, permitivitatea electrica), a caracteristicilor electrice ale nanoparticulelor magnetice (ce depind in primul rand de natura acestora) cat si cele ale surfactantului utilizat, pentru conditiile de lucru estimate (tensiune, curent, frecventa etc). Studii experimentale asupra variatiei caracteristicilor electrice cu frecventa f [Hz], ale unor uleiuri minerale si vegetale utilizate in transformatoare electrice, indica urmatoarele ([1]):

- componenta reala a permitivitatii electrice (ε’) este mai mica in cazul uleiurilor minerale si variaza cu frecventa doar pentru frecvente joase (sub 0,1 Hz);

- componenta reala a conductivitatii electrice (σe’) este mai mica in cazul uleiurilor minerale in special pentru frecvente sub 1 Hz, dar pentru frecvente de ordinul kHz valorile sunt de acelasi ordin de marime;

- rezistivitatea electrica a uleiului vegetal este mai scazuta fata de cea a uleiurilor minerale testate. Rezultatele obtinute se datoreaza cel mai probabil moleculelor polare din uleiul vegetal, inclusiv a celor de apa (care determina continutul de umiditate al uleiului). Studii ale unor caracteristici electrice ale unor surfactanti utilizati pentru acoperirea nanoparticulelor magnetice, au aratat ca in functie de tipul de surfactant, constanta dielectrica a complexului surfactant – solvent poate fi modificata. Spre exemplu, adaugarea de acid oleic in Kerosen in proportii masice variind de la 0 la 100% nu modifica constanta dielectrica a amestecului (aceasta variind in jurul valorii de 2,9), in timp ce adaugarea unor surfactanti ne-ionici dar cu constante dielectrice mult mai mari (de 2 – 3 ori), chiar si in concentratii reduse (sub 5%) poate conduce la cresterea proportionala a conductivitatii electrice a amestecului acestuia cu Kerosen (de pana la 5 ori, pentru 5% concentratie masica surfactant) ([2], [3]). Conform unor determinari experimentale asupra rezistivitatii electrice la frecventa de 60 Hz, ale unor nanofluide magnetice pe baza de ulei mineral de transformator, pentru utilizare ca mediu de izolare intr-un transformator electric, aceasta este mai scazuta cu un ordin de marime fata de cea a uleiului de baza, iar cresterea temperaturii are un efect de intensificare a acestei scaderi ([4]). Studii relativ recente ([5]) privind investigarea comportarii unor nanofluide magnetice pe baza de ulei de motor (ulei diesel) ca miez lichid intr-un transformator, in domeniul de frecvente 0-100 Mhz, au aratat ca: - inductanta infasurarilor transformatorului a crescut cu cresterea fractiei volumice de nanoparticule (Fe3O4) insa variatia sa este neliniara pe domeniul de frecventa analizat;

16

- coeficientul de cuplare al transformatorului a crescut odata cu cresterea fractiei volumice, aceasta crestere fiind aproape asimptotica pentru domeniul de frecvente de pana la aproximativ 5 MHz, dupa care a urmat o crestere liniara; - rezistenta electrica a infasurarilor transformatorului a crescut cu fractia volumica si cu frecventa, influenta valorii frecventei fiind mai importanta la valori ale acesteia de peste aproximativ 40 MHz; - factorul de calitate al infasurarilor transformatorului a fost influentat relativ putin de fractia volumica pentru frecvente de pana la aprox. 5 MHz, iar peste aceasta valoare a frecventei a ramas aproximativ constant cu variatia frecventei. Totusi, rezultatele obtinute au aratat o scadere a factorului de calitate, comparativ cu situatia in care miezul ar fi din aer, pe intreg domeniul de frecvente analizat. Din exemplele prezentate, rezulta ca se impune ca in cercetarea proprietatilor electrice ale nanofluidului magnetic utilizat ca miez lichid sa se aiba in vedere, atat proprietatile electrice ale componentelor de baza ale acestuia, cat si ale produsului final procesului de preparare, in raport cu frecventa de lucru. Pe langa acestea, trebuie studiat si efectul temperaturii si al continutului de umiditate asupra proprietatilor electrice. Referinte pt. activitatea I.3.5. (Proprietati electrice necesare)

[1] M.S. Vihacencu, A. Ciuriuc, L.M. Dumitran, Experimental study of electrical properties of mineral and vegetable transformer oils, U.P.B. Sci. Bull.Series C, Vol.75, no.3, p.171-182, 2013

[2] R. Kaiser, R.E. Rosensweig, Study of ferromagnetic liquid, NASA Contractor Report NASA CR-1407, 1969 [3] A.S. Dukhin, P.J. Goetz, How non-ionic ‘‘electrically neutral’’ surfactants enhance electrical conductivity and ion

stability in non-polar liquids, J. Electroanalytical Chemistry, Vol. 588, no.1, p.44-50, 2006 [4] V. Segal, A. Hjortsberg, A. Rabinovich, D. Nattrass, and K. Raj, AC (60 Hz) and impulse breakdown strength of a

colloidal fluid based on transformer oil and magnetite nanoparticles, 1998 IEEE International Symposium of Electrical Insulation, Arlington, Virginia (SUA), 7-10 iunie 1998, p. 619-622, 1998.

[5] T.-S. Tsai, P.H. Chen, D.-S. Lee and C.-T. Yang, Investigation of electrical and magnetic properties of ferro-nanofluid on transformers, Nanoscale Research Letters, 6:264, 2011.

I.3.6. Proprietati termice necesare Proprietatile termice ale unui nanofluid magnetic sunt determinate in principal de aceiasi parametrii care influenteaza proprietatile electrice. Proprietatile termice de interes a fi studiate, avand in vedere tema proiectului, sunt: conductivitatea termica, capacitatea termica, difuzivitatea termica, respectiv influenta conditiilor de lucru asupra lor (intensitatea campului magnetic AC, frecventa etc). De asemenea, trebuie sa tinem cont si de faptul ca densitatea nanofluidului magnetic este dependenta de temperatura datorita, in principal, variatiei densitatii fluidului de baza cu temperatura. In ceea ce priveste fluidul de baza, uleiurile de transformator minerale sunt caracterizate de variatii ale proprietatilor termice, dupa cum urmeaza:

a) capacitatea termica specifica este o functie liniara de temperatura; b) conductivitatea termica a uleiurilor scade cu cresterea temperaturii, ceea ce constituie un punct slab al acestor medii de

racire uzuale pentru transformatoare electrice; c) viscozitatea dinamica scade cu cresterea temperaturii; d) densitatea scade cu cresterea temperaturii;

În ceea ce priveşte influenţa aplicării unui câmp magnetic asupra capacităţii termice a nanofluidului magnetic, pentru un anumit interval de temperatură, literatura de specialitate consemnează rezultate care indică, pe de o parte influenţa compoziţiei nanofluidului magnetic (a naturii lichidului de bază şi a nanoparticulelor, a concentraţiei acestora), iar pe de altă parte influenţa valorii câmpului magnetic şi a orientării acestuia în raport cu câmpul gravitaţional (in cazul campului CC) si a frecventei (in cazul campului AC). Determinarea variatiei acestei proprietati in raport cu parametrii mentionati, pentru nanofluidul magnetic se determina pe cale experimentala, prin calorimetrie, respectiv magneto-calorimetrie (cand se analizeaza influenta intensitatii campului magnetic si a caracteristicilor acestuia). Spre exemplu, studiul influentei unui camp magnetic AC de 300 kHz asupra nanopariculelor de magnetita dispersate intr-o solutie apoasa, in diferite concentratii, a aratat ca pentru un camp de intensitate 42.6 kA/m, plecand de la temperatura mediului ambiant se poate ajunge rapid la temperaturi in jur de 90°C ([1]). Referinte ptentru activitatea I.3.6. (Proprietati termice necesare) [1] R. Messing, A. Schmidt, Ch. “Heat Transfer from Nanoparticles to the Continuum Matrix”, publicat in Surface and

Interfacial Forces - From Fundamentals to Applications, Ed. Günter Auernhammer, Prog. Colloid Polym Sci, 134:134-140, 2008

Activitatea I.4. Analiza parametrilor functionali ai modelului de micro-transformator MEMS, cu miez din nanofluid magnetic si ferita, utilizand simularea numerica I.4.1. Parametrii de circuit ai TPS pentru izolare galvanică Tabelul 2 prezintă compară inductivităţile proprii şi a capacităţile proprii.

17

Tabelul 2. Inductivitatea şi capacitatea proprie a transformatorului planar

Tipul de miez magnetic Ferită Nanofluid magnetic

Modelare 2D 3D 2D 3D

L11=L22[µH] 51,71 29,50 13,58 8,21

C [pF] 2,11 1,19 1,34 1,26

Pentru TPS cu miez magnetic din ferită s-au realizat studii parametrice pe modele 3D, pentru a determina influenţa pe μr a feritei şi d o au asupra inductivităţii proprii, Fig. 22.

Fig. 22 — Variaţia inductivităţii proprii cu permeabilitatea magnetică (stânga) şi cu grosimea miezului magnetic (dreapta)

[4].

Lii variază, practic liniar cu μr al feritei (variaţie < 2%). Lii creşte cu d, tinzând la o valoare constantă pentru d> 1,5 mm.Lij scade

cu d, şi tinde la o valoare constantă pentru d< 1 mm. A fost studiată şi dependenţa de d factorului de cuplaj, 2211LLMk =

– Fig. 23.

Fig. 23 —Depedenţa inductivităţii mutuale a înfăşurărilor transformatorului de înălţimea miezului (stânga) şi de factorul de cuplaj, k (dreapta) [4].

O explicaţie pentru factorul de cuplaj prost este valoarea mare a permitivităţii relative a miezului (μr= 1000) faţa de aceea a suporţilor ceramici (μr = 1). O metodă de îmbunătăţire a factorul de cuplaj poate fi utilizarea unor suporţi realizaţi, de exemplu, din ferită.

Fig. 24 —Inductivitatea proprie pentru TPS cu suporţi din ferită [5].

18

Înlocuirea suporţilor ceramici cu ferită duce la o creştere substanţială a inductivităţii proprii a TPS, Fig. 25. Au fost observate îmbunătăţiri semnificative atât pentru inductivitatea mutuală, Lij, cât şi pentru factorul de cuplaj, care în această configuraţie ajunge la k=0.5 pentru un miez cu înălţime d=0.25 mm (Fig. 25).

Fig. 25 —Inductivitatea mutuală şi factorul de cuplaj [5]. Suporţi din ferită.

Variaţia inductivităţii cu înălţimea miezului, d, a fost analizată şi pentru TPS cu miez din nanofluid magnetic, Fig. 26. Se poate observa că, faţă de miezul din ferită, inductivitatea proprie pentru TPS cu miez din nanofluid magnetic scade cu creşterea grosimii miezului şi tinde să la o valoare constantă pentru înălţimi ale miezului mai mari de 2 mm.

Fig. 26 —Inductiviăţile proprii ale înfăşurărilor transformatorului cu miezului NF-SPMid, [3].

Fig. 27 prezintă variaţia inductivităţii mutuale şi a factorului de cuplaj în funcţie de înălţimea miezului magnetic realizat din nanofluid magnetic. Se înregistrează valori mult mai ridicate ale factorului de cuplaj în comparaţie cu cel obţinute pentru TPS cu miez din ferită.

Fig. 27 — Inductivitatea mutuală (stânga) şi factorul de cuplaj (dreapta). Suporţii sunt din ferită [3].

Capacitatea transformatorului planar a fost calculată analitic, prin reducerea problemei de câmp electrostatic la modelul condensatorului planar, şi numeric (modele 2D şi 3D). Rezultatele sunt comparate în Fig. 28.

Fig. 28 — Capacitatea proprie pentru diferite grosimi ale miezului, pentru TMS cu miez din ferită (stânga) şi pentru TMS cu

miez din nanofluid magnetic (dreapta) [2,5].

19

Cele trei metode de calcul pentru capacitatea transformatorului planar cu miez din ferită dau rezultate de acelaşi ordin de mărime. Cu cât grosimea miezului magnetic este mai mare cu atât rezultatele obţinute prin cele trei metode de calcul sunt mai apropiate. Din acest motiv, pentru transformatoare cu miez mai gros de 2,3 mm se recomandă utilizarea metodei analitice, sau modele de câmp 2D. Se observă că din punct de vedere al capacităţii TPS nu sunt diferenţe semnificative între cele două tipuri de miez. I.4.2. Rezultate de simulare numerică pentru TPS cu raport de transformare 1:2 Pentru modelul TPS 1:2, redus din motive de simetrie la o optime, au fost realizate o serie de studii numerice parametrice, pe domenii de calcul 3D (Fig. 29). Efectele de câmp produse de bornele înfăşurărilor au fost neglijate. Câmpul electrocinetic în înfăşurările TPS Câmpul electric staţionar, a cărui soluţie permite determinarea curenţilor electrici din înfăşurări, surse de câmp magnetic, rezultă din rezolvarea unei probleme de câmp electric în domeniul celor două înfăşurări primare şi secundare al TPS cu raport de transformare 1:2. Fig. 29 prezintă distribuţia potenţialului electrocinetic şi densitatea de curent atunci când înfăşurările sunt alimentate în opoziţie.

a. Potenţialul elctrocinetic prin hartă de culoare (volţi) atunci

când curenţii prin înfăşurări au direcţii opuse. b. Densitatea de curent (săgeţi) atunci când curenţii prin

înfăşurări au direcţii opuse.

Fig. 29 —Spectre de câmp electric pentru TPS cu raport de transformare 1:2.

Densitatea de curent considerată, 5 A/mm2, asigură funcţionarea transformatorului în zona lineară a curbei de magnetizaţie pentru nanofluidul magnetic. Câmpul magnetic în TPS Câmpul magnetic staţionar a fost analizat pentru trei moduri de alimentare, şi patru înălţimi ale miezului realizat din NF-SPM. Inductivităţile sunt calculate energetic.

a. Primarul este alimentat, secundarul în gol. b. Secundarul alimentat, primarul în gol.

I. Ambele înfăşurări alimentate (curenţi în sensuri opuse). II. Ambele înfăşurări alimentate (curenţi în acelaşi sens).

Fig. 30 — Tuburi de flux magnetic fascicular (inducţie magnetică). Culoarea şi dimensiunile sunt proporţionale cu valoarea locală a inducţiei magnetice, B.

Câmpul electrostatic în TPS Calculul capacităţii dintre cele două înfăşurări ale TPS cu raport de transformare 1:2 necesită rezolvarea numerică a unei probleme de câmp electrostatic. Fig. 31 prezintă distribuţia câmpului E [V/m] şi a potenţialul electrostatic.

Fig. 31 — Câmpul electric redat prin linii de câmp E şi suprafeţe echipotenţiale.

20

Primarul este menţinut la potenţial constant, 1 V, iar secundarul este la masă. Capacitatea se calculează din energia electrică, rezultată din simularea numerică a cîmpului electrostatic. Curgerea miezul din nanofluid magnetic Curgerea miezul din nanofluid magnetic a fost modelată pentru patru moduri de alimentare a înfăşurărilor (Fig. 32). Forţele de magnetizaţie care antrenează curgerea au fost preluate din problema de câmp magnetic. S-a ţinut seama şi de contribuţia forţei gravitaţionale.

a.Solenaţii în opoziţie, viteze de ordinul O(10 µm/s). b.Solenaţii adiţionale, viteze de ordinul O(1 µm/s).

c. Primarul este alimentat, secundarul în gol,viteze de ordinul

O(10 µm/s). d. Secundarul alimentat, primarul în gol, viteze de ordinul

O(10 µm/s).

Fig. 32 — Flux magnetic fascicular (inducţie magnetică).

Referinţe bibliografice pentru Activitatea I.4. (Analiza parametrilor functionali ai modelului de micro-transformator MEMS, cu miez din nanofluid magnetic si ferita, utilizand simularea numerica)

[1] A.M. Morega, M., Morega, L. Pîslaru-Dănescu, V.L. Stoica, F. Nouraş, F.D. Stoian, A Novel, Ferrofluid-Cooled Transformer. Electromagnetic Field and Heat Transfer by Numerical Simulation, OPTIM 2010, 12th Int. Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment, 22-24 May 2010, DOI 10.1109/OPTIM.2010.5510528, ISSN 1842-0133, Print ISBN 978-1-4244-7019-8, pp. 401-406, Brasov, Romania.

[2] J.B. Dumitru, A.M. Morega, M. Morega, Electromagnetic, flow, and thermal study of a miniature planar spiral transformer with planar, spiral windings, Conferinta Caius Iacob, INCAS Bulletin.

Diseminare [1] Lucian Pîslaru-Dănescu, Laurenţiu Constantin Lipan, Ioana Pisică, Ion Daniel Ilina, Alina Dumitru, New energy harvesting systems, designed for new piezoelectric transducers, with charging energy management, 2014 International Conference and Exposition on Electrical and Power Engineering, EPE 2014, October 16-18, 2014, Iasi, ISSN: 978-1-4799-5848-1, IEEE Catalog Number CFP1447S-USB, IEEE meetings database as conference record #33577 Concluzii S-au realizat:

1. Analiza a două tipuri de transformatoarele electrice cu înfăşurări planare spiralate (TPS) realizate în tehnologia MEMS tip LIGA: un model cu raport de transformare 1:1, pentru izolare galvanică şi un model cu raport de transformare 1:2, Activitatea I.1.;

2. Tehnologia de realizare a transformatorului TPS 2:1 cu miez magnetic hibrid, NFSPM/ferită;

3. Analiza tehnologiei de laborator pentru producerea nanofluidului magnetic pentru utilizarea ca miez lichid, incluzind schema de preparare la nivel de laborator a fluidelor magnetice pe baza de solvent organici nepolari, Activitatea I.2.;

4. Un studiul al proprietatilor magnetice, reologice, structurale, electrice si termice necesare ale nanofluidului magnetic in vederea utilizarii ca miez lichid, Activitatea I.3.;

5. Analiza parametrilor functionali ai unui model de micro-transformator MEMS, cu miez din nanofluid magnetic si ferita, utilizand simularea numerica, in urmatoarele cazuri: TPS pentru izolare galvanica, TPS cu raport de transformare 1:2, Activitatea I.4..

Etapa II - Proiectarea circuitului electronic ce implementează convertorul DC/DC cu integrare MEMS Tema de proiectare: Se solicită proiectarea unei scheme electronice pentru un convertor DC/DC cu integrare MEMS (separare) cu următoarele caracteristici: 1) gama tensiunii de alimentare: 15V până la 48V; 2) Tensiune furnizată la ieşire (pe secundarul transformatorului) de 4.5V, tensiune continuă stabilizată; 3) Curentul maxim ce poate fi absorbit: 300mA; 4) Putere maximă furnizată: 3W; 5) Frecvenţă de comutaţie : 500kHz.

Schema bloc a circuitului integrat LM25017 LM25017 este un circuit integrat produs de Texas Instruments, de tip regulator sincron “step-down” cu tranzistoare MOSFET, ce poate fi alimentat cu o tensiune cuprinsă între 7,5 V - 48 V, ce poate debita la ieşire un curent de maximum 650mA, [1], [2]. Schema implementată în integratul LM25017 asigură un răspuns tranzitoriu excelent si nu necesită buclă de compensare. Durata tranziţiei din 0 logic în 1 logic variază invers proporţional cu tensiunea de intrare, rezultând o frecvenţă aproximativ constantă pentru gama de tensiuni de alimentare aferente circuitului integrat. Este inclusă de asemenea o protecţie la vârfurile de curent în condiţii accidentale de suprasarcină, oprire automată în cazul supraîncălzirii şi blocare în cazul alimentării cu tensiuni mai mici decât cele prevăzute în specificaţia tehnică. Regulatorul “Buck” LM25017 foloseşte un sistem de control bazat pe un comparator şi un temporizator pentru impulsul rezultat din triggerarea pe front pozitiv al unui monostabil, cu tensiunea furnizată la ieşire prin comparaţie permanentă cu o valoare internă de referinţă de 1,225V. În figura de mai jos este prezentată schema bloc a circuitului integrat LM25017.

Fig. 1. Schema bloc a circuitului integrat LM25017, (Data Sheet Texas Instruments,[1]).

Circuitul integrat LM25017 are numeroase aplicaţii si va fi utilizat în acest caz pentru conversia DC - DC (cu separare galvanică utilizând transformatorul planar cu circuit magnetic din ferita si ferofluid magnetic).

2

II.1.3. Calculul valorilor componentelor electronice ale convertorul DC/DC cu integrare MEMS ce utilizează circuitul integrat LM25017

Parametri de proiectare sunt stabiliţi conform documentaţiei circuitului integrat LM25017 [1], [2]:

Gama tensiunii de alimentare: 15 V până la 48 V; Tensiune furnizată pe primarul transformatorului separator Tr1: 5V; Tensiune furnizată pe secundarul transformatorului separator Tr1: 4.5V; Curentul maxim (Primar + Secundar): 600mA; Putere maximă furnizată: 3W; Frecvenţă de comutaţie : 500kHz.

Fig. 2. Schema electronica detaliata a convertorului DC/DC, [1].

Pe intrarea convertorului DC/DC, Fig. 2, se utilizează 2 condensatori: unul de capacitate mai mare CIN şi un condensator de bypass de capacitate mai mică CBYP. Capacitatea totală la intrare trebuie să fie suficient de mare pentru a limita riplul tensiunii de intrare la amplitudinea dorită. Pentru o tensiune de riplu ΔVIN, condensatorul CIN poate fi calculat astfel:

IN

MAXOUTIN Vf

IC

4)( (1)

Pentru ΔVIN = 0,5V rezultă o capacitate minimă de 0,6 µF şi se alege o valoare standardizată de 0,47 µF. Un condensator de capacitate mai mare este necesar totuşi pentru a reduce vârfurile cauzate de inductanţa parazită dintre sursa de alimentare şi circuitul integrat. Se alege aşadar o valoare standardizată de 2,2 µF pentru CIN.

Pentru blocarea funcţionării circuitului în cazul unei subtensiuni de alimentare, se utilizează rezistenţele RUV1 şi RUV2 pentru a seta pragul de blocare şi hysterezisul aferent.

)1RR

(V225,1V1UV

2UVIN +×= (2)

LM2517 BST

VIN SW RON VCCUVLO

FBRTN

VIN 15V-48V

CIN

2.2 µF

CBYP RUV2

0.47 µF 127 kΩ

RUV1 11.8 kΩ

124 kΩ

RON

0.01 µF

CBST

46.4 kΩRr 1 nF

Cr

D1

+ +

- -

+

-

+

-

-

+

D20.1 µF

RFB2 10 kΩ

RFB1 3.4 kΩ

CVCC

1 µF

4.7 µF

COUT1

VOUT1

VOUT2

2.2 µF

COUT2 + N2

Tr1 1:1

N1

CDC

3

Pentru un hysterezis al blocării la subtesiunea de 2,5V şi un prag de creştere limitat sub valoarea de 15V, se alege RUV1 de 11,8kΩ şi RUV2 de 127kΩ pentru acest design. Pentru obţinerea frecvenţei de comutaţie dorite este necesară determinarea valorii rezistenţei RON , utilizând formula:

ON

1OUTSW RK

Vf

×= (3)

Unde K = 9 x 10-11

Rezultă că, pentru obţinerea unei tensiuni de 5V la 500kHz, RON va avea valoarea de 111 kΩ. Se va alege o valoare standardizată de 124kΩ pentru a permite efecte de ordin 2 la frecvenţe mari de comutaţie care nu sunt incluse în ecuaţia de mai sus. Alegerea condensatorilor pentru VCC şi pentru “bootstrap” (reacţie) se face conform recomandărilor producătorului şi anume CVcc = 1µF iar CBST = 0,01µF , cu tensiunile specifice aplicaţiei. Dioda D2 pentru tensiunea maximă de alimentare de 48V şi un transformator cu raport de 1:1 este recomandată să fie de tipul Shottky 60V.

În schema pentru aplicaţia specifică de mai sus se utilizează un transformator notat cu Tr1. Dioda D1 asigură redresarea tensiunii pentru secundarul transformatorului. Tensiunea nominală în secundar, notatat cu VOUT2 se obţine astfel :

FP

S1OUT2OUT V-

NN

VV ×= , (4)

unde VF este tensiunea de întoarcere pe dioda D1, iar Np şi Ns – numărul de spire pe primar, respectiv pe secundarul transformatorului.

Curentul în primarul transformatorului poate fi calculat în funcţie de raportul de transformare (N1 – nr. de spire pentru primarul transformatorului şi N2 – nr. de spire din secundar), după cum urmează:

ANNIII OUTOUTMAXOUT 6,0

1

221)( (5)

Rezistenţele de întoarcere (feedback) trebuie selectate pentru a stabili tensiunea furnizată pe primarul transformatorului. RFB1 se impune să fie 3,4 kΩ, iar RFB2 se calculează folosind următoarea formulă ţinând cont de faptul că tensiunea de ieşire trebuie să fie de 5V.

Ωk4,10R)1-225,1

V(R)

RR

1(V225,1V 1FB1OUT

2FB1FB

2FB1OUT =×=⇒+×= (6)

Pentru această aplicaţie specifică se va utiliza un transformator de tip fly-back care va transfera energia din primar în secundar atunci când comutaţia converterului este asigurată. Curentul de riplu maxim care poate fi acceptat în primar fără a depăşi pragul limitării de curent la 0,7A poate fi calculat cu ajutorul ecuaţiei următoare:

A2,02)NN

I-I-7,0(IΔ1

2OUT2OUT11L =××= (7)

Utilizând valoarea maximă vârf la vârf a curentului de riplu al inductorului, se poate obţine inductanţa minimă a bobinei , utilizând următoarea formulă:

Hμ4,44V

VfIΔV-V

1L)MAX(IN

OUT

SW1L

OUT IN(MAX) =××

= (8)

Condensatorii care influenţează riplul de feedback trebuie să aibă următoarele valori: Cr= 1000pF iar Cac= 0,1 µF; Cu formula de mai jos se poate calcula aşadar valoarea lui Rr:

4

100mV

V-V(CR OUT)MIN(IN

rr ≤ (9)

Rr pentru această aplicaţie va avea valoarea de 46,4 kΩ. Transformator miniatural planar cu înfăşurări circulare spiralate şi miez nanofluid magnetic Transformatorul miniatural planar cu înfăşurări spiralate O componentă cheie a dispozitivelor pentru “recoltarea” energiei este transformatorul electric, a cărui analiză face obiectul etapei actuale de cercetare. Raportul prezintă un transformator miniatură, planar, cu înfăşurări circulare spiralate, (TMPS), cum miez hibrid – ferită şi nanofluid magnetic coloidal, NFM. Sunt propuse modele de câmp electric şi magnetic, a căror rezolvare este necesară pentru analiza curgerii forţate a miezului NFM, sub acţiunea forţelor de magnetizaţie [3-18]. Cunoaşterea calitativă şi cantitativ a acestor fenomene este o etapă necesară de proiectare, şi poate fi utilă în optimizarea sistemului TPS. Modelul conceptual de TMPS propus are două înfăşurări circulare spirale, din cupru, 20 spire în primar şi 40 de spire în secundar. Înfăşurările sunt prevăzute să fie “crescute” în tehnologia LIGA (Lithographie, Galvanoformung, Abformung [18]), pe un substrat ceramic (Al2O3). Carcasa şi coloana centrală sunt construite din ferită 3F3, aşa cum s-a propus în etapa I a proiectului. Cavitatea conţinută de carcasă este umpulută cu nanofluid superparamagnetic coloidal, NFM, Fig. 3.

Fig. 3. TPS cu înfăşurări plane, spirale, şi miez hibrid ferită – nanofluid magnetic coloidal [17].

În dimensionarea şi modelarea TMPS-urilor este uzual ca înfăşurările spirale să fie asimilate unor înfăşurări compuse din spire circulare concentrice, iar terminalele electrice (şi deci efectele de capăt asociate) să fie neglijate. Aceste simplificări permit reducerea structurii 3D a TMPS astfel încât modelarea şi dimensionarea sa (inclusiv parametri de circuit echivalenţi) sa poată fi realizate utilizând modele 2D, axial simetrice, mai simple. În timp ce această abordare conduce la rezultate satisfăcătoare sub aspectul analizei câmpului magnetic, reducerea TMPS la modele 2D axial simetrice devine insuficient de relevantă atunci când de interes sunt curgerea miezului magnetic fluid care are loc sub acţiunea câmpului magnetic şi efectele asociate. În aceste împrejurări, considerarea structurii spirale şi a terminalelor electrice ale înfăşurărilor este crucială.

5

Analiza câmpului magnetic şi a curgerii miezului magnetic fluid sunt descrise de modele fizico-matematice dezvoltate pe baza rezultatelor raportate în etapa I. Rezolvarea lor a fost efectuată prin modelare şi simulare numerică, in tehnica elementului finit. Au fost analizate cmprataiv mai multe fluide magnetice sub aspectul fenomenelor hidrodinamice, şi, pentru NFM cu cele mai bune proprietăţi magnetice, au fost determinaţi şi parametri magnetic de circuit echivalenţi. Modelul matematic Câmpul magnetic în regim staţionar este descris, în raport cu subdomeniile magnetice şi sursele de câmp magnetic, astfel: în înfăşurări

01r

1A J, (10)

în miezul din ferită şi părţile ceramice (nemagnetice) 0

1r1A 0, (11)

în miezul fluid magnetic 0

1A M 0, (12)

unde, A [T·m] este potenţialul magnetic vector, J [A/m2] este densitatea curentului electric de conducţie, μ0 etse permeabilitate vidului, μr este permeabilitatea magnetică, şi M [A/m] este magnetizaţia NFM, descrisă sintetic de [17]

M arctan H . (13)

Aici, H [A/m] este intensitatea câmpului magnetic, iar α, β sunt constante empirice, stabilite astfel încât să aproximeze corespunzător caracteristica de magnetizare (13), de ex. [8]. Problema de câmp magnetic (10)-(13) este completată de condiţia la limită “izolaţie magnetică” pe suprafaţa exterioară a carcasei din ferită, nA = 0, unde n este normala exterioară la domeniul de calcul. Câmpul magnetic produs de curenţii electrici din înfăşurările TMPS produce magnetizarea miezului NFM, ceea conduce la apariţia unor forţe de magnetizaţie în NFM, care stabilesc o curgere forţată a mediului fluid magnetizabil. Modelul matematic care descrie curgerea staţionară, laminară, incompresibilă a mediului fluid, considerat Newtonian, este dat de

conservarea impulsului (Navier-Stokes)

u u pIu u T fmg , (14) conservarea masei

u 0, (15) unde u [m/s2] este viteza, p [N/m2] este presiunea, ρ [kg/m3] este densitatea de masă, η [Ns/m2] este viscozitatea dinamică, iar fmg M H [N/m3] este densitatea de volum a forţei de magnetizaţie. Forţele de natură termică, nesemnificative în această aplicaţie, sunt neglijate [19]. Condiţia la limită care completează modelul matematic (16)-(17) este viteza zero la contactul cu pereţii solizi ai domeniul de calcul pentru NFM. Inductivităţile proprii ale TMPS sunt calculate folosind metoda energetică [19]

Lii 2Ii

2 wm,iV d , (16)

unde indicele inferior i = 1 desemnează înfăşurarea primară, i = 2 înfăşurarea secundară, Ii [A] sunt intensităţile curenţilor electrici, wm,1 [J/m3] este densitatea de energie magnetică atunci când primarul

6

este alimentat şi secundarul este în gol, wm,2 [J/m3] este densitatea de nergie magnetic atunci când primarul este în gol şi secundarul este alimentat, iar V este volumul TMPS. Inductivitatea mutuală este calculată utilizând relaţia Nemann

M L2,1 L1,2 21

i1, (17)

unde Ф21 [Wb] este fluxul magnetic total produs de curentul din înfăşurarea primară atunci când înfăşurarea secundară este în gol. Factorul de cuplaj magnetic, definit ca

k M L11L22 , (18) este o măsură a eficienţei designului magnetic al TMPS. Rezultate de simulare numerică şi interpretare Pentru început am considerat modele 2D. Aici sunt prezentate rezultate de modelare numerică pentru două tipuri de NFM: NFM de “1000 Gauss”, cu [eq. (13)] = 4.71104A/m, şi = 2.0810-5m/A, şi NFM de “100 Gauss”, pentru care = 6.2103A/m, iar = 1.7910-4m/A. Au fost analizate trei regimuri de lucru diferite: ambele înfăşurări alimentate, solenaţii egale, fluxuri magnetice fasciculare adiţionale; ambele înfăşurări alimentate, solenaţii egale, fluxuri magnetice fasciculare opuse; primarul alimentat şi secundarul în gol; primarul în gol şi secundarul alimentat. Fig. 4 prezintă câmpul magnetic în aceste situaţii, prin linii de câmp de inducţie magnetică (curbe de potenţial vector constant). Culoarea este proporţională cu valoarea locală a inducţiei magnetice. Înfăşurarea de sus este primarul.

A. Miez NFM de1000 Gs.

B. Miez NFM de 100 Gs. a. Ambele înfăşurări alimentate,

fluxuri fasciculare opuse. b. Ambele înfăşurări alimentate,

fluxuri fasciculare adiţionale. c. Primarul alimentat,

secundarul în gol. d. Secundarul alimentat,

primarul în gol. Fig. 4. Inducţia magnetică pentru NFM de 1000 Gs şi 100 Gs. Valorile sunt în SI [18].

Fig. 5 redă spectrele curgerilor forţate din miezul magnetic fluid pentru alimentările electrice prezentate în Fig. 4.

7

A. NFM de 1000 Gs. Fluxuri fasciculare opuse. Vitezele sunt de ordinul O(10-8m/s).

B. NFM de 100 Gs Fluxuri fasciculare opuse. Vitezele sunt de ordinul O(10-8m/s).

C. NFM de 1000 Gs. Fluxuri fasciculare adiţionale. Vitezele sunt de ordinul O(10-4m/s).

D. NFM de 100 Gs. Fluxuri fasciculare adiţionale. Vitezele sunt de ordinul O(10-4m/s).

E. NFM de 1000 Gs. Primarul este alimentat, secundaru este în gol. Vitezele sunt de ordinul O(10-4m/s).

8

F. NFM de 100 Gs. Primarul este alimentat, secundaru este în gol. Vitezele sunt de ordinul O(10-4m/s).

G. NFM de 1000 Gs. Primarul este în gol, secundaru alimentat. Vitezele sunt de ordinul O(10-2m/s).

H. NFM de 100 Gs. Primarul este în gol, secundaru alimentat. Vitezele sunt de ordinul O(10-4m/s).

Fig. 5. Velocity field (left), pressure and magnetic forces (right) inside the fluid magnetic core. Curgerea NFM depinde de schema de alimentare a TMPS, şi poate prezenta fie două perechi de celule majore, stratificate orizontal şi radial, cu viteze mici (Fig. 5, A-D), fie o singură pereche de celule stratificate orizontal, cu viteze mai mari., or single, larger flow cells, of higher velocity (Fig. 5, E-H). Elaborarea preliminară a procedeului de preparare a nanofluidului magnetic pentru utilizare ca miez lichid in micro-transformator Preparare probe preliminare În vederea utilizării nanofluidelor ca miez lichid într-un microtransformator s-a optat pentru nanofluide magnetice pe bază de ulei de transformator (UTR), ce conţin nanoparticule de magnetită acoperite monostrat cu acid oleic (OA). Probele preparate în cadrul acestei etape se regăsesc în Tabelul 1.

Tabelul 1. Probe de fluide magnetice preparate

Nr. Crt.

Cod probă Descriere probă Densitate,

ρ [g/cm3]

Fracţie volumică, ϕ [%]

Magnetizaţie nominală,

M [G] 1 150521-1 FM/UTR 4T (Fe3O4-OA) - 23.33 1000 2 150521-2 FM/UTR 4T (Fe3O4-OA) 1.711 (29 ˚C) 18.67 800 3 150521-3 FM/UTR 4T (Fe3O4-OA) 1.485 (29 ˚C) 14 600

9

4 150521-4 FM/UTR 4T (Fe3O4-OA) 1.370 (29 ˚C) 11.67 500 5 150521-5 FM/UTR 4T (Fe3O4-OA) 1.286 (29 ˚C) 9.33 400 6 150521-6 FM/UTR 4T (Fe3O4-OA) 1.167 (28 ˚C) 7 300 7 150521-7 FM/UTR 4T (Fe3O4-OA) 1.076 (28 ˚C) 4.67 200 8 150521-8 FM/UTR 4T (Fe3O4-OA) 0.974 (28 ˚C) 2.33 100

Pentru a obţine aceste probe s-a pornit de la un lichid magnetic pe bază de ulei de

transformator concentrat, cu magnetizaţia de saturaţie de 1000 G, obţinut prin procedeul descris mai jos, şi s-au realizat o serie de diluţii având diferite fracţii volumice de magnetită surfactată cu acid oleic (OA), cu scopul de a urmări influenţa fracţiei volumice asupra proprietăţilor nanofluidelor. Procedeul de preparare a nanofluidului magnetic pe bază de UTR: Sinteza nanofluidelor magnetice cu lichide de bază organice polare, cum este uleiul de transformator, cuprinde următoarele doua faze principale:

Sinteza nanoparticulelor de magnetită surfactate: - Coprecipitarea magnetitei (la temperatura de 80 ˚C) din soluţiile apoase ale ionilor Fe2+

şi Fe3+ în prezenţa unei soluţii concentrate (25%) de NH4OH - Particule de magnetită subdomenice - Stabilizare sterică (chemisorbţia acidului oleic, OA) la temperatura de 80-82 ˚C - Separarea fazelor - Decantare magnetică şi spălări repetate - Nanoparticule de magnetită acoperite monostrat şi acid oleic liber - Extragerea nanoparticulelor de magnetită acoperite monostrat (NPM) prin adăugare de

acetonă (extracţie) - Nanoparticule de magnetită stabilizate

Dispersarea nanoparticulelor de magnetită în UTR: - Dispersarea nanoparticulelor de magnetită (NPM) cu monostrat de acid oleic într-un

lichid de bază nepolar (petrol) la temperatura de 120 ˚C - Decantare magnetică şi filtrare - Floculare repetată şi redispersare a nanoparticulelor magnetice pentru eliminarea

acidului oleic neadsorbit (proces de purificare avansată) - Nanoparticule magnetice acoperite cu acid oleic - Dispersarea NPM în uleiul de transformator la temperatura de 130 ˚C - Nanofluid magnetic nepolar.

În urma procedeului descris mai sus s-au obţinut nanofluide magnetic pe bază de UTR cu diferite fracţii volumice de magnetită surfactată. Calitatea nanofluidelor magnetice obţinute este legată de numeroase detalii ale procesului de sinteză a NPM şi de stabilizarea/dispersarea lor în lichidul de bază. Dintre acestea menţionăm: temperatura de coprecipitare, raportul molar Fe2+ la Fe3+, viteza de agitare, temperatura de chemisorbţie, timpul de reacţie ş.a. Un aspect esenţial este acoperirea completă a NPM cu stabilizant şi eliminarea surfactantului primar (OA) rămas neadsorbit chimic. Prin floculare/redispersare repetată NPM rămân acoperite cu cantitatea optimă de surfactant.

Caracterizare magnetica a probelor preliminare Curbele de magnetizare statica ( )M f H ale probelor de nanofluid magnetic pe baza de ulei de transformator cu particule de magnetita surfactate monostrat cu acid oleic s-au măsurat cu ajutorul magnetometrului cu proba vibrata VSM 880, la temperatura camerei ( o25 Ct ), folosind un suport de

10

proba de forma cilindrica cu lungimea 2 7 mml , si diametrul 5 5mmd . . Câmpul magnetic, aplicat pe direcţie radiala, adică perpendicular pe generatoarea suportului cilindric de proba, poate fi considerat uniform in interiorul acestuia. Principiul de măsurare a proprietăţilor magnetice statice într-o probă de material magnetic, demagnetizată în prealabil, in cazul magnetometrului cu proba vibrata, se bazează pe inducerea unui flux magnetic variabil prin vibrarea unei probe magnetizate in vecinătatea unei perechi de bobine de detecţie. Modificarea fluxului prin bobinele de detecţie, datorita mişcării probei, determina apariţia unei tensiuni electromotoare induse care este proporţionala cu momentul magnetic al probei. Realizarea modelului experimental al convertorului DC/DC cu integrare MEMS În figurile Fig. 6-9, este prezentat convertorul DC/DC, model experimental funcţional, realizare practica, in decursul experimentărilor.

Fig. 6. Convertorul DC/DC, realizare practica.

Fig. 7. Convertorul DC/DC, realizare practica, în decursul experimentărilor.

11

Fig. 8. Convertorul DC/DC, realizare practică în decursul experimentărilor, împreună cu sursa fotovoltaică.

Fig. 9. Modelul experimental al convertorului DC/DC cu integrare MEMS având conectat ansamblul celor 4 celule

fotovoltaice policristaline, asamblate cu nanoparticule de ZnO crescute pe strat subţire.

1

RST - Raportul stiintific si tehnic intermediar catre Autoritatea contractanta UEFIS CDI (contract 63/2014) Denumirea proiectului: Sistem hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica si piezoelectrica, transformare DC/DC cu integrare MEMS si stocare adaptiva Etapa III. Realizarea modelului functional si proiectarea prototipului sistemului hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica si transformare DC/DC cu integrare MEMS Raport stiintific si tehnic in extenso Etapa de executie nr. 3 / 2016 CUPRINS Rezumatul etapei.........................................................................................................................................................................2 Activitatea III.1. Elaborarea documentatiei modelului functional al convertorului DC/DC cu integrare MEMS impreuna cu cablajele imprimate aferente……………………….................................................................................................................3 III.1.1. Modelul functional al sistemului de conversie fotovoltaica……………....................................................................3 III.1.2. Elaborarea documentatiei modelului functional al convertorului DC/DC cu integrare MEMS……………………………………………………………………………......................................................................6 III.1.2.1. Schema bloc a circuitului integrat LM25017 utilizat la realizarea convertorului DC/DC cu integrare MEMS………………………………………………………………..........................................................................................6 III.1.2.2. Cablajele imprimate aferente convertorului DC/DC cu integrare MEMS….......................................................6 Activitatea III.2. Proiectarea modelului functional al convertorului DC/DC cu integrare MEMS……………………...7 III.2.1. Tema de proiectare…………………………………………………………………....................................................7 III.2.2. Calculul valorilor componentelor electronice ale convertorul DC/DC cu integrare MEMS ce utilizeaza circuitul integrat LM25017………………………………………….....................................................7 III.2.3. Transofrmator miniatural planar cu înfăşurari circulare spiralate şi miez din ferita si nanofluid magnetic…..8 III.2.3.1. Transformatorului de putere în contracurent (FB-PT)……………………….......................................................8 III.2.3.2. Modelel matematice pentru probleme de câmp electrocinetic, magnetic staţionar, electrostatic, electromagnetic cvasistaţionar armonic…………………………………………………………………………………………………………9 III.2.3.3. Rezultate de simulare numeric………………………………………………….......................................................10 Activitatea III.3. Realizarea modelului functional al convertorului DC/DC cu integrare MEMS impreuna cu cablajele imprimate aferente………………………………………..........................................................................................................14 III.3.1.Transformatorul planar cu circuit magnetic realizat din ferita si nanofluid magnetic............................................14 III.3.2. Realizarea cablajelor imprimate aferente convertorului DC/DC cu integrare MEMS...........................................17 III.3.3. Realizarea convertorului DC/DC cu integrare MEMS, model functional................................................................17 Activitatea III.4. Experimentarea modelului functional al convertorului DC/DC cu integrare MEMS pentru mai multe tipuri de sarcini……………………………………..............................................................................................................................19 III.4.1. Masuratori experimentale in regim dinamic efectuate asupra transformatorului planar cu circuit magnetic realizat din ferită si nanofluid magnetic.................................................................................................................................................19 III.4.2. Experimentarea modelului functional al sistemului de conversie fotovoltaica, ca sursa de tensiune pentru convertorul DC/DC..........................................................................................................................................................................................20 III.4.3 Experimentarea modelului functional al convertorului DC/DC cu integrare MEMS cuplat cu sistemului de conversie fotovoltaica ca sursa de tensiune, pentru mai multe tipuri de sarcini, corespunzatoare senzorilor wireless utilizati........21 Activitatea III.5. Prepararea probelor optimizate necesare de nanofluid magnetic pentru utilizare ca miez lichid in micro-transformatorul planar MEMS, din componenta sistemului hibrid pentru mai multe dilutii………….............................24 III.5.1. Prepararea probelor conform tehnologiei stabilite în Etapa II...................................................................................24 III.5.2. Determinarea proprietăților magnetice……………………………………………....................................................24 III.5.3. Determinarea proprietăților reologice și magneto-reologice.......................................................................................24 III.5.4. Determinarea conductivității termice.............................................................................................................................26 III.5.5. Prepararea probelor optimizate necesare de nanofluid magnetic pentru utilizare ca miez lichid in micro-transformatorul planar MEMS din componenta sistemului hibrid, pentru diferite dilutii..................................................26 Activitatea III.6. Determinarea experimentala a proprietatilor magnetice, reologice si termice ale probelor de nanofluid magnetic pentru diluțiile preparate............................................................................................................................................26 III.6.1. Determinarea proprietăților magnetice.........................................................................................................................26 III.6.2. Determinarea proprietăților reologice și magneto-reologice........................................................................................27 III.6.3. Determinarea proprietăților termice..............................................................................................................................28 Activitatea III.7. Proiectarea prototipului sistemului hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica si transformare DC/DC cu integrare MEMS……………………………………………….................................29 III.7.1. Proiectarea sistemului de conversie fotovoltaica............................................................................................................29 III.7.2. Proiectul transformatorului planar cu circuit magnetic realizat din ferită si nanofluid magnetic...........................31 III.7.3. Prototipul sistemului hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica si transformare DC/DC cu integrare MEMS……………………..................................................................................................31 Activitatea III.8. Realizarea circuitului de stocare a energiei cu supercapacitori……...........................................................32 Activitatea III.9. Diseminarea rezultatelor cercetarii (2 articole ISI).......................................................................................32

2

Concluzii…………………………………………………………………………………….........................................................33 Bibliografie………………………………………………………………………………….........................................................34 Rezumatul etapei In cadrul acestei etape, s-a proiectat prototipul sistemului hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica si transformare DC/DC cu integrare MEMS si s-a realizat modelul functional al acestuia. In etapa III a proiectului s-a realizat modelul functional al sistemului de conversie fotovoltaica. S-a prezentat pe larg modul de preparare a stratului antireflex pe baza de nanoparticule de ZnO, utilizat. Stratul insamantat de ZnO si filmul cu ZnO nanostructurat obtinute au fost apoi caracterizate structural prin difractie de raze X (X Bruker-AXS type D8 Advance), morfologic prin microscopie electronica de baleaj (SEM, Zeiss Auriga) si optic prin spectrofotometrie UV-VIZ-NIR (Spectrofotometrul UV-VIS-NIR Jasco 570). Filmul antireflexiv de ZnO nanostructurat a fost utilizat cu o celula fotovoltaica pe baza de siliciu si supusa masuratorilor pentru determinarea parametrilor functionali ai celulei, cu sticla simpla si cu sticla acoperita cu ZnO nanostructurat. Pentru caracterizarea optica a fost analizata variația transmisiei optice in functie de lungimea de undă (400 - 800 nm), pentru sticla, stratul insamantat de ZnO și filmul de ZnO nanostructurat. S-a experimentat sistemului de conversie fotovoltaica cu ajutorul simulatorului solar Pasan Meyer Burger HighLight 3. Caracteristicile curent electric - tensiune determinate pentru modulul fotovoltaic compus din patru module de tip CONRAD policristalin, au fost stabilite pentru o expunere la următoarele tipuri de radiație: 1000 W/m2, 100 W/m2, 200 W/m2, 400 W/m2, 700 W/m2, 400 nm (echivalent 33 W/m2) și 900 nm (echivalent 61 W/m2). Cele 4 module de tip CONRAD cu tensiunea de 9V au fost cuplate 2 în serie și 2 în paralel obținându-se o configurație cu o suprafață totală de 492 cm2. Proiectarea prototipului circuitului electronic ce implementeaza convertorul DC/DC cu integrare MEMS s-a executat dupa o tema de proiectare, cu utilizarea circuitului integrat LM25017. S-a realizat modelul functional al convertorul DC/DC cu integrare MEMS. O parte componenta importanta a convertorului DC/DC este transofrmatorul miniatural planar cu înfăşurari circulare spiralate şi miez din ferita si nanofluid magnetic. Fata de etapa a II-a, s-au adus inovatii importante noului model, concretizate cu o cerere de brevet. S-au executat simulari numerice referitor la noul transofrmator miniatural planar cu înfăşurari circulare spiralate şi miez di ferita si nanofluid magnetic. Analiza câmpului magnetic şi a curgerii miezului magnetic fluid sunt descrise de modele fizico-matematice dezvoltate pe baza rezultatelor raportate în etapele I si II. Rezolvarea lor a fost efectuată prin modelare şi simulare numerică, in tehnica elementului finit. S-au determinat modelele matematice pentru probleme de câmp electrocinetic, magnetic staţionar, electrostatic si electromagnetic cvasistaţionar armonic. Modelarea numerică a fost realizată pentru TMPS pentru miez NFM 500 Gs, tip

MNF_UTR500. S-a elaborat procedeul de preparare a nanofluidului magnetic pentru utilizare ca miez lichid in micro-transformator si s-au preparat probele optimizate necesare de nanofluid magnetic pentru utilizare ca miez lichid in micro-transformatorul planar MEMS, din componenta sistemului hybrid, pentru mai multe dilutii. S-a optat pentru nanofluide magnetice pe bază de ulei de transformator (UTR), ce conţin nanoparticule de magnetită acoperite monostrat cu acid oleic (OA). Curbele de magnetizare statica ( )M f H ale probelor de nanofluid magnetic pe baza de ulei de transformator cu particule de magnetita surfactate

monostrat cu acid oleic s-au masurat cu ajutorul magnetometrului cu proba vibrata VSM 88. De asemenea, probele de nanofluid magnetic au fost investigate si din punct de vedere al proprietatilor reologice. De asemenea, s-au efectuat măsurători experimentale ale conductivității termice, pentru probele de nanofluid magnetic preparate în Activitatea III.5. Masuratorile experimentale s-au realizat cu reometrul Physica MCR 300, produs de Anton Paar, folosid pentru celula de masurare o geometrie de tip cilindri concentrici. S-a realizat un model functional al convertorului DC/DC cu integrare MEMS. In acest scop, s-a realizat si testat initial noul transformator cu bobine planare si circuit magnetic din ferita si ferofluid magnetic. Testarea s-a realizat prin efectuarea de masuratori statice si masuratori dinamice. S-a realizat circuitul imprimat al convertorului DC/DC, model functional. Modelul functional al convertorului DC/DC cu integrare MEMS a rezultat prin montarea tuturor componentelor. Experimentarea modelului functional al convertorului DC/DC cu integrare MEMS cuplat cu sistemului de conversie fotovoltaica ca sursa de tensiune, s-a realizat pentru mai multe tipuri de sarcini, corespunzatoare senzorilor wireless utilizati. S-a realizat proiectarea prototipului sistemului hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica si transformare DC/DC cu integrare MEMS. Circuitul de stocare a energiei cu supercapacitori a fost realizat cu utilizarea unui regulator de tensiune liniar de tip „low drop”. S-a optat pentru o capacitate echivalenta de 0.4F. Diseminare: S-a realizat diseminarea pe scara larga a rezultatelor cercetarii, rezultind spre publicare in reviste ISI patru articole, s-au prezentat doua articole la conferinte internationale in tara si in strainitate. S-a publicat un capitol de carte in regim ISI: L. Pîslaru-Dănescu, Gabriela Telipan, Floriana D. Stoian, S.Holotescu, Oana-Maria Marinică, Nanofluid with Colloidal Magnetic Fe3O4 Nanoparticles and its Applications in Electrical Engineering, capitol carte acceptat spre publicare în "Nanofluid Heat and Mass Transfer in Engineering Problems", ISBN 978-953-51-4922-4, 2016, Editura Intech Open, Croația. S-a depus la OSIM o cerere de brevet de inventie: Pîslaru-Dănescu Lucian, Popa Marius, Ilie Cristinel-Ioan, Chihaia Rares-Andrei, Babutanu Corina-Alice, Nicolaie Sergiu, Bunea Florentina, Stoian Floriana Daniela, Holotescu Sorin, Marinica Oana-Maria, Morega Alexandru-Mihail, Morega Mihaela, Dumitru Jean-Bogdan, Popa Nicolae-Calin, „Transformator planar cu nanofluid magnetic”, Cerere de brevet de inventie, nr. OSIM A/00713 din 07-10-2016, solicitanti ICPE-CA Bucuresti si Universitatea Politehnica Timisoara.

3

Descrierea stiintifica si tehnica, cu punerea in evidenta a rezultatelor etapei si gradul de realizare a obiectivelor - se vor indica rezultatele si modul de diseminare a rezultatelor. Realizarea modelului functional si proiectarea prototipului sistemului hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica si transformare DC/DC cu integrare MEMS Activitatea III.1. Elaborarea documentatiei modelului functional al convertorului DC/DC cu integrare MEMS impreuna cu cablajele imprimate aferente III.1.1. Modelul functional al sistemului de conversie fotovoltaica

In etapa II a proiectului s-a prezentat pe larg modul de preparare a stratului antireflex pe baza de nanoparticule de ZnO, utilizat. Stratul insamantat de ZnO si filmul cu ZnO nanostructurat obtinute au fost apoi caracterizate structural prin difractie de raze X (X Bruker-AXS type D8 Advance), morfologic prin microscopie electronica de baleaj (SEM, Zeiss Auriga) si optic prin spectrofotometrie UV-VIZ-NIR (Spectrofotometrul UV-VIS-NIR Jasco 570). Filmul antireflexiv de ZnO nanostructurat a fost utilizat cu o celula fotovoltaica pe baza de siliciu si supusa masuratorilor pentru determinarea parametrilor functionali ai celulei, cu sticla simpla si cu sticla acoperita cu ZnO nanostructurat. Rezultate si discutii Spectrele de difractie de raze X pentru stratul subtire insamantat de ZnO si pentru filmele cu ZnO nanostructurat obtinute prin metoda hidrotermala au fost realizate cu difractometrul X Bruker-AXS type D8 Advance. Parametrii utilizati pentru analiza de difractie de raze X: unghiul 2θ - 20 -80o, pasul 2θ - 0,033, timpul pe pas, in s - 22,225, tipul de scanare – continuu, tub de raze X cu anod de Cu (lungime de unda λ = 1,54 Å) si temperatura ~ 25o C.

a

25 30 35 40 45 50 55 60

Inte

nsita

te a

.u.

2 Theta (grade)

(002)

(110)

b

Fig. 1. Spectrele XRD pentru stratul insamantate de ZnO depus (a) si pentru filmul cu nanoparticul;e de ZnO vertical orientate (b).

In cazul stratului insamantat de ZnO (Fig.1a), s-au identificat doar peak-uri specifice ZnO, confirmand puritatea ridicata a filmului. Stratul insamntat de ZnO prezenta structura hexagonala de wurtzite P63mc și parametrii structurali a = b = 3.242 nm si c = 5.176 nm. Intensitatea peak-urilor de difractie corespunzatoare planurile (002) și (110) prezinta valori scazute în cazul stratului insamantat de ZnO. Analiza XRD a aratat structura hexagonala wurtzite P63mc si structura parametrilor a = b = 3.242 nm si c = 5.176 nm, si in cazul nanofirelor de ZnO (Fig.1b). Difractogramele au evidențiat peak-uri asociate planurilor (100), (002), (101) si (102) corespunzatoare ZnO. Planul (002) prezinta un peak cu intensitate mai mare în comparatie cu peak-urile corespunzatoare planurilor (100), (101) și (102), ceea ce indică faptul că nanofirele de ZnO sunt orientate predominant pe axa c [1-3]. In urma analizei difractogramelor nu au fost observate alte peak-uri, ceea ce confirma faptul că nu s-au format alte structuri în afară de ZnO si, deasemenea, este confirmat faptul că ZnO este obținut cu puritate ridicata.

Analiza microscopiei electronice de baleiaj s-a realizat cu CrossBeam Workstation (SEM-FIB) – Zeiss Auriga. Analiza a fost realizata la marire de 100,0kx.

a. b.

4

c. d.

Fig. 2. Imaginile SEM obtinute pentru stratul insamntat (a and c) si nanofire de ZnO vertical orientate (b and d) (100 kx marire).

Morfologia suprafetei substratului insamantat pe care cresc nanoparticulele de ZnO influenteaza morfologia acestora [4-6]. Aceste

straturi actioneaza ca germeni de cristalizare asigurand cresterea epitaxiala a nanoparticulelor de ZnO. In Fig. 2a si 2 c, sunt prezentate imaginile SEM pentru filmele insamantate de ZnO. Din imaginile obtinute se poate observa ca nanoparticulele de ZnO sunt distribuite pe toata suprafata sticlei, iar dimensiunea particulelor depuse creste o data cu numarul de depuneri. Un număr diferit de depuneri (sprayere pirolitica si centrifugare) au fost realizate in scopul de a determina grosimea optima si morfologia stratului insamantat de ZnO. Stratul insamantat de ZnO (Fig.2c) care a condus la obtinerea unor nanofire de ZnO vertical orientate este cel obtinut prin 3 etape de aplicare de speyere pirolitica, la o temperatura de 100°C, 3 etape de acoperire centrifugare urmata de tratament la 300°C timp de 30 minute. Datorita uniformitatii stratului insamantat si a lipsei aglomerarilor, cresterea nanofirelor a fost orientata, cu dimensiuni omogene si pe intreaga suprafata a substratului (Fig. 2d). In cazul filmelor mai groase de ZnO insamantat, sunt observati graunti cu dimensiuni mai mari de 100 nm, aglomerari ce influenteaza cresterea nanofirelor astfel incat acestea cresc imprastiate pe suprafata si orientate aleatoriu (Fig 2a si 2b).

Pentru caracterizarea optica a fost analizata variația transmisiei optice in functie de lungimea de undă (400 - 800 nm), pentru sticla, stratul insamantat de ZnO și filmul de ZnO nanostructurat (Fig. 3a). Stratul insamantat de ZnO a prezentat o transparenta buna de aproximativ 80%, similar cu valoarea sticlei datorita grosimii reduse (50 nm) si a uniformitatii suprafetei filmului. Probele de ZnO nanostructurat prezinta o buna transparenta in domeniul vizibil (400-800 nm), cu o valoare medie mai mica de 76% (aproximativ 5% mai mica decat in cazul sticlei). Aceasta scadere se datoreaza faptului ca radiatia transmisa prin difuziune a luminii creste aparitia fenomenului de imprastiere a luminii datorita nanofirelor ZnO.

a.

400 500 600 700 8000

20

40

60

80

100

T (

%)

(nm)

sticla

strat insamantat de ZnO

ZnO nanostructurat

b.

400 500 600 700 8000

5

10

15

20

R (

%)

(nm)

sticla

strat insamantat de ZnO

ZnO nanostrcturat

Fig. 3. Transmisia optica (a) si reflexia (b) sticla simpla, strat insamntat de ZnO si nanofire de ZnO vertical

orientate. In urma analizei spectrofotometrice, variația reflexiei optice cu lungime de unda in intervalul 400-800 nm, este prezentata in Fig.

3b. Graficul confirma faptul că reflexia este redusa in comparație cu valorile obținute pentru sticla simpla. Stratul de ZnO insamantat prezinta o valoare intermediara intre sticla si ZnO nanofire, cu o medie de 11%. Valoarea medie pentru reflexia optica in domeniul vizibil a filmului de ZnO nanostructurat este egala cu 9%, cu aproximativ 5% mai mica decat valoarea pentru sticla simpla (14,5%). Prin sintetizarea acestor caracteristici optice, se concluzioneaza ca filmele de ZnO nanostructurat pot fi considerate o solutie pentru acoperirile antireflexive în domeniul celulelor solare datorita proprietatilor optice si a pretului scazut de fabricatie. Celulele fotovoltaice cu strat activ de siliciu acoperite cu sticla simpla si cu sticla cu ZnO nanostructurat au fost caracterizate (Fig.4-7), prin utilizarea simulatorului solar SIM 3C HIGHLIGHT PASAN pentru analize de eficienta si putere, precum si pentru

5

determinarea parametrilor functionali (eficienta, puterea, tensiunea de circuit deschis si curentul de scurt circuit). Simulatorul mentionat este un echipament precis, fiind capabil de a ajusta valoarea iradianta intre 100 W/m2 si 1000 W/m2 (uniformitatea luminii si stabilitatea luminii sub 1%).

0 200 400 600 800 10007.0

7.5

8.0

8.5

9.0

9.5

E

ficie

nta

(%

)

Iradiere (W/m2)

sticla stcla cu ZnO

0 200 400 600 800 10000.00

0.05

0.10

0.15

I sc(A

)

Iradiere (W/m2)

sticla sticla cu ZnO

Fig. 4. Eficienta celulei fotovoltaice cu sticla simpla si cu sticla acoperita ZnO nanostructurat pentru valori diferite

pentru iradiere.

Fig. 5. Curentul de scurt circuit pentru celula fotovoltaica cu sticla simpla si cu sticla acoperita ZnO nanostructurat pentru

valori diferite pentru iradiere.

0 200 400 600 800 1000

9.5

10.0

10.5

11.0

Uoc

(V)

Iradiere(W/m2)

sticla sticla cu ZnO

0 200 400 600 800 10000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

P (

W)

Iradiere (W/m2)

sticla sticla cu ZnO

Fig. 6. Tensiunea de circuit deschis pentru celula fotovoltaica

cu sticla simpla si cu sticla acoperita ZnO nanostructurat pentru valori diferite pentru iradiere.

Fig. 7. Puterea pentru celula fotovoltaica cu sticla simpla si cu sticla acoperita ZnO nanostructurat pentru valori diferite

pentru iradiere. Toti parametrii functionali ai celule fotovoltaice, sunt in crestere cu cresterea valorii pentru iradierea luminii (100W/m2 pana la

1000W/m2) si prezinta valoari mai mari pentru celulele cu sticla acoperita cu ZnO nanostructurat. Eficienta de transformare a energiei luminoase in energie electrica creste de la 7,79% pentru 100W/m2 până la 9,23% pentru 1000/m2 pentru celula cu sticla simpla, iar pentru cele cu sticla acoperita cu ZnO nanostructurat prezinta valoari intre 8,06% pana la 9,26%, pentru aceeasi iradianaa a luminii (Fig. 4). Aceasta crestere a eficientei se datoreaza reflectivitatii sticlei, care este redusa cu ~ 5%, cand se aplica ZnO nanostructurat pe sticla. Curentul de scurt-circuit prezinta valori de la 0.015A la 0.140A pentru celula cu sticla simpla si valori de la 0.016A la 0.141A pentru celule cu sticla acoperita cu ZnO nanostructurat (Fig. 5); tensiunea de circuit deschis prezinta o valoare de la 9.58V la 10.92V pentru celulele cu sticla si 9.66V la 10.94V pentru celule cu sticla acoperita ZnO nanostructurat (Fig. 6); puterea a crescut de la 0.105W la 1.134W pentru sticla si de la 0.109W la 1.40W pentru celula cu sticla acoperita cu ZnO nanotexturat (Fig. 7).

Fig. 8. Modelul functional al sistemului de conversie fotovoltaica.

6

In final, s-au asamblat patru celule fotovoltaice inseriind cite doua structuri de cite doua celule dispuse in parallel ca in Fig. 8, cu caracteristicile evidentiate mai sus, pentru a realiza modelul functional al sistemului de conversie fotovoltaica. III.1.2. Elaborarea documentatiei modelului functional al convertorului DC/DC cu integrare MEMS III.1.2.1. Schema bloc a circuitului integrat LM25017 utilizat la realizarea convertorului DC/DC cu integrare MEMS LM25017 este un circuit integrat produs de Texas Instruments, de tip regulator sincron “step-down” cu tranzistoare MOSFET, ce poate fi alimentat cu o tensiune cuprinsă între 7,5 V - 48 V, ce poate debita la iesire un curent de maximum 650 mA, [7-10]. Schema implementată în integratul LM25017 asigură un răspuns tranzitoriu excelent si nu necesită buclă de compensare. Durata tranziţiei din 0 logic în 1 logic variază invers proporţional cu tensiunea de intrare, rezultând o frecvenţă aproximativ constantă pentru gama de tensiuni de alimentare aferente circuitului integrat. Este inclusă de asemenea o protecţie la vârfurile de curent în condiţii accidentale de suprasarcină, oprire automată în cazul supraîncălzirii şi blocare în cazul alimentării cu tensiuni mai mici decât cele prevăzute în specificaţia tehnică. Regulatorul “Buck” LM25017 foloseşte un sistem de control bazat pe un comparator şi un temporizator pentru impulsul rezultat din triggerarea pe front pozitiv al unui monostabil, cu tensiunea furnizată la ieşire prin comparaţie permanentă cu o valoare internă de referinţă de 1,225V. În Fig. 14 este prezentată schema bloc a circuitului integrat LM25017.

Fig. 14. Schema bloc a circuitului integrat LM25017, (Data Sheet Texas Instruments, [9]).

Circuitul integrat LM25017 are numeroase aplicaţii si va fi utilizat în acest caz pentru conversia DC - DC (cu separare galvanică utilizând transformatorul planar cu circuit magnetic din ferita si ferofluid magnetic). In Fig. 15 se prezinta schema electronica a convertorului DC/DC cu integrare MEMS ce utilizeaza circuitul integrat LM25017, [10].

Fig. 15. Schema electronica a convertorului DC/DC cu integrare MEMS ce utilizeaza circuitul integrat LM25017, [10].

III.1.2.2. Cablajele imprimate aferente convertorului DC/DC cu integrare MEMS In conformitate cu schema electronica a convertorului DC/DC cu integrare MEMS ce utilizeaza circuitul integrat LM25017, Fig. 15, au fost proiectate utilizind un program CAD cablajele imprimate. In Fig. 16. se prezinta circuitul imprimat al convertorului DC/DC, (proiectare CAD) iar in Fig. 17. circuitul imprimat al convertorului DC/DC, impreuna cu plasamentul componentelor electronice, (proiectare CAD).

Fig. 16. Circuitul imprimat al convertorului DC/DC, proiectare

CAD. Fig. 17. Circuitul imprimat al convertorului DC/DC, impreuna cu plasamentul componentelor electronice, proiectare CAD.

LM2517 BST

VIN SW RON VCC UVLO

FBRTN

VIN 15V-48V

CIN CBYP

RUV2

RUV1

RON

CBST

Rr

Cr

D1

+ +

- -

+

-

+

-

-

+

D2 RFB2

RFB1 CVCC

COUT1

VOUT1

VOUT2

COUT2 +

N2

Tr1 1:1

N1

CDC

7

Activitatea III.2. Proiectarea modelului functional al convertorului DC/DC cu integrare MEMS III.2.1. Tema de proiectare Sa se proiecteze o schema electronica pentru un convertor DC/DC cu integrare MEMS (separare) cu umatoarele caracteristici: 1) gama tensiunii de alimentare: 15 V pina la 48 V furnizata de un ansamblu de celule fotovoltaice; 2) Tensiune furnizată la iesire (pe secundarul transformatorului) de 4.5V – 5V, tensiune continua stabilizata; 3) Curentul maxim ce poate fi absorbit: 300 mA; 4) Putere maximă furnizată: 3 W; 5) Frecvenţă de comutaţie : 500 kHz.

III.2.2. Calculul valorilor componentelor electronice ale convertorul DC/DC cu integrare MEMS ce utilizeaza circuitul integrat LM25017

Parametri de proiectare sunt stabiliti conform documentatiei circuitului integrat LM25017 [9], [10]: Gama tensiunii de alimentare: 15 V pina la 48 V; Tensiune furnizată pe primarul transformatorului separator Tr1: 5 V; Tensiune furnizată pe secundarul transformatorului separator Tr1: 4.5 V; Curentul maxim (Primar + Secundar): 600 mA; Putere maximă furnizată: 3 W; Frecvenţă de comutaţie : 500 kHz.

Fig. 18. Schema electronica detaliata a convertorului DC/DC, [9], [10].

Pe intrarea convertorului DC/DC, Fig. 18, se utilizeaza 2 condensatori: unul de capacitate mai mare CIN şi un condensator de bypass de capacitate mai mică CBYP. Capacitatea totală la intrare trebuie să fie suficient de mare pentru a limita riplul tensiunii de intrare la amplitudinea dorită. Pentru o tensiune de riplu ΔVIN, condensatorul CIN poate fi calculat astfel:

IN

MAXOUTIN Vf

IC

4)( (1)

Pentru ΔVIN = 0,5V rezultă o capacitate minimă de 0,6 µF şi se alege o valoare standardizată de 0,47 µF. Un condensator de capacitate mai mare este necesar totuşi pentru a reduce vârfurile cauzate de inductanţa parazită dintre sursa de alimentare şi circuitul integrat. Se alege aşadar o valoare standardizată de 2,2 µF pentru CIN.

Pentru blocarea funcţionării circuitului în cazul unei subtensiuni de alimentare, se utilizează rezistenţele RUV1 şi RUV2 pentru a seta pragul de blocare şi hysterezisul aferent.

)1R

R(V225,1V

1UV

2UVIN +×= (2)

Pentru un hysterezis al blocării la subtesiunea de 2,5V şi un prag de creştere limitat sub valoarea de 15V, se alege RUV1 de 11,8 kΩ şi RUV2 de 127 kΩ pentru acest design. Pentru obţinerea frecvenţei de comutaţie dorite este necesară determinarea valorii rezistenţei RON utilizând formula:

ON

1OUTSW RK

Vf

×= (3)

Unde K = 9 x 10-11

Rezultă că, pentru obţinerea unei tensiuni de 5V la 500 kHz, RON va avea valoarea de 111 kΩ. Se va alege o valoare standardizată de 124 kΩ pentru a permite efecte de ordin 2 la frecvenţe mari de comutaţie care nu sunt incluse în ecuaţia de mai sus. Alegerea condensatorilor pentru VCC şi pentru “bootstrap” (reacţie) se face conform recomandărilor producătorului şi anume CVcc = 1µF iar CBST = 0,01µF , cu tensiunile specifice aplicaţiei. Dioda D2 pentru tensiunea maximă de alimentare de 48V şi un transformator cu raport de 1:1 este recomandată să fie de tipul Shottky 60V.

LM2517 BST

VIN SW RON VCC UVLO FB

RTN

VIN 15V-48V

CIN

2.2 µF

CBYP RUV2

0.47 µF 127 kΩ

RUV1

11.8 kΩ

124 kΩ

RON

0.01 µF

CBST

46.4 kΩ Rr 1 nF

Cr

D1

+ +

- -

+

-

+

-

-

+

D2 0.1 µF

RFB2

10 kΩ

RFB1

3.4 kΩ

CVCC

1 µF

4.7 µF

COUT1

VOUT1

VOUT2

2.2 µF

COUT2 +

N2

Tr1 1:1

N1

CDC

8

În schema pentru aplicaţia specifică de mai sus se utilizează un transformator notat cu Tr1. Dioda D1 asigură redresarea tensiunii pentru secundarul transformatorului. Tensiunea nominală în secundar, notatat cu VOUT2 se obţine astfel :

FP

S1OUT2OUT V-

N

NVV ×= , (4)

unde VF este tensiunea de întoarcere pe dioda D1, iar Np şi Ns – numărul de spire pe primar, respectiv pe secundarul transformatorului. Curentul în primarul transformatorului poate fi calculat în funcţie de raportul de transformare (N1 – nr. de spire pentru primarul transformatorului şi N2 – nr. de spire din secundar), după cum urmează:

AN

NIII OUTOUTMAXOUT 6,0

1

221)( (5)

In cazul nostru, vom utiliza un transformator separator, astfel incit Np = Ns (numărul de spire in primar este egal cu numărul de spire in secundarul transformatorului). Rezistenţele de întoarcere (feedback) trebuie selectate pentru a stabili tensiunea furnizată pe primarul transformatorului. RFB1 se impune să fie 3,4 kΩ, iar RFB2 se calculează folosind următoarea formulă ţinând cont de faptul că tensiunea de ieşire trebuie să fie de 5V.

Ωk4,10R)1-225,1

V(R)

R

R1(V225,1V 1FB

1OUT2FB

1FB

2FB1OUT =×=⇒+×= (6)

Pentru această aplicaţie specifică se va utiliza un transformator de tip fly-back care va transfera energia din primar în secundar atunci când comutaţia converterului este asigurată. Curentul de riplu maxim care poate fi acceptat în primar fără a depăşi pragul limitării de curent la 0,7A poate fi calculat cu ajutorul ecuaţiei următoare:

A2,02)N

NI-I-7,0(IΔ

1

2OUT2OUT11L =××= (7)

Utilizând valoarea maximă vârf la vârf a curentului de riplu al inductorului, se poate obţine inductanţa minimă a bobinei , utilizând următoarea formulă:

Hμ4,44V

V

fIΔ

V-V1L

)MAX(IN

OUT

SW1L

OUT IN(MAX)=×

×= (8)

Condensatorii care influenţează riplul de feedback trebuie să aibă următoarele valori: Cr= 1000 pF iar Cac= 0,1 µF; Cu formula de mai jos se poate calcula aşadar valoarea lui Rr:

100mV

V-V(CR

OUT)MIN(INrr ≤ (9)

Rr pentru această aplicaţie va avea valoarea de 46,4 kΩ. III.2.3. Transofrmator miniatural planar cu înfăşurari circulare spiralate şi miez din ferita si nanofluid magnetic

Recoltarea energiei (Energy Harvesting, EH) reprezintă o arie de cercetare relativ nouă, văzută ca o soluţie viabilă şi accesibilă pentru alimentarea dispozitivelor autonome de dimensiuni mici, de exp, reţelele de senzori wireless. Dispozitivele EH utilizează părţi componente de scala mică cu pierderi mici de putere. Componentele principale sunt transformatoarele electrice, care convertesc parametrii tensiune/current din primar, etapa de recoltare a energiei, în secundar, respectiv la nivelul de stocare şi distribuţie a dispozitivului. Constucţiile miniaturale, a căror implementare poate beneficia de tehnologia de fabricaţie LIGA, sunt necesare pentru soluţii compacte, de dimensiuni mici, însă corespunzătoare din punct de vedere energetic. Acest raport prezintă modele matematice şi rezultatele de simulare numerică pentru un asemenea transfomator electric, cu înfăşurări plane, spiralate, miniatural (TE-IPS-M). Studiul se concentrează pe analiza câmpului electromagnetic cvasistationar şi a transferului de căldură. Lucrarea prezintă de asemenea unii parametri importanţi în proiectarea TE-IPS-M, de interes în proiectarea convertorului c.c/c.c din care face parte. III.2.3.1. Transformatorului de putere în contracurent (FB-PT)

Regulatoarele de mică putere şi transmiţătoarele RF utilizate în dispozitivele wireless necesită etape de condiţionare electronică unde componenta cheie o reprezintă transformatorul de putere în contracurent (FB-PT) care trebuie să se supună anumitor constrângeri de gabarit, de exp dimensiuni mici, profil plat (înălţime redusă), suprafaţă mai mică a înfăşurărilor care poate facilita intercalarea lor, rezistenţă de c.a. mai mică a înfăşurărilor, stabilitate termică, în timp ce funcţionează la o eficienţă electromagnetică înaltă. Utilizarea TE-IPS-M [1-4] ca şi FB-PT, decât a echivalentelor convenţionale oferă anumite avantaje, printre care distribuţia componentei de deplasare a curentului în înfăşurări pentru condiţii de funcţionare la frecvenţă înaltă.

FB-PT poate fi văzut ca o pereche de inductori cuplaţi [2], având în vedere că rolul lor principal este de a stoca energia pentru a fi furnizată mai târziu către circuitul secundar (sarcina), într-un mod secvenţial în timp, suplimentar separării galvanice a circuitelor primar şi secundar. Din acest motiv, un întrefier central, de bază, poate fi furnizat pentru stocarea energiei. Designul FB-PT urmăreşte asigurarea unui echilibru între inductanţa de magnetizaţie (întrefierul central de bază, sediul unui flux magnetic fascicular de c.c) şi inductanţele de pierderi (impus de spaţiul dintre înfăşurările planare, sediul unui flux magnetic fascicular de c.a) şi designul circuitului câmpului magnetic în vederea dimensionării adecvate a rezistenţelor c.a/c.c a FB-PT-ului.

9

Miezurile magnetice ale FB-PT sunt de obicei realizate din materiale magnetice solide (de ex., ferită). Cu toate acestea, studii recente au arătat că miezurile realizate din nanofluide magnetice, NFM, (cel puţin în parte, pentru a reduce inductanţele de pierderi) asigură o eficienţă de conversie a energiei superioară [4-6]. Studiul prezent se referă la miezurile din ferită şi aer sau NFM. Fig. 19 prezintă construcţia CAD a domeniului de calcul pentru prototipul FB-PT de interes în acest studiu. Are două înfăşurări identice realizate dintr-o pereche de bobine spiralate din cupru cu 20 de spire pe fiecare bobină. Carcasa (capacele superior şi inferior, carcasa laterală) şi coloana centrală sunt realizate din 3F3, care, împreună, alcătuiesc un înveliş cilindric din ferită pentru înfăşurări. Bobinele înfăşurărilor nu sunt întreţesute în acest design. O gaură cilindrică, concentrică şi coaxială cu coloana din ferită şi capacele superior şi inferior, care este utilizat pentru a permite trecerea unui şurub din alamă pentru fixarea structurii, furnizează de asemenea întrefierul central, necesar FB-PT ca spaţiu de stocare a energiei, în funcţionarea într-un convertor FB [3]. Problema de câmp electromagnetic pentru FB-PT este formulată şi analizată pentru condiţii de funcţionare în regim staţionar (c.c) şi în regim cvasistationar (c.a), şi sunt calculaţi parametrii de circuit ai FB-PT. Stabilitatea termică a FB-PT este de asemenea analizată, utilizând problema staţionară de transfer de căldură. Anumite aspecte legate de câmpurile magnetice din cadrul structurii planare a înfăşurărilor şi efectele lor asupra distribuţiei curenţilor de înalta frecvenţă în înfăşurări este de asemenea considerată.

Fig. 19. Domeniul de calcul al tranformatorului utilizat în modelarea numerică.

Pentru a reduce complexitatea numerică, conductoarele bobinelor sunt plasate cu folii (densitatea de curent electric este reinlocuit cu o densitate echivalentă de curent pe suprafaţă. Această simplificare poate să aibe o influenţă atunci când calculăm rezistenţa de c.c, şi va fi discutată mai târziu. III.2.3.2. Modelel matematice pentru probleme de câmp electrocinetic, magnetic staţionar, electrostatic, electromagnetic cvasistaţionar armonic

Modelele staţionare de câmp electromagnetic Problema de câmp electric (electrocinetic) pentru densitatea de curent din interiorul înfăşurărilor este descrisă de V 0 [13, 14],

unde σ [S/m] este conductivitatea electrică a înfăşurărilor (cupru) şi V [V] este potenţialul electric. Domeniul de calcul aici este alcătuit din (doar) înfăşurări. Condiţiile la limită pentru problema (10) sunt fie de masă sau tensiune, sau densitate normală de curent, în funcţie de schema specifică de alimentare considerată (circuit deschis, scurtcircuit, masă). Condiţia de frontieră implicită este izolarea electrică, n×J = 0, unde n este vectorul normală din exterior la frontieră (aici, suprafeţele conductoarelor ale bobinelor). Rezistentele de c.c. ale înfăşurărilor sunt calculate prin legea lui Ohm.

Problema de câmp magnetic staţionară este descrisă de [13, 14]

0

1 r1 A J , (10)

unde A [T·m] este potenţialul magnetic vector (condiţia de etalonare Coulomb este utilizată) J [A/m2] este densitatea de curent electric (doar în cadrul înfăşurărilor, obţinut prin rezolvarea (10), câmpul electrocinetic), μ0 = 4π×10-7 H/m este permeabilitatea magnetică a spaţiului liber, μr este permeabilitatea relativă pentru diferitele părţi diferite ale transformatorului. Modelul de câmp magnetic (10) – (13) este completat de condiţia de frontieră de tip izolare magnetică, n×A = 0, pe suprafaţa exterioară a învelişului din ferită.

Inductaivităţile înfăşurărilor sunt obţinute utilizând metoda energiei [16, 17], Lii 2

Ii2 wm ,i

Vol

d , unde i indică înfăşurarea (1 pentru

primar, 2 pentru secundar), Ii [A] sunt curenţii electrici, wm,1 [J/m3] este densitatea de energie magnetică când înfăşurarea primară este

pornită şi cea secundară oprită, wm,2 [J/m3] este densitatea energiei magnetice când înfăşurarea secundară este pornită şi cea secundară oprită, şi Vol reprezintă volumul.

Inductivitatea mutuală este obţinută tot prin metoda energiei [16], M IiI j 1

wm dVol

Ii I j Lii I j Ii L jj 2, unde

wm [J/m3] este densitatea de energie magnetică când ambele înfăşurări sunt deschise, şi prezintă aceeaşi amper-spiră.

Factorul de cuplaj magnetic este calculat prin k M L11L22 şi este o măsură a eficienţei magnetice ale FB-PT. Problema de câmp electrostatic este descrisă de [16, 17]. Aici Ve [V] este potenţialul electrostatic, εr este permitivitatea electrică relativă si ε0 = 10-9/(4π×9) F/m este permitivitatea electrică a vidului. Condiţia de frontieră implicită este izolarea electrică (n·D = 0, unde D = εE [C/m2] este

10

densitatea de flux electric). Bornele înfăşurării primare sunt setate la un potenţial specific, în timp ce acelea ale înfăşurării secundare sunt puse la masă. Pentru ferită, εr = 10 [18].

Capacitanţa electrostatică este obţinută utilizând [16], C 2 U 2 weVol

d , unde we [J/m3] este densitatea de energie electrică şi

U [V] este căderea de tensiune dintre înfăşurări (armaturi). Atunci când spaţiul de aer este umplut cu NFM de tipul NFM_UTR500, perimitivitatea acestuia se stabileşte astfel: dacă nanoparticulele nu depăşesc anumite limite, fluidul îşi păstrează proprietăţile izolante [19, 20]. Ecuaţia Maxwell – Garnett recomandată pentru amestecuri [21] permite o estimare a permitivităţii efective a NFM pe bază de ulei de transofrmator, UTR [15]

UTRNPUTRNP

UTRNPUTROFeUTRMNF

4O3Fe43 2

, (11)

unde UTR este permitivitatea UTR, NP este permitivitatea nanoparticulelor de magnetită, iar Fe3O4 este fracţia volumetrică de

particule de magnetită. Tabelul I prezintă datele pentru nanofluidul de 500 Gs utilizat în constucţia FB-PT.

TABELUL I. PERMITIVITATEA ELECTRICĂ A NFM “500 GS”.

Mărimea/Proba UTR NP NFM_UTR500

[F/m] 2.2 81 3.01

Deşi se admite că funcţionează mai degrabă ca inductor decât transformator, se consideră important ca, pentru proiectare, acesta să fie modelat ca transformator (clasic) şi, în acest scop, presupunem regimul de lucru armonic permanent, la 300 kHz.

Regimul de funcţionare armonic permanent al FB-PT

Modelul de câmp care descrie câmpul electromagnetic în MPST în regim armonic permanent este [17, 19],

j 20r ˜ A 01r

1 ˜ A 0 , (12)

unde V 1j~ AA , [s-1] este pulsaţia unghiulară, j 1 , iar mărimile subliniate sunt imaginile complexe

(simplificat) ale mărimilor de câmp. Este utilizată condiţia de etalonare Coulomb1. Condiţiile pe frontieră care închid modelul (Fig. 19) sunt fie de masă sau tensiune, sau de densitate normală de curent, în funcţie de schema de alimenatre specificare care este aplicată (circuit deschis, scurtcircuit, masă). Condiţia implicită de frontieră este, din nou, izolare magnetică pe suprafaţa exterioară a carcasa din ferită. Parametrii concentraţi de circuit sunt calculaţi pentru ambele condiţii de c.c şi c.a (la 500 kHz).

Problema de transfer de căldură Analiza de transfer de căldură este realizată presupunând valorile efective (rms) ale surselor de căldură. Pentru condiţii de funcţionare staţionare, când orice tranziţie dispare, ecuaţia energiei care descrie problema este [14, 22] kT q 0, (13) unde k [W/mK] este conductivitatea termică, şi q [W/m3] este sursa de căldură (efect Joule în interiorul înfăşurărilor; pierderile din interiorul învelişului din ferită şi NFM sunt neglijate). Condiţiile de frontieră care închid modelul de transferul de căldură sunt: convecţie naturală la peretele lateral şi capacul superior (h = 2 W/m2K), si izolarea termică la capacul inferior. Temperatura mediului ambiant este presupusă 20 ºC. Proprietăţile tremice ale MNF (pentru FB-PT cu miez NFM) sunt prezentate în Tabelul II.

TABELUL II. CONDUCTIVITATEA TERMICĂ A NFM “500 GS”.

Mărimea/Proba MNF_UTR500

k [W/mK] 0.1467

Trebuie menţionat că aerul sau NFM-ul care completează circuitul magnetic din ferită (spaţiile dintre înfăşurări, întrefierul central etc.), aşa cum se va vedea, devin izoterme, fapt ce previne convecţia internă (a aerului sau a NFM). III.2.3.3. Rezultate de simulare numerică Modelele matematice au fost rezolvate utilizând metoda elementului finit aşa cum este implementa de [19]. Reţeaua de discretizare FEM (care poate produce soluţii numerice consistente este suficient de mare (aproximativ 6,620,000 de elemente tetraedice) pentru a crea dificultăţi în selectarea solverului care trebuie să furnizeze rezultate convergente, cu încadrare în resursele hard/soft aflate la dispoziţie. Astfel, în rezolvarea problemelor de câmp magnetic (condiţii de funcţionare în c.c) şi câmp electromagnetic armonic (condiţii de funcţionare în c.a.), carcasa nemagnetică este eliminată şi condiţia de izolaţie magnetică (condiţia la limită) este aplicată pe suprafaţă exterioară a învelişul de ferită. În acest mod, fără a constrânge în mod nerealist soluţia la un domeniu mai redus de calcul (μρ = 2000 pentru 3F3 ferita), reţeaua FEM a fost redusă la aproximativ 6,320,000 elemente tetraedrice. Tehnică FEM Galerkin [19] a fost implementată utilizând elemente lineare Lagrange, fără a comporomite acurateţea numerică a soluţiei.

Distribuţia staţionară a curenţilor în înfăşurări Prima etapă în modelarea câmpului electromagnetic staţionar constă în rezolvarea unei probleme de regim electrocinetic (10). Rezultatele soluţiei numerice sunt arătate în Fig. 20, unde harta de culoare pe suprafaţă este permite vizualizarea potenţialului electric. Ambele înfăşurări sunt alimentate. Domeniul de calcul, în acest caz, este redus la înfăşurări, respectiv, învelişul, elemente de ordinul al doilea [19] au fost utilizate.

1 B A, A 0, EV jA [16, 18]

11

Fig. 20. Potentialul electric, solutionarea problemei de current continuu-culoarea este proportionala cu tensiunea, unitatea de masura

Volt.

Câmpul magnetic staţionar

Densitatea de curent electric obținut în această etapă este sursa de câmp magnetic în problema (10).

a. Primarul alimentat, secundarul în gol. Bmax ~ 15 mT. a. Primarul alimentat, secundarul în gol. Bmax ~ 50 mT.

b. Ambele înfăşurări alimentate, amperspire adiţionale. Bmax ~ 10 mT. b. Ambele înfăşurări alimentate, amperspire adiţionale. Bmax ~ 50 mT.

c. Ambele înfăşurări alimentate, amperspire diferenţiale. Bmax ~ 3.610-2 mT.

c. Ambele înfăşurări alimentate, amperspire diferenţiale. Bmax ~ 1.23 mT.

A. Miez din ferită + MFN 500 Gs. B. Miez din ferită + aer.

Fig. 21. Inducţia magnetică pezentată prin benzi de tuburi de flux magnetic fascicular, pentru diferite moduri de alimentare. Culorile şi dimesiunile sunt proporţionale cu amplitudinea locală a inducţiei magnetice. Fig. 21 arată câmpul magnetic obţinut de simularea numerică, prin tuburi de câmp ale căror culoare şi dimensiune sunt proporţionale cu amplitudinea locală a câmpului, pentru trei situaţii de alimentare. Problema electrostatică (12) este rezolvată că etapă finală în analiză staţionară.

Câmpul electrostatic Fig. 22 prezintă potenţialul electrostatic prin suprafeţe echipotenţiale, care dau o imagine a complexităţii cuplajelor capacitive ce

12

intervin în regimul cvasistaţionar prin curenţii de deplasare, care pot influenţa distribuţia câmpului magnetic.

A. Miez din ferită şi MFN. B. Miez din ferită şi aer.

Fig. 22. Potenţialul electrostatic. Valorile sunt în volţi, culoarea este proporţională cu amplitudinea. Tabelul III sintetizează valorile parametrilor de circuit concentraţi, obţinuţi folosind soluţiile numerice pentru cele trei probleme de câmp analizate: electrocinetic, electrostatic şi magnetic staţionar (CC).

TABELUL III. PARAMETRII TE-IPS-M CU NFM 500 GS ŞI AER. Parametrul Miez NFM 500 Gs Miez aer L11 [mH] 44.745 35.79 L12 [mH] 44.745 35.79 L22 [mH] 0.0446 35.74 k 9.98 9.99 C [nF] 0.1 59 R1,dc [Ω] 11.5798 10.609 R2,dc [Ω] 11.5798 10.782

Rezultatele în c.c. sant utilizate în faza de proiectare, pentru scopuri de testare. De asemenea, considerând că atunci când este utilizat ca FB-PT, transformatorul funcţionează că un dispozitiv de stocare magnetic (superpoziţia poate fi utilizată deoarece dispozitivul electromagnetic este linear iar fluxul magnetic fascicular asociat funcţiei de stocare este un câmp de c.c. [12]) iar componenta de câmp magnetic utilă este de c.c., aceşti parametri pot fi utilizaţi în dimensionarea partilor electronice auxiliare a etajului de conversie a energiei recoltate.

Câmpul electromagnetic în regim cvasisaţionar, armonic, permanent Când transformatorul este utilizat ca FB-PT, tensiunea principala este comutată on/off prin intermediul unui semnal PWM. Aşa cum s-a menţionat, transformatorul se comportă ca un inductor (sau că o pereche de inductoare cuplate) şi nu ca un transformator standard. Aceste conditii de functionare fac obiectul cercetărilor viitoare. Aici considerăm condiţiile de funcţionare standard ale transformatorului, când tensiunea primară este armonică. Problema de câmp electromagnetic (14) este rezolvată pentru o frecvenţă nominală de 500 kHz, pentru FB-PT cu miez din ferită şi NFM, şi 300 kHz pentru miez din ferită şi aer, pentru cele două scheme de alimenatre standard: circuit deschis, “gol” (primarul on, secundarul off), şi scurtcircuit, “sc” (primarul on, secundarul scurtcircuitat).

a. Primarul alimentat, secundarul în gol. a. Primarul alimentat, secundarul în gol.

13

b. Primarul este alimentat, secundarul este scurtcircuitat. b. Primarul este alimentat, secundarul este scurtcircuitat. A. Miez din ferită şi MFN. f = 300 kHz. B. Miez din ferită şi aer. f = 500 kHz.

Fig. 23. Inducţia magnetică în c.a. (at 300 kHz). Densitatea tuburilor de flux magnetic fascicular. Culoarea (roșu = mare, albastru = mic) și dimensiunea sunt proporționale cu magnitudinea locală. Bmax = 8 mT.

Fig. 23 prezinta inducţia magnetică prin tuburi de câmp fscicular. Amplitudinea tensiunii primare aplicate poate fi mai mică decât tensiunea nominală – pentru dimensionarea prototipului. Această decizie nu creează dificultăţi, având în vedere că materialele electromagnetice (cuprul, ferita, NFM, aer) au proprietăţi liniare care asigură scalabilitatea rezultatelor (valorile câmpului), respectiv invarianţa parametrilor de circuit derivaţi, atâta timp cât frecvenţa de lucru rămâne aceeaşi.

A. Miez din ferită şi MFN. f = 300 kHz. B. Miez din ferită şi aer. f = 500 kHz.

Fig. 24. Densitatea de curent electric hertzian, reprezentată prin tuburi de flux. Modelul cvasistationar (12) recunoaşte prezenţa şi efectele asociate densitatii de curent electric de deplasare JD jD la frecvente ridicate, aici 300 kHz, respectiv 500 kHz (Fig. 24), de ex. ca sursă secundară de câmp magnetic, suplimentar faţă de densitatea de curent electric de conducţie. Este de remacat distributia densităţii de curent electric de conducţie în condiţiile de functionare c.a. S-a arătat [12] că, pentru FB-PT-uri circulare, fluxul total al câmpului de scăpări (câmpul de c.a. din spaţiul dintre înfăşurări) în regiunile extrioare (periferice) al zonelor de curbură ale înfăşurărilor (în acest caz particular de FB-PT, înfăşurările sunt spiralate, circulare, conţinute în învelişul cilindric fabricat din ferită) este proporţional mai mare decât fluxul total din regiunile interioare. Acesta aspect este în concordanţă cu faptul că spirele interioare sunt mai mici şi înlănţuie mai puţin din câmpul de scăpări cu densitate de energie constantă, si contribuie astfel mai puţin la valoarea inductanţei de pierderi. În consecinţă, densitatea de curent electric prezintă valori locale mai ridicate în înfăşurările externe (cu roşu, Fig. 24). Acest aspect explică valorile de c.a mai mari ale rezistenţelor electrice. Aşa cum a fost subliniat, considerarea suprafeţei miezului pentru modelarea bobinelor nu furnizeaza informaţii consistente pentru determinarea contribuţiei marginilor bobinelor la rezistenţa de c.a.

Fig. 25. Distribuţia de c.a a curentului electric în înfăşurări. Miez din ferită şi aer. Secundarul (sus) este alimentat,

primarul (jos) este în gol. Tabelul IV rezuma parametrii circuitului compus obtinut din rezultatele simularii numerice pentru conditii de functionare in c.a.

14

TABELUL IV. PARAMETRII DE CIRCUIT AI FB-PT ÎN C.A. Parametrul Miez NFM 500 Gs (300 kHz) Miez aer (500 kHz)

L11,oc [mH] 0,148 0.598 L11,sc [mH] 0,148 0.591 R1,oc [Ω] 23.2 0.48537 R2,sc [Ω] 23.2 0.524 Xoc [Ω] 23.2+ 280.4j 1.872 Xsc [Ω] 23.2+ 280.4j 1.855

Aceaste date sunt utilizate în etapa de proiectare a FB-TP, pentru evaluarea prototipului. Transferul de căldură

Căldura degajată de FB-TP în mediul înconjurător este redată în Fig. 26. Sarcina termică a FB-TP cu NFM este produsă de alimentarea primarului (0.2106A/m2), în regim staţionar.

a. Suprafeţe izoterme în FB-TP cu miez din ferită şi NFM. b. Slice-uri de temperatură, culoarea este proporţională cu temperatura, cu Tmax = 295.32 K (negru) Tmin = 295 K (roşu).

Ambele înfăşurări sunt alimentate. Fig. 26. Distribuţia câmpului termic în regim staţionar.

FB-TP cu NFM este, practic, izoterm (la ~22ºC), aşa cum indică stratificarea suprafeţelor izoterme. In acest caz, intregul ansamblu considerat, exp., carcasa non-magnetica este inclusa. Aparent, FB-TP este izoterm, asa cum era de aşteptat, în limitele de funcţionare sigură pentru stabilitate termică. Acest fapt reprezintă un aspect pozitiv, sugerând că dispozitivul poate funcţiona corespunzător în condiţii dificile de temperatură ambientală. Activitatea III.3. Realizarea modelului functional al convertorului DC/DC cu integrare MEMS impreuna cu cablajele imprimate aferente III.3.1.Transformatorul planar cu circuit magnetic realizat din ferita si nanofluid magnetic Transformatorul planar cu circuit magnetic realizat din ferita si nanofluid magnetic este utilizat in circuite electronice ca transformator separator, in aplicatii de tip Harvesting Enery, in cazul nostru ca transformator separator in convertorul DC/DC. Utilizarea unui naofluid magnetic specific, cu magnetizatia de saturatie ridicata, intre 500 Gs si 1000 Gs, ca miez lichid, parte a circuitului magnetic elimina toate intrefierurile si liniile de camp magnetic de dispersie. Realizarea unui cuplaj magnetic imbunatatit se obtine prin forma constructiva a bobinelor planare. Utilizarea miezurilor magnetice din ferita suprapuse simetric, Fig. 27-29, in conjunctie cu nanofluidul magnetic specific pentru realizarea ansamblului circuit magnetic determina extinderea domeniului de frecventa de pina la 1000 Mhz. Nanofluidul magnetic este obtinut prin metoda co-precipitarii reprezentând o suspensie coloidala de nanoparticule de magnetita Fe3O4 acoperite cu un strat de surfactant acid oleic si dispersate in ulei de transformator, cu caracteristica magnetică ce necesita o magnetizatie de saturatie intre 500 Gs si 1000 Gs iar fractia volumica in intervalul 22-24%, valorile susceptivitatii magnetice initiale 4.224E-3 emu/Oe, respectiv 7.680E-3 emu/Oe si stabilitate cinetica. Transformatorul planar cu circuit magnetic realizat din ferita si nanofluid magnetic este alcătuit dintr-un ansamblu de bobine planare, un ansamblu circuit magnetic si un ansamblu carcasă. Ansamblul de bobine planare este format din patru bobine planare, Fig. 27, Fig. 35, respectiv două bobine planare primare 1a identice și două bobine planare secundare 1b, identice, dispuse fiecare pe cite o placa din sticlo-textolit de grosime 1mm si diametru in intervalul 35-45 mm, placate pe ambele fețe cu un strat de cupru de grosime 35 µm si realizate prin frezare cu un interstitiu in intervalul 0.2-0.5 mm dimensionat in functie de curentul vehiculat prin bobinele planare. - Fiecare bobină planară primară 1a este formată din două semibobine inseriate, dispuse față-verso, pe aceeași placă. Cele două semibobine au fiecare câte 20 de spire realizate prin frezare pe placă. Apoi cele doua semibobine se inseriază intre ele rezultand o bobină primară 1a. - Fiecare bobină planară secundară 1b este formată din două semibobine inseriate, dispuse față-verso, pe aceeași placă. Cele două semibobine au fiecare câte 20 de spire realizate prin frezare pe placă. Apoi cele doua semibobine se inseriază intre ele rezultand o bobină secundară 1b. Bobinele primare 1a, formate fiecare din câte 40 de spire se înseriază intre ele. Între acestea se află bobinele secundare înseriate intre ele, formate de asemenea fiecare din câte 40 de spire. Toate bobinele sunt izolate între ele prin trei izolații 2 din hostaphan (polietilen tereftalat), de grosimea 0.1 mm. Ansamblul de bobine planare se fixează față de cele două miezuri magnetice superior 4a si inferior 4b prin intermediul a doi distanțieri 3a și 3b realizati din sticlotextolit, Fig. 35. Ansamblul circuit magnetic, este alcătuit din:

15

-două miezuri magnetice superior 4a si inferior 4b, de tip oală 3F3, identice, din ferită, suprapuse simetric conform Fig. 27, Fig. 29 si Fig. 35;

- un miez lichid format dintr-un nanofluid magnetic 5, in care sunt imersate ansamblul de bobine si cele doua miezuri magnetice 4a si 4b, plasate in ansamblul carcasa. Rolul nanofluidului magnetic 5, este de a elimina toate intrefierurile si implicit liniile de camp magnetic de dispersie, Fig. 33. Acest nanofluid magnetic 5, este obtinut prin metoda co-precipitarii, reprezentând o suspensie coloidala de nanoparticule de magnetita (Fe3O4), acoperite cu un strat de surfactant acid oleic si dispersate in ulei de transformator. Pentru a fi utilizat ca miez lichid de transformator, nanofluidul magnetic 5, necesita stabilitate coloidala, caracteristici adaptate conditiilor de functionare si compatibilitate functionala cu materialele electrotehnice cu care se afla in contact. Caracteristica magnetică este cea mai importantă pentru aceasta utilizare necesitând o magnetizatie de saturatie ridicata, intre 500 Gs si 1000 Gs. Fractia volumica (raportul dintre volumul nanoparticulelor de magnetita si volumul intregului nanofluid magnetic) s-a obtinut in intervalul 22-24%, determinind magnetizatia de saturatie intre valorile 500 Gs si 1000 Gs. In urma caracterizarii magnetice (conform Fig. 30), magneto-reologice (conform Fig. 31) si termice (conform Fig. 32) a nanofluidelor magnetice, la 500 Gs si la 1000 Gs, au rezultat urmatoarele:

- din curbele de magnetizatie conform Fig. 30 se obtin valorile susceptivitatii magnetice initiale 4.224E-3 emu/Oe, respectiv 7.680E-3 emu/Oe;

- din determinarile experimentale magneto-reologice, conform Fig. 31 a rezultat ca nanofluidele magnetice cu magnetizatiile de saturatie 500 Gs si 1000 Gs se comporta cvasi-Newtonian (vascozitatea este independenta de viteza de forfecare aplicata). Aceasta demonstreaza stabilitatea cinetica deosebita a probelor. De asemenea, pe intervalul testat respectiv intre 25°C si 65°C, viscozitatea scade cu cresterea temperaturii.

- din determinarile experimentale magneto-reologice, conform Fig. 31 se observa o crestere a vascozitatii in prezenta campului magnetic extern, deci particulele incep sa formeze mici aglomerate, efectul saturandu-se la valorile mari ale inductiei B.

- din determinarile experimentale ale conductivitatii termice, efective a nanofluidelor magnetice, conform Fig. 32, realizate pentru intervalul de temperatura 25°C – 65°C, a rezultat ca valorile conductivității termice sunt cvasi-constante cu cresterea temperaturii (variatia pe intervalul analizat situandu-se sub 2%, pentru ambele nanofluide magnetice), in timp ce dublarea magnetizatiei de saturatie conduce la o crestere cu 65 % a conductivitatii termice efective.

Ansamblul carcasă in care sunt imersate in nanofluidul magnetic atit ansamblul bobine cit si ansamblul circuit magnetic, se compune din cuva 6, realizata din aliaj duraluminiu 7075-T6, capacul 7, din aliaj duraluminiu 7075-T6, garnitura 8 cu rol de etansare si un șurub central 9 din alama CuZn 37, care fixeaza ansamblul circuit magnetic si ansamblul bobine planare, de cuva 6, Fig. 27, Fig. 28. Capacul 7 contine: o placuta cu borne 10, un sistem de alimentare cu nanofluid magnetic 11, alcatuit dintr-un ștuț de alimentare 12, un capac ștuț 13, o garnitura ștuț 14 si patru șuruburi de fixare 15. Transformatorul planar mai conține patru șuruburi 16 cu rol de fixare in cadrul aplicatiilor specifice în care se utilizează. Miniaturizarea constructiva a transformatorului planar conform inventiei se realizeaza prin: forma constructiva a bobinelor planare, 1a si 1b si utilizarea miezurilor magnetice din ferita tip 3F3, 4a si 4b, suprapuse simetric in conjunctie cu nanofluidul magnetic specific 5, pentru realizarea ansamblului circuit magnetic.

Fig. 27. Secțiune prin transformatorul planar cu circuit magnetic

realizat din ferita si nanofluid magnetic. Fig. 28. Secțiune prin ansamblul carcasă.

A. B.

16

C.

Fig. 29. Bobina planara A, miezurile magnetice din ferita B si dispunerea bobinelor planare in miezurile magnetice din ferita, C-realizari practice.

Fig. 30. Curbele de primă magnetizare pentru probele MF1000 respectiv MF500 corespunzatoare magnetizatiilor de saturatie la

1000 Gs respectiv 500 Gs.

Fig. 31. Curbele de vascozitate pentru probele MF 1000 si MF 500 la temperaturile t = 25, 35, 45, 55, 65 °C si pentru diferite valori ale

inductiei campului magnetic.

Fig. 32. Variatia conductivitatii termice efective cu temperatura, pentru probele MF 1000 si MF 500.

A. Nanofluid magnetic cu magnetizatia de saturatie

500 Gs. B. Nanofluid magnetic cu magnetizatia de saturatie

1000 Gs. Fig. 33. Spectrul liniilor de câmp magnetic in cazul alimentarii transformatorului planar pe la cele două bobine primare.

Fig. 34. Capturi de osciloscop ale formelor de unda pentru tensiunea primară de excitatie (2) si pentru tensiunea din secundarul

transformatorului (1), pentru frecventa 500,3 kHz.

17

Fig. 35. Transformatorul planar cu circuit magnetic realizat din ferită si nanofluid magnetic – vedere explodata. Realizarea formei constructive, precum si caracteristicile transformatorului, conduc la posibilitatea folosirii in aplicatii ale convertoarelor DC/DC cu utilizare in domeniul Harvesting Energy, in domeniul extins de frecventa 500 – 1000 Mhz, Fig. 34. In Fig. 36 este prezentat ansamblul carcase-realizare practica, iar in Fig. 37 este prezentat transformatorul planar cu circuit magnetic realizat din ferită si nanofluid magnetic-realizare practică.

Fig. 36. Transformatorul planar cu circuit magnetic realizat din

ferită si nanofluid magnetic, ansamblul carcasă realizare practică.

Fig. 37. Transformatorul planar cu circuit magnetic realizat din ferită si nanofluid magnetic, realizare practică.

III.3.2. Realizarea cablajelor imprimate aferente convertorului DC/DC cu integrare MEMS Circuitele imprimate proiectate cu ajutorul programului CAD, au fost realizate printr-un procedeu electrochimic.

Fig. 38. Circuitul imprimat al convertorului DC/DC, realizare practica.

In Fig. 38. se prezinta circuitul imprimat al convertorului DC/DC, realizare practica. III.3.3. Realizarea convertorului DC/DC cu integrare MEMS, model functional In figura Fig. 39 este prezentat convertorul DC/DC, model functional, realizare practica.

Fig. 39. Convertorul DC/DC, model functional, realizare practica.

18

In cadrul acestei activitati s-a realizat plantarea tuturor componentelor, conform cu Activitatea III.2. S-au efectuat masuratori experimentale asupra transformatorului planar cu circuit magnetic realizat din ferită si nanofluid magnetic. Masuratorile au fost realizate masuratori statice atat pentru transformatorul fara nanofluid magnetic cat si cu tranformatorul avand ca miez lichid nanofluid magnetic cu magnetizatia de saturatie de 500G. Valori masurare cu puntea Precision LCR Meter Agilent E 4980A, pentru schema echivalenta Lp1 – Rp1 dispuse in paralel LEGENDA Lp1 - inductivitatea bobinei primare, corespunzatoare unei scheme echivalente Lp1 – Rp1 dispuse in paralel Lp2 - inductivitatea bobinei secundare, corespunzatoare unei scheme echivalente Lp2 – Rp2 dispuse in paralel D1 - tangenta unghiului de pierderi pentru bobina primara D2 - tangenta unghiului de pierderi pentru bobina secundara Q1 - factorul de calitate pentru bobina primara Q2 - factorul de calitate pentru bobina secundara G1 - conductanta (1/ Rp1) bobinei primare corespunzatoare unei scheme echivalente Lp1 – Rp1 dispuse in paralel G2 - conductanta (1/ Rp2) bobinei secundare corespunzatoare unei scheme echivalente Lp2 – Rp2 dispuse in paralel Rp1 - rezistenta bobinei primare corespunzatoare unei scheme echivalente Lp1 – Rp1 dispuse in paralel Rp2 - rezistenta bobinei secundare corespunzatoare unei scheme echivalente Lp2 – Rp2 dispuse in paralel TABELUL V Infasurarea primara - Fără fero-fluid k = 1, Lp – Rp LEVEL = 2V

Infasurarea primara - Fără fero-fluid f 100 kHz 150 kHz 200 kHz 250 kHz 300 kHz Lp1 [mH] 3,672 2,129 1,378 0,981 0,75 D1 [-] 4,45 3,743 3,117 2,647 2,3 Q1 [-] 0,23 0,27 0,32 0,38 0,44 G1 [mS] 1,92 1,865 1,793 1,712 1,624 Rp1 [Ω] 520 536,32 557,58 584,25 615,78 Rdc1 [Ω] 10,64 10,64 10,64 10,64 10,64

TABELUL VI Infasurarea secundara - Fără fero-fluid k = 1, Lp – Rp

LEVEL = 2V Infasurarea secundara - Fără fero-fluid

f 100 kHz 150 kHz 200 kHz 250 kHz 300 kHz Lp2 [mH] 2,89 1,615 1,051 0,764 0,600 D2 [-] 3,292 2,6 2,091 1,739 1,488 Q2 [-] 0,3 0,38 0,48 0,57 0,67 G2 [mS] 1,8 1,705 1,581 1,448 1,314 Rp2 [Ω] 553,5 586,64 632,47 690,75 761 Rdc2 [Ω] 10,8 10,8 10,8 10,8 10,8

TABELUL VII Infasurarea primara - Cu fero-fluid k = 1, Lp – Rp LEVEL = 2V

Infasurarea primara - Cu fero-fluid f 100 kHz 150 kHz 200 kHz 250 kHz 300 kHz Lp1 [mH] 3,23 1,725 1,1 0,79 0,614 D1 [-] 4,34 3,30 2,64 2,21 1,92 Q1 [-] 0,23 0,3 0,38 0,45 0,52 G1 [mS] 2,13 2,03 1,91 1,78 1,65 Rp1 [Ω] 470 492 522 560 602 Rdc1 [Ω] 10,62 10,62 10,62 10,62 10,62

TABELUL VIII Infasurarea secundara - Cu fero-fluid k = 1, Lp – Rp

LEVEL = 2V Infasurarea secundara - Cu fero-fluid

f 100 kHz 150 kHz 200 kHz 250 kHz 300 kHz Lp2 [mH] 1,9 1,09 0,782 0,635 0,555 D2 [-] 2,143 1,54 1,22 1,024 0,89 Q2 [-] 0,46 0,64 0,81 0,97 1,11 G2 [mS] 1,788 1,5 1,246 1,029 0,859 Rp2 [Ω] 559 664 802.54 971 1160 Rdc2 [Ω] 10,8 10,8 10,8 10,8 10,8

Tabelele TABELUL V - TABELUL VIII demonstreaza ca transformatorul planar cu circuit magnetic realizat din ferită si nanofluid magnetic corespunde proiectului de convertor DC/DC, proiectat in cadrul Activitatii III.2.

19

Activitatea III.4. Experimentarea modelului functional al convertorului DC/DC cu integrare MEMS pentru mai multe tipuri de sarcini III.4.1. Masuratori experimentale in regim dinamic efectuate asupra transformatorului planar cu circuit magnetic realizat din ferită si nanofluid magnetic Pentru a realiza masuratori experimentale in regim dinamic, transformatorul este montat intr-o schema electronica de incadrare ca in Fig. 40. Secundarul transformatorului este conectat la canalul 1 al osciloscopului digital TDS 2012B. De la un generator de functii arbitrare FLUKE PM 5138A s-a stabilit un semnal de excitatie cu o forma de unda dreptunghiulara, cu parametrii: A=10Vvv, k=50%, f=100 kHz ... 1000 kHz. Semnalul cules de la generatorul de functii arbitrare este de asemenea aplicat pe canalul 2 al osciloscopului digital TDS 2012B.

Fig. 40. Circuit electronic de testare pentru transformatorul planar cu circuit magnetic realizat din ferită si nanofluid magnetic.

In urma efectuarii testelor, s-au obtinut capturile din Fig. 41.

A. Forma de undă de pe secundarul transformatorului pentru frecvența de 100 kHz, evidențiată cu galben. Cu albastru este evidențiată forma de unda a generatorul de

functii arbitrare.

B. Forma de undă de pe secundarul transformatorului pentru frecvența de 200 kHz, evidențiată cu galben. Cu albastru este evidențiată forma de unda a generatorul de

functii arbitrare.

C. Forma de undă de pe secundarul transformatorului

pentru frecvența de 300 kHz, evidențiată cu galben. Cu albastru este evidențiată forma de unda a generatorul de

functii arbitrare.

D. Forma de undă de pe secundarul transformatorului pentru frecvența de 400 kHz, evidențiată cu galben. Cu albastru este evidențiată forma de unda a generatorul de

functii arbitrare.

+ Vcc = 12Vcc

BD 139

BD 140

R1 10 Ω

T1

T2 R2 10 KΩ

T3 G4PF50W

R3 470 Ω

Tr.1 1:1

R4 470 Ω

Către Canal 1

Osciloscop

-VEE

C1 0,022µF

Generator de funcții arbitrare 10Vvv, k=50% f=100 kHz ... 500 KHz

20

E. Forma de undă de pe secundarul transformatorului

pentru frecvența de 500 kHz, evidențiată cu galben. Cu albastru este evidențiată forma de unda a generatorul de

functii arbitrare.

F. Forma de undă de pe secundarul transformatorului pentru frecvența de 600 kHz, evidențiată cu galben. Cu albastru este evidențiată forma de unda a generatorul de

functii arbitrare.

G. Forma de undă de pe secundarul transformatorului

pentru frecvența de 700 kHz, evidențiată cu galben. Cu albastru este evidențiată forma de unda a generatorul de

functii arbitrare.

H. Forma de undă de pe secundarul transformatorului pentru frecvența de 1000 kHz, evidențiată cu galben. Cu albastru este evidențiată forma de unda a generatorul de

functii arbitrare. Fig. 41. Formele de undă de pe secundarul transformatorului pentru frecvențe cuprinse intre 100 kHz-1000 kHz.

III.4.2. Experimentarea modelului functional al sistemului de conversie fotovoltaica, ca sursa de tensiune pentru convertorul DC/DC Caracteristicile curent electric - tensiune determinate pentru modulul fotovoltaic compus din patru module de tip CONRAD policristalin, au fost stabilite pentru o expunere la următoarele tipuri de radiație: 1000 W/m2, 100 W/m2, 200 W/m2, 400 W/m2, 700 W/m2, 400 nm (echivalent 33 W/m2) și 900 nm (echivalent 61 W/m2). Cele 4 module de tip CONRAD cu tensiunea de 9V au fost cuplate 2 în serie și 2 în paralel obținându-se o configurație cu o suprafață totală de 492 cm2. Suprafața unei singure celule este de 3,42 cm2. Întregul modul este cumpus de 4 șiruri de celule cuplate în configurație paralel, fiecare șir având fiecare 36 de celule cuplate în serie. Celula de monitorizare cu care este dotat echipamentul ca relulă de referință are seria 0020003500000592, sensibilitatea de 135.810 mV/(kW/m²) și coeficientul de temperatură considerat 0.00%/°C. Temperatura monitorizată a fost de aproximativ 20°C. Diagramele au fost obtinute cu ajutorul simulatorului solar Pasan Meyer Burger HighLight 3.

Fig. 42. Simulator solar Pasan Meyer Burger HighLight 3, vedere dinspre sursa de radiatie.

S-a procedat la aplicarea unor masti, precum si la aplicarea unor filtre.

21

Fig. 43. Testarea sistemului de conversie fotovoltaica pentru o

iradiere de 100 W/m2. Fig. 44. Testarea sistemului de conversie fotovoltaica pentru o

iradiere de 200 W/m2.

Fig. 45. Testarea sistemului de conversie fotovoltaica pentru o

iradiere de 400 W/m2. Fig. 46. Testarea sistemului de conversie fotovoltaica pentru o

iradiere de 700 W/m2.

Fig. 47. Testarea sistemului de conversie fotovoltaica pentru o iradiere de 1000 W/m2.

Din analiza grafică a caracteristicilor curent electric – tensiune, Fig. 43-47, se poate observa fenomenul de schimbare parțială a pantei curentului care pentru valori mari ale radiației se produce la tensiuni relativ mici (4,5 V pentru 1000 W/m2), iar pe măsură ce radiația solară scade modificarea pantei curentului se deplasează spre valori mai mari ale tensiunii ajungând să fie insesizabilă (în cazul filtrului de 400 nm). Modificarea se datorează indicelui de refracție al materialului protector care tinde să reflecte mai mult pe măsură ce radiația crește, iar suprafața de separare constituită practic din cele două medii are rol de atenuator. Ar putea exista și fenomenul de polarizare a materialului protector aspecte justificate de absența acestuia în cazul valorilor reduse ale radiației solare. III.4.3 Experimentarea modelului functional al convertorului DC/DC cu integrare MEMS cuplat cu sistemului de conversie fotovoltaica ca sursa de tensiune, pentru mai multe tipuri de sarcini, corespunzatoare senzorilor wireless utilizati Prezentare retea senzori Reteaua de senzori realizata pe platforma de comunicatie Wunderbar IOT Starter produsa de Relayr este un sistem WI-FI complet portabil, low-power avand in compunere 7 mini module hardware care pot fi detasabile unul de celalalt și plasate in zonele de masura pentru achizitia datelor, [25]. Acestea includ 5 placi de senzori, un modul tip bridge pentru conectarea senzorilor suplimentari compatibili din gama Arduino, Strawbery Pi, dispozitive Seed Studios, pentru a fi interfatati cu platforma Wunderbar și un modul master care transmite pachetele de informații de la senzor spre routerul WI-FI, Fig. 48. Fiecare modul are in dotare facilitatea Bluetooth Low Energy (BLE), switch on/off, precum și o baterie de alimenare tip CR2032 de 3V la bord.

22

Fig. 48. Arhitectura de amplasare a retelei de senzori.

Mini-modulele de senzori achizitioneaza, prelucreaza si transfera informatia pentru urmatorii parametrii: luminozitate, culoare, distanta, zgomot, temperatură, umiditate, in plus exista un accelerometru, un giroscop, transmitator in infra-roșu (IR) cu capacitatea de control de la distanță. Platforma Wunderbar are disponibilitate de descărcare pentru diverse kituri de dezvoltare software (SDK) pentru IOS, Android și Node js. inclusiv pentru aplicațiile de testare care pot fi descărcate de la relayr.io, folosind SDK-urile aplicatiei open source. Din punct de vedere constructiv, fiecare dintre modulele Wunderbar are un receptor tip Nordic Semiconductor nRF51 SoC care citește senzorul (e) la bord și utilizează Bluetooth LE (4.0) pentru a comunica cu "modulul master", care incarcă apoi datele către Relayr nor. Totodata nRF51 comunica cu MQTT, care este un protocol de publicare abonare conceput pentru aplicații de putere foarte mici IO. Modulul de master foloseste un nRF51 pentru a comunica cu modulele de senzori, un Gainspan GS1500m pentru a se conecta la o rețea Wi-Fi locală și un Freescale Kinetis K-series de tip ARM Cortex M4 procesor asociat cu retele tip gazda MQTT server, autentificarea cu Relayr nor, etc.

Fig. 49. Procesul transferului de date intre senzori si utilizator (telefon/laptop).

Pentru a putea utiliza platforma Wunderbar, Relayr este necesar ca aparatul să treacă printr-o procedura denumita "Onboarding" pentru asocierea dispozitivului la rețeaua specializata intre router și norul de date Relayr, Fig. 49. Modulul de comunicatie master Modulul master, Fig. 50, realizeaza transferul de date Wi-Fi și Bluetooth, Low Energy (BLE) intre senzori si router.

Fig. 50. Modulul master de comunicatie.

Specificatii tehnice: Microcontroller tip NXP ARM 1800-Series Coretex-M3 Processor: NXP LPC1837 Cortex M3 Clock Speed: 180MHz Flash: 1024 kB RAM: 136 kB IO: 12 exposed GPIO pads, including 4 ADC, SPI, I2C and SDIO WiFi: IEEE 802.11b/g/n, WPA/WPA2, full TCP/IP stack including TLS Bluetooth LE 3.3V regulator including Li-Ion/LiPo charger USB OTG Wi-Fi Master Module + Bluetooth Low Energy (BLE) Core Microcontroller: Freescale Kinetis Series, 32-bit ARM Cortex-M4 with DSP instructions MK24FN1M0VDC12 Clock Speed: 120 MHz

23

Flash: 1024 KB SRAM: 250 KB WiFi Module: Gainspan GS1500M IEEE 802.11b/g/n, WPA/WPA2, full TCP/IP, SSL/TLS Bluetooth Low Energy (BLE): Nordic nRF51822 ARM Cortex-M0, Bluetooth 4.0 IO: 12 exposed GPIO pads, including 4 ADC, SPI, I2C and SDIO Power Supply: 3.3 V regulator including Li-Ion/Li-Po charger USB: Full-speed USB w/OTG controller 32 kHz Xtal oscillator for RTC Module de senzori Cuprind șase senzori smart structurati in mini-module detasabile si anume: - TAOS TCS3771 senzor de culoare RGB și senzor de proximitate - HTU21D MEAS senzor de temperatura și senzor de umiditate relativă - MPU-6500 accelerometru și giroscop - SPU0410HR5H senzor de nivel de zgomot - emițător IR personalizabil - modul tip bridge, pentru conectarea senzorilor suplimentari compatibili din gama Arduino, Strawbery Pi, dispozitive tip Seeed Studios Specificatii tehnice: - mini module de senzori BLE: light, colour, distance, temperature, humidity, control (IR), accelerometer, gyroscope si bridge connector - microcontroller de bază: Nordic nRF51822 BLE (ARM Cortex-M0, Bluetooth LE 4.0 stivă) - Processor: Cortex®-M0 Clock Speed: IO: 8 exposed GPIO pads, - include SPI, I2C, TWI, UART, ADC 32 kHz Xtal oscillator - temperatura / umiditate - caracteristici HTU21D, senzor digital al umidității relative și a temperaturii. - accelerometru & Gyro - caracteristici MPU-6500 cu șase axe (giroscop + accelerometru) dispozitiv MEMS MotionTracking. - lumină / de proximitate - caracteristici TCS37717 sensibilitate ridicată RGB senzor de culoare și detector de proximitate. - emițător IR - Caracteristici SFH4441 de mare putere emițător infraroșu, 950 nm, pachet special, jumătate unghi ± 17 °. - microfon Senzor / Zgomot - Caracteristici SPQ0410HR5H-B, o miniatură, de înaltă performanță, microfon redus de energie de siliciu. - adaptor accesoriu / punte - Caracteristici conector cu 4 pini compatibil pentru Grove add-on panouri și senzori. In Fig. 51 si Fig. 52 sunt prezentate tipodimensiunile senzorului pentru temperatura si umiditate, interfata de date cu valorile nominale achizitionate in timp real precum si o varianta de achizitie sub forma de grafic cu citire a temperaturii la interval de 1 minut.

Fig. 51. Modulul senzor si interfata de date pentru temperatura si umiditate. Fig. 52. Interfata achizitie temperatura functie de

timp.

Fig. 53. Interfata de date in timp real corespunzatoare senzorilor de luminozitate/ proximitate si microfon.

24

Fig. 54. Modulul senzor si interfata de date in timp real pentru accelerometru si giroscop.

In Fig. 53. Se prezinta interfata de date in timp real corespunzatoare senzorilor de luminozitate/ proximitate si microfon, iar in Fig. 54. modulul senzor si interfata de date in timp real pentru accelerometru si giroscop. Activitatea III.5. Prepararea probelor optimizate necesare de nanofluid magnetic pentru utilizare ca miez lichid in micro-transformatorul planar MEMS, din componenta sistemului hibrid pentru mai multe dilutii III.5.1. Prepararea probelor conform tehnologiei stabilite în Etapa II

Ca lichid de bază s-a optat pentru uleiul MOL TO 40, cu excelente proprietăți electrice. Uleiul electroizolant poate fi utilizat în condiții de exploatare până la valori de tensiune de 120 kV și putere de 40 MWA. Uleiul MOL TO 40 este un ulei mineral cu compoziție naftenică, obținut din uleiuri de bază înalt rafinate. Uleiul este de asemenea aditivat cu un agent antioxidant, asigurându-i astfel stabilitate la oxidare. Magnetita este oxidul de fier care prezintă cea mai mare valoare a magnetizației de saturație, oferind prin urmare cel mai bun răspuns magnetic. Stabilizarea acestor particule magnetice cu acid oleic, un acid gras mononesaturat (hidrofob), permite dispersia totală a nanoparticulelor magnetice în lichidul de bază (ulei MOL TO 40) și astfel obținerea de fracții volumice mari de nanoparticule magnetice. În Tabelul IX sunt prezentate proprietățile fizice ale celor două nanofluide magnetice, determinate la temperatura de 25 ºC: Ms – magnetizația de saturație; φ – fracția volumică a nanoparticulelor, η – viscozitatea dinamică; λ – conductivitatea termică. TABELUL IX. Proprietăți fizice ale probelor de nanofluid magnetic, determinate la temperatura de 25 oC Indicativ proba Ms

[Gs; kA/m]

[%]

at t=25oC

[g / cm3]

η [Pa· s]

λ [W/m·K]

MF 1000 988 Gs = 91.72 kA/m 26.89 1.8777 1.197 0.2709

MF 500 509 Gs = 40.50 kA/m 11.88 1.4236 0.055 0.1647

III.5.2. Determinarea proprietăților magnetice Curba de magnetizare primară M(H) a fiecărei probe a fost determinată cu magnetometrul VSM 880, DMS/ADE Technologies, USA. A fost utilizat un sample holder cilindric de înălțime H = 2.7 mm și diametru D = 5.5 mm. În Fig. 55 si Fig. 56 se prezintă curbele de magnetizare ale celor două nanofluide și de parametrii caracteristici, iar în Anexa 1 sunt prezentate datele primare ale masurătorilor magnetice.

Fig. 55. Curba de magnetizare M (H) și parametrii caracteristici

pentru proba MF 500. Fig. 56. Curba de magnetizare M (H) și parametrii caracteristici

pentru proba MF 1000. III.5.3. Determinarea proprietăților reologice și magneto-reologice Rezultate experimentale

Au fost măsurate curbele de curbele de vascozitate la diverse temperaturi, t = 25, 35, 45, 55 și 65 ºC, și la diferite valori ale inductiei campului magnetic in proba, fixând timpul de măsurare la 4 sec. / punct – Fig. 59. Pentru proba MF 1000, la t = 25 ºC, valorile inductiei câmpului magnetic în probă au fost următoarele: B = 0; 14; 33; 75; 117; 161; 249; 336; 508 mT, corespunzatoare valorilor I = 0; 0.1; 0.25; 0.5; 0.75; 1.0; 1.5; 2.0; 3.0 A, ale intensitatii curentului in bobina celulei MR. Deoarece cresterea relativa a vascozitaii induse de aplicarea campului magnetic (efectul magnetovascos) a fost foarte mica, la celelalte temperaturi (t > 25oC) curbele de vascozitate au fost masurate doar la valorile extreme ale lui B. Pentru proba mai diluata MF 500 s-au aplicat doar valorile ale inductiei câmpului magnetic B = 0; 500 mT, corespunzatoare valorilor I = 0; 3.0 A. Subliniem ca inductia campului magnetic in proba depinde de permeabilitatea magnetica relativa a probei, de aceea valorile ei in probe diferite are valori diferite pentru aceeasi valoare a intensitatii curentului aplicat pe bobina celulei magnetoreologice.

25

Fig. 59. Curbele de curbele de vascozitate masurate pentru probele MF 1000 si MF 500 la diverse temperaturi si pentru diferite valori ale inductiei campului magnetic in proba. La t > 25oC curbele de vascozitate au fost masurate

doar la valorile extreme ale lui B : B = 0 - cercuri goale, respectiv 0B - cercuri pline. Cresterea relativa a vascozitatii functie de inductia campului magnetic extern:

)()0(

Bf

(14)

adica efectul magnetovascos (efectul MV) la viteza de forfecare pentru ambele probele este prezentat in Fig. 60.

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 00 . 0 0

0 . 0 5

0 . 1 0

0 . 1 5

0 . 2 0

0 . 2 5

0 . 3 0

0 . 3 5

0 . 4 0

0 . 4 5

/ ( 0 ) [ - ]

B [ m T ]

M V e f f e c tS a m p le s : M F 1 0 0 0 a n d M F 5 0 0

= 1 0 0 s

- 1:

, t = 2 5 o C

, t = 3 5 o C

, t = 4 5oC

, t = 5 5 o C

, t = 6 5 o C

Fig. 60. Efectul magnetovascos la , pentru diverse temperaturambele probe.

Datele vascozitate-temperatura la valorile extreme ale inductiei c.m. aplicat sunt bine descrise de o formula tip Arrhenius. Fig. 61. prezinta corelarea acestor date pentru toate probele, la valorile extreme ale inductiei campului magnetic in proba, pentru valoarea

a vitezei de forfecare, cu formula:

ref

aaTT RT

E

RT

Eref

exp ,

(15)

unde refT [Pa s] = vâscozitatea la temperatura de referinţă refT , T [Pa s] = vâscozitatea la o temperatură absolută oarecare T, Ea

[J / mol ] = energia de activare a curgerii vâscoase, R = 8.314 J / mol K = constanta universală a gazelor.

Ea se utilizează ca parametru de fit (iar refT se ia din tabelul de măsurători). La noi KTref 2515.273 . Valorile obţinute

pentru parametrul de fit (Ea) pentru cele doua valori extreme ale campului magnetic aplicat sunt trecute în legenda figurii.

20 30 40 50 60 7010-2

10-1

100

101

[Pas]

t [oC]

Arrhenius fits

= 100 s-1:Sample: MF 1000

B = 0 mT: Ea = 36.24 J / mol B = 508 mT: Ea = 36.15 J / mol

Sample: MF 500 B = 0 mT: Ea = 39.18 J / mol B = 500 mT: Ea = 38.54 J / mol

Fig. 61. Dependenta vascozitatii de temperatura la valorile extreme ale inductiei campului magnetic in proba – ambele probe.

26

Ambele probe dovedesc o stabilitate cinetica deosebita, atat in absenta, cat si in prezenta unui camp magnetic aplicat. Efectul magnetovascos este nesemnificativ la valorile investigate ale campului magnetic aplicat si la temperaturile analizate. III.5.4. Determinarea conductivității termice Rezultate experimentale Măsurătorile de conductivitate termică au fost realizate la aceleași temperaturi pentru care s-au efectuat măsurătorile reologice și magneto-reologice, și anume: 25, 35, 45, 55 and 65 °C, atât pentru lichidul de bază MOL TO40A, cât și pentru cele două nanofluide magnetice MF 500 și MF 1000. Pentru determinarea conductivității termice la temperaturile precizate, a fost impusă o diferență de temperatură de 10 °C între cele două plăci. Grosimea stratului de lichid a fost determinată automat, rezultând următoarele valori: 4.99±0.00254 mm (uleiul de transformator MOL, UTR_TO40A), 4.96±0.00254 mm (nanofluidul magnetic MF 500), 5.19±0.00254 mm (nanofluidul magnetic MF 1000). Pentru cele trei probe au fost impuse aceleași condiții pentru echilibrul termic, necesar în vederea obținerii valorii conductivității termice. Dependența conductivității termice de temperatură este prezentată în Fig. 62.

Fig. 62. Dependența conductivității termice de temperatură, pentru lichidul de bază (UTR_TO40A) și probele MF 500 și MF 1000.

Se observă o creștere a conductivității termice a celor două probe de nanofluid magnetic față de lichidul de bază, proporțional cu fracția volumică. Rezultatul este în concordanță cu alte rezultate experimentale pentru nanofluide magnetice [30, 31]. Din datele experimentale a rezultat o creștere relativă a conductivității termice cu 116% pentru MF 1000, respectiv cu 30 % pentru MF 500, față de lichidul de bază. De asemenea, pentru intervalul de temperatură analizat, conductivitatea termică nu a variat semnificativ cu temperatura, atât în cazul lichidului de bază cât și al celor două probe de nanofluid magnetic. III.5.5. Prepararea probelor optimizate necesare de nanofluid magnetic pentru utilizare ca miez lichid in micro-transformatorul planar MEMS din componenta sistemului hibrid, pentru diferite dilutii

Calitatea nanofluidelor magnetice obținute este legată de numeroase detalii ale procesului de sinteză a NPM și de stabilizarea/dispersarea lor în lichidul de bază. Dintre acestea menționăm: temperatura de coprecipitare, raportul molar Fe2+ la Fe3+, viteza de agitare, temperatura de chemisorbție, timpul de reacție ș.a. Un aspect esențial este acoperirea completă a NPM cu stabilizant și eliminarea surfactantului primar (OA) rămas neadsorbit chimic. Prin floculare/redispersare repetată NPM rămân acoperite cu cantitatea optimă de surfactant. Caracteristicile de bază ale probelor optimizate de nanofluid magnetic, preparate de Partenerul P3 – ARFT în cadrul Activității III.5, se regăsesc în Tabelul X.

TABELUL X

Nr. Crt.

Cod probă Descriere probă Densitate, ρ [g/cm3]

22 °C

Fracție volumică,

ϕ [%]

Magnetizație nominală,

M [G]

Magnetizație de saturație, Ms [G]

1 161101-2 FM/UTR 4T (Fe3O4-

OA) - 23,64 1000 1013

2 161103-3 FM/UTR 4T (Fe3O4-

OA) 1,810 21,54 900 923

3 161111-2 FM/UTR 4T (Fe3O4-

OA) 1,5964 16,814 700 724

4 161110-1 FM/UTR 4T (Fe3O4-

OA) 1,3728 13,35 600 572

5 161103-1 FM/UTR 4T (Fe3O4-

OA) 1,3677 11,13 500 477

Activitatea III.6. Determinarea experimentala a proprietatilor magnetice, reologice si termice ale probelor de nanofluid magnetic pentru diluțiile preparate III.6.1. Determinarea proprietăților magnetice

Pentru determinarea proprietăților magnetice s-a utilizat magnetometrul VSM 880, DMS/ADE Technologies, USA. A fost utilizat un sample holder cilindric de înălțime H = 2.7 mm și diametru D = 5.5 mm. În Fig. 63 – 66. se prezintă curbele de magnetizare și de parametrii caracteristici.

27

Fig. 63. Curba de magnetizare primară și parametrii caracteristici

pentru proba MF-UTR_1000. Fig. 64. Curba de magnetizare primară și parametrii

caracteristici pentru proba MF-UTR_900.

Fig. 65. Curba de magnetizare primară și parametrii

caracteristici pentru proba MF-UTR_700. Fig. 66. Curba de magnetizare primară și parametrii

caracteristici pentru proba MF-UTR_500. III.6.2. Determinarea proprietăților reologice și magneto-reologice Rezultate experimentale

Măsurătorile experimentale au fost efectuate cu acelasi reometru Physica MCR 300, utilizat in etapa anterioara a proiectului (cu celula magnetoreologica PP20/MRD/TI-SN18581, cu distanta intre placi fixata tot la valoarea h = 0.2 mm).

Au fost masurate curbele de curbele de vascozitate ale probelor pe domeniul de viteze de forfecare 110005 s la

temperatura t = 25 ºC, si la diferite valori ale inductiei campului magnetic in proba: B = 0, 75, 161, 336, 508 mT. Ele sunt prezentate in Fig. 67, alaturi de curba de vascozitate a uleiului MOL TO 40, utilizat la lichid de baza pentru aceste lichide magnetice. Deoarece datele pentru probele MF 477 si MF 572 se suprapun, am reprezentat separat curbele de vascozitate ale probei MF 572.

101 102 103

10-2

10-1

100

101

B

MF 1013

MF 923

MF 883

MF 477

Oil MOL TO 40

[Pas]

[s

-1]

B = 0, 75, 161, 336, 508 mT

t = 25oC

101 102 103

10-2

10-1

100

101

MF 572

B = 0, 75, 161, 336, 508 mT

t = 25oC

[Pas]

[s-1]

Fig. 67. Curbele de curbele de vascozitate masurate la diferite valori ale inductiei campului

magnetic in proba – toate probele plus uleiul MOL TO 40 utilizat ca lichid de baza.

Efectul magnetovascos (cresterea relativa a vascozitatii

0

0

0

B

) este prezentat in Fig. 68 (a, b, c, d) la toate valorile

vitezei de forfecare.

28

101 102 103

0.0

0.5

1.0

1.5

/(0) [-]

[s

-1]

MF 477 B = 0 mT B = 75 mT B = 161 mT B = 336 mT B = 508 mT

101 102 103

0.0

0.5

1.0

1.5

/(0) [-]

[s-1]

MF 883 B = 0 mT B = 75 mT B = 161 mT B = 336 mT B = 508 mT

(a) (b)

101 102 103

0.0

0.5

1.0

1.5

/(0) [-]

[s-1]

MF 923 B = 0 mT B = 75 mT B = 161 mT B = 336 mT B = 508 mT

101 102 103

0.0

0.5

1.0

1.5

/(0) [-]

[s-1]

MF 1013 B = 0 mT B = 75 mT B = 161 mT B = 336 mT B = 508 mT

(c) (d)

Fig. 68. Efectul magnetovascos (cresterea vascozitatii relative datorata aplicarii unui camp magnetic) – toate probele. Fig. 69 prezinta pe aceeasi diagrama, comparativ, efectul MV prezentat de toate probele la valorile extreme ale vitezei de forfecare:

15.15 s , respectiv 11000 s .

0 100 200 300 400 5000.0

0.5

1.0

1.5

/(0) [-]

B [mT]

MV effect at = 15.5 s

-1

MF 477: = 11.13% MF 572: = 13.35% MF 883: = 20.60% MF 923: = 21.53% MF 1013: = 23.60%

0 100 200 300 400 5000.0

0.5

1.0

1.5

/(0) [-]

B [mT]

MV effect at = 1000 s

-1

MF 477: = 11.13% MF 572: = 13.35% MF 883: = 20.60% MF 923: = 21.53% MF 1013: = 23.60%

Fig. 69. Compararea efectului magnetovascos manifestat de toate probele la valorile extreme ale vitezei de forfecare.

III.6.3. Determinarea proprietăților termice Rezultate experimentale Măsurătorile experimentale ale conductivității termice, pentru probele de nanofluid magnetic preparate în Activitatea III.5, s-au efectuat la temperatura mediului ambiant. Temperatura fiecărei probe de material, rezultată din măsurători, este indicată în tabelul de rezultate. Pentru fiecare probă măsurată s-a folosit un volum de 5 ml, introdus într-un recipient de PP (proba fiind ulterior recuperată în proporție de peste 90%). Inițial, pentru verificarea erorii de măsură a aparatului, s-a măsurat conductivitatea termică a unei cantități de apă distilată. Rezultatul obținut a fost comparat cu datele experimentale din literatura de specialitate. Valoarea obținută experimental: 0.598 W/mK, la 22.54 ºC, are o eroare de 0,78 % față de cea indicată în referința [35]. În Tabelul XI sunt prezentate rezultatele măsurătorilor pentru lichidul de bază și pentru probele preparate, reprezentând valorile medii obținute pentru fiecare.

UTR

UTRMF

UTR

(16)

29

TABELUL XI Nr. crt.

Cod probă Fracția volumică ϕ

[%]

Conductivitatea termică

λ [W/mK]

Temperatura probei [ ºC]

Variaţia relativa a conductivitatii termice

UTR , [ - ]

1 161101-2 23,64 0,267 23,90 1,136 2 161103-3 21,54 0,257 23,67 1,056 3 161111-2 16,814 0,213 22.03 0,704 4 161110-1 13,35 0,176 22.04 0,408 5 161103-1 11,13 0,140 23,85 0,14 UTR MOL TO40A - 0,125 23,46 -

Fig. 70. Variaţia relativă a conductivităţii termice a nanofluidului magnetic cu fracţia volumică a nanoparticulelor, pentru probele

din Tabelul XIX. În Fig. 70 se prezintă variaţia relativă a conductivităţii termice faţă de valoarea determinată pentru lichidul de bază. Se observă o creştere a acesteia cu fracţia volumică a nanoparticulelor. De asemenea, probele concentrate, cu fracţii volumice de peste 20%, au creşteri de peste 100% a conductivităţii termice, comparativ cu lichidul de bază. Activitatea III.7. Proiectarea prototipului sistemului hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica si transformare DC/DC cu integrare MEMS III.7.1. Proiectarea sistemului de conversie fotovoltaica Preparare strat antireflex pe baza de nanoparticule de ZnO in vederea aplicarii pe substrat Pentru obtinerea nanoparticulelor de ZnO sunt necesare 2 etape: obtinerea stratului inasamantat de ZnO (pe care creasc nanoparticulele de ZnO) si o a doua etapa care consta in cresterea propriu-zisa a acestora. Straturile insamantate de ZnO au fost preparate folosind o solutie de acetat de zinc dizolvat in 1-propanol. Descompunerea sau hidroliza sarurilor de zinc pentru obtinerea nanocristalelor de ZnO este o metoda des utilizata. Descompunerea ulterioara a acetatului de zinc la temperaturi cuprinse in intervalul 100-280C, duce la formarea de Zn4O(CH3CO2)6, care se descompune in cele din urma in ZnO. In timpul procesului de obtinere a ZnO prin acesta metoda sunt degajate o serie de produse gazoase: apa (H2O), dioxidul de carbon (CO2), acetona ((CH3)2CO) si acidul acetic (CH3COOH). Aceste produse ajung sa se elimine in jurul temperaturii de 270C ((16) - (19)). Pe masura ce temperatura creste, nanoparticulele de ZnO se formeaza urmand reactiile chimice:

Zn(CH3COO)2.2H2O → Zn(CH3COO)2 + 2H2O (16) 4Zn(CH3COO)2 + 2H2O → Zn4O(CH3COO)6 + 2CH3COOH (17) Zn4O(CH3COO)6 + 3H2O → 4ZnO + 6CH3COOH (18) Zn4O(CH3COO)6 → 4ZnO + 3CH3COCH3 + 3CO2 (19)

Astfel, deshidratarea termica a acetatului de zinc poate fi considerat proces de deshidratate, vaporizare/descompunere si de formare a ZnO. Sintetizarea nanofirelor de ZnO prin metoda hidrotermala pe substratul depus, prin procesul de dehidratate a acetatului de zinc, implica reactiile:

HMTA + 6H2O 4NH3 + 6HCHO (20) NH3 +H2O NH4

+ +OH- (21) Zn2+ +4NH3 [Zn(HN3)4]2+ (22)

Zn2+ + OH- Zn (OH)2 (23) Zn (OH)2 ZnO +H2O (24)

HMTA hidrolizeaza usor in apa, obtinandu-se aldehida formica (HCHO) si amoniac (NH3), eliberand energie, care este asociata cu structura sa moleculara, asa cum se poate vedea in reactiile (20) si (22). Aceasta etapa este critica in procesul de crestere a nanofirelor de ZnO. In cazul in care HMTA hidrolizeaza foarte repede, produce o cantitate foarte mare de ioni OH- intr-un timp foarte scurt, ioni Zn2+ din solutia ar precipita rapid datorita pH-ului bazic, iar acest lucru ar duce la un consum rapid de precursori si la o inhibare a cresterii nanoparticulelor de ZnO. Din reactiile (23) si (24) NH3 provenit din hidroliza HMTA are doua roluri esentiale. In primul rand acesta produce mediul bazic necesar pentru formarea Zn(OH)2. In al doilea rand, acesta coordoneaza ionii de Zn2+ si astfel stabilizeaza solutia apoasa. Zn(OH)2 se deshidrateaza atunci cand este incalzit prin ultrasonare sau chiar sub lumina soarelui. Toate cele cinci reactii (20) - (24), sunt in echilibru si pot fi controlate prin ajustarea parametrilor de reactie: concentratia precursorilor, temperatura si timpul de crestere, acestia putand influenta pozitiv sau negativ echilibrul reactiilor. Astfel, concentratia precursorilor determina densitatea nanoparticulelor, temperatura si timpul de crestere controleaza morfologia si raportul dimensiunilor. In reactia (20) se poate observa ca sapte moli de reactanti produc zece moli de produsi de reactie, ceea ce inseamna o crestere a entropiei in timpul reactiei, rezultand o crestere a temperaturii, si in final rezultatul fiind mutarea echilibrului catre produsii de reactie. Viteza de hidroliza a HMTA creste cu cresterea bazicitatii mediului si viceversa. De asemenea, cele cinci reactii continua si la temperatura camerei dar cu o viteza foarte mica. De exemplu, solutia cu o concentratie a precursorului mai mica de 10

30

mmol/L, ramane transparenta si clara la temperatura camerei timp de cateva luni. In cazul in care se utilizeaza microundele ca sursa de incalzire, reactiile se desfasoara cu viteza foarte mare, avand o rata de crestere a nanofirelor de pana la 100 nm/min. Sinteza ZnO nanostructurat In cadrul acestor cercetari experimentale au fost utilizate urmatoarele materiale:

acestat de zinc - Zn(CH3COO)2 2H2O achizitionat de la Chimipar SA;

1 propanol - C3H8O - achizitionat de la Acros Organics;

azotat de zinc - Zn (NO3)2 6H2O achizitionat de la Chimopar SA;

hexametilentetramina - C6H12N4 sau HMTA - achizitionat de la Reactivul SA. Pentru obtinerea nanoparticulelor de ZnO sunt necesare 2 etape: obtinerea stratului insamantat de ZnO (pe care creasc

nanoparticulele de ZnO) si o a doua etapa care consta in cresterea propriu-zisa a acestor particule. A. Pregatirea substratului. Alegerea substratului s-a realizat din prisma pretului de cost, a disponibilitatii pe piata, dar nu in ultimul rand, din punct de vedere a aderentei filmului la substrat. Utilizand aceste criterii, s-a optat pentru utilizarea sticlei plate, cu grosime de 4 mm si o transmisie optica in domeniul vizibil de 90%.

Sticla plata a fost pregatita pentru depunere, prin taierea in geometria dorita (80x150mm) si apoi prin parcurgerea etapei de curaţare pentru indepartarea impuritatilor (fizice si chimice); aceasta etapa cuprinde mai multi pasi:

spalarea cu o soluţie de apa şi detergent ~2%;

clatirea in flux de apa distilata;

curatarea in baie de ultrasonare timp de 5 minute cu acetona;

curatarea in baie de ultrasonare timp de 5 minute cu alcool izopropilic;

curatarea in baie de ultrasonare timp de 10 minute cu apa distilata;

clatirea in flux de apa distilata timp de 1 minut;

uscarea cu azot. B. Obtinerea stratului insamantat

In vederea obtinerii nanoparticulelor de ZnO pe substratul de sticla curatat este depus un strat de ZnO obtinut pe cale chimica din solutie. In acest scop este utilizata o solutie de 10mM acestat de zinc - Zn(CH3COO)2 dizolvat in 1 propanol - C3H8O . Substratul de sticla a fost plasat pe o placa de sticla unde s-au aplicat un numar de a 1 la 10 de spreyeri cu solutie de acetat. Apoi a fost plasata pe o centrifuga unde au fost aplicate de la 1 la 5 serii (o serie este alcatuita din : 5 centrtrifugari cu 2000 rpm timp de 30 secunde apoi tratament termic la 300oC timp de 30 minute C. Obtinerea nanoparticulelor de ZnO Sintetizarea nanofirelor de ZnO, au fost realizata prin metoda hidrotermala la temperatura scazuta (<100oC), utilizand sistemul azotat de zinc (Zn(NO3)2) – hexametilentetramina (C6H12N4 sau HMTA). Cresterea cristalelor de ZnO s-a realizat prin metoda hidrotermala, folosind fluxul tehnologic prezentat in Fig. 71, utilizand solutia apoasa de 0,04M Zn(NO3)2 si HMTA la 90oC timp de 2 ore. Dupa procesul de crestere, sistemul este lasat sa se raceasca liber.

Zn(NO3)2 x 6H2O C6H12N4

Fig. 71. Fluxul tehnologic pentru obtinerea nanofirelor de ZnO.

Preparare solutie Preparare solutie

Omogenizare Omogenizare

Amestecare și omogenizare

Creștere nanofire de ZnO Metoda hidrotermala

La 90oC timp de 2 ore

Spalare si uscare

Nanofire de ZnO crescute pe film de ZnO

31

Se utilizeaza patru celulele fotovoltaice asamblate cu nanoparticule de ZnO crescute pe strat subtire in felul urmator: se realizeaza doua ansambluri de cite doua celule dispuse in paralel si apoi acestea se inseriaza, Fig. 72.

Fig. 72. Sistemului de conversie fotovoltaica.

III.7.2. Proiectul transformatorului planar cu circuit magnetic realizat din ferită si nanofluid magnetic Proiectul transformatorului planar cu circuit magnetic realizat din ferită si nanofluid magnetic s-a realizat in Etapa a II-a si este prezentat in Anexa 4. III.7.3. Prototipul sistemului hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica si transformare DC/DC cu integrare MEMS Prototipul sistemului hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica si transformare DC/DC cu integrare MEMS rezulta din conectatrea ansamblul celor 4 celule fotovoltaice policristaline, asamblate cu nanoparticule de ZnO crescute pe strat subtire cu convertorul DC/DC.

Fig. 73. Prototipul sistemului hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica si transformare

DC/DC cu integrare MEMS.

Fig. 74. Prototipul sistemului hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica si transformare

DC/DC cu integrare MEMS, impreuna cu circuitului de stocare a energiei cu supercapacitori.

Fig. 75. Testarea prototipului sistemului hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica si

transformare DC/DC cu integrare MEMS, impreuna cu circuitului de stocare a energiei cu supercapacitori. In Fig. 73-75, se prezinta prototipul sistemului hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica si transformare DC/DC cu integrare MEMS, impreuna cu circuitului de stocare a energiei cu supercapacitori in timpul testarilor.

32

Activitatea III.8. Realizarea circuitului de stocare a energiei cu supercapacitori Deoarece sistemului de conversie fotovoltaica, (ca sursa de tensiune pentru convertorul DC/DC) poate furniza diferite niveluri de tensiune, in functie nivelurile de iluminare, la iesirea VOUT2 a convertorului DC/DC. Circuitul electronic de stocare a energiei cu supercapacitori actioneaza ca o zona tampon, astfel incit sa se poata alimenta senzorii pentru toate nivelurile de iluminare. Schema electronica a circuitului electronic de stocare a energiei cu supercapacitori este prezentata in Fig. 76.

Fig. 76. Schema electronica a circuitul electronic de stocare a energiei cu supercapacitori.

Bateria formata din patru supercapacitori dispusi in paralel cu valoarea 0.1 F, echivaleaza cu un supercapacitor cu valoarea de 0.4 F. Acestia sunt dispusi la iesirea unui regulator care furnizeaza la iesire o tensiune de 3.3 VCC de tipul LM 1117T, de productie National Semiconductor, [36]. Dioda D1, Fig. 81 are rolul de a directiona curentul de la iesirea regulatorului liniar numai catre consumator. In Fig. 77 se prezinta circuitul electronic de stocare a energiei cu supercapacitori, realizare practica.

Fig. 77. Circuitul electronic de stocare a energiei cu supercapacitori, realizare practica.

Activitatea III.9. Diseminarea rezultatelor cercetarii (2 articole ISI) In anul 2016 s-au expediat pt. publicare in reviste ISI patru articole, s-au prezentat doua articole la conferinte internationale in strainitate, s-a publicat un capitol de carte in regim ISI si s-a depus la OSIM o cerere de brevet de inventie:

[1] Oana Marinica, D. Vizman, V. Socoliuc, „The influence of the demagnetizing field correction on the magneto-granulometry of concentrated ferrofluids” (Lucrare trimisa spre publicare la revista ISI J. Mag. Mag. Mater).

[2] Jean-B. Dumitru, Alexandru Morega, Mihaela Morega, Lucian Pîslaru-Dănescu, “High frequency miniature planar transformer for energy harvesting applications”, EPE-2016, International Conference and Exposition on Electrical and Power Engineering, 20-22 October 2016, Iasi, Romania, (IEEE Xplore) 978-1-5090-6129-7/16.

[3] L. Pîslaru-Dănescu, A. M. Morega, J. B. Dumitru, Mihaela Morega, N. C. Popa, Floriana Daniela Stoian, Daniela Susan-Resiga, S. Holotescu, M. Popa, Miniature Planar Spiral Transformer with Hybrid Core - Ferrite and Colloidal Magnetic Nanofluid, (Lucrare trimisa spre publicare la revista ISI, IEEE Transaction on Magnetics).

[4] Nicolae Calin POPA, Ladislau VEKAS, Nicolae CRAINIC, Floriana Daniela STOIAN, Sorin HOLOTESCU, „Structural investigation of magnetic nano-fluids used in gravitational generator”, (Lucrare prezentata la International Conference on Nanotechnology, Nanomaterials & Thin Films for Energy Applications, University of Liverpool , UK, 27 – 29 July 2016).

[5] L. Pîslaru-Dănescu, E. Chițanu, R. A. Chihaia, D. Marin, L. A. El-Leathey, V. Marinescu, B. G. Sbârcea, C. A. Băbuțanu, “New Harvesting System Based on Photovoltaic Cells with Antireflexive ZnO Nanoparticles Coatings and DC/DC Isolation Conversion”, Proceeding of 4th International Symposium EFEA 2016 - Environmental Friendly Energies and Applications, Belgrade, Serbia, Sept. 2016.

[6] Elena Chițanu, Lucian Pîslaru-Dănescu, Lucia-Andreea El-Leathey, Dorian Marin, Virgil Marinescu, Beatrice-Gabriela Sbârcea, “Synthesis and Characterization of Antireflective ZnO Nanoparticles Coatings Used for Energy Efficient Silicone Solar Cells”, (Lucrare trimisa spre publicare la revista ISI, IEEE Journal of Photovoltaics, manuscript ID is JPV-2016-11-0535-R), 2016.

[7] L. Pîslaru-Dănescu, Gabriela Telipan, Floriana D. Stoian, S.Holotescu, Oana-Maria Marinică, Nanofluid with Colloidal Magnetic Fe3O4 Nanoparticles and its Applications in Electrical Engineering, capitol carte acceptat spre publicare în "Nanofluid Heat and Mass Transfer in Engineering Problems", ISBN 978-953-51-4922-4, 2016, Editura Intech Open, Croația.

[8] Y. Veli, A.M. Morega, “An energy harvesting device for portable applications”, A XI-a Conferinţă Zilele ASTR „Oraşul inteligent”, Tîrgu Mureş, 6-7 Octombrie 2016, ASTR, Universitatea “Petru Maior” din Târgu Mureş.

[9] Pîslaru-Dănescu Lucian, Popa Marius, Ilie Cristinel-Ioan, Chihaia Rares-Andrei, Babutanu Corina-Alice, Nicolaie Sergiu, Bunea Florentina, Stoian Floriana Daniela, Holotescu Sorin, Marinica Oana-Maria, Morega Alexandru-Mihail, Morega Mihaela, Dumitru Jean-Bogdan, Popa Nicolae-Calin, „Transformator planar cu nanofluid magnetic”, Cerere de brevet de inventie, nr. OSIM A/00713 din 07-10-2016, solicitanti ICPE-CA Bucuresti si Universitatea Politehnica Timisoara.

LM 1117T 3.3V

0.47µ 47 µF 50V

4 x 0,1F + 5 Vcc

0 V

IN OUT

0.47µ

1N4007

D1

ZS

33

Concluzii S-au realizat:

1. Elaborarea documentatiei modelului functional al convertorului DC/DC cu integrare MEMS impreuna cu cablajele imprimate aferente, Activitatea III.1. In cadrul acestei etape s-a obtinut acoperiri reflexive de ZnO nanostructurat pe substrat de sticla pentru pentru celule solare cu strat activ de siliciu. Din investigatiile intreprinse a rezultat ca:

pentru acoperiri antireflexive s-a utilizat un proces de obtinere ce cuprinde un strat insamantat (3 spreyeri pirolitice si tratemnt termic la 100oC timp de 30 minute, urmat de 3 centrifugari si un alt tratament termic la 300oC timp de 30 minute) si crestere hidrotermala a ZnO nanostructurat (sistemul azotat de zinc (Zn(NO3)2 – hexametilentetramina (HMTA) la 90oC timp de 2 ore).

toți parametrii functionali ai celule fotovoltaice (eficienta, curent de scurtcircuit, tensiunea de circuit deschis si puterea), cresc cu cresterea valorii pentru iradierea luminii (100W/m2 până la 1000W/m2) si prezinta valoari mai mari pentru celulele cu sticla acoperita cu ZnO nanostructurat.

rezultatele experimentale obtinute confirmă avantajele utilizării sticle acoperite cu ZnO nanostructurat pentru acoperiri antireflexive in celule solare.

Avand in vedere cele de mai sus, se constata ca studiile experimentale realizate pentru obtinerea acoperirilor antireflexive cu ZnO nanostructurat, aduc informatii suplimentare importante, in baza carora au fost dezvoltate dispozitive fotovoltaice cu astfel de filme antireflexive.

2. Proiectarea modelului functional al convertorului DC/DC cu integrare MEMS, Activitatea III.2. A. In cadrul acestei etape se prezintă modelarea matematică şi simularea numerică a câmpului electromagnetic şi termic în

FB-TP pentru echiparea unor dispozitive de recoltarea energiei. Transformatorul este, de fapt, de tip fly-back, şi are rolul de a stoca câmp magnetic energia recoltată, pentru a o livra apoi circuitului de condiţionare pentru alimentarea unor sarcini, de ex. noduri WiFi.

B. FB-TP prezintă un întrefier coaxial cu coloana centrală din ferită a miezul magnetic. FB-TP trebuie să echilibreze reactanţa inductivă de magnetizare (cuprinde întrefierul axial central, care este sediul unui flux magnetic fascicular de c.c.), şi reactanţa de scăpări (la care contribuie spaţiul dintre înfăşurările plane, sediul unui flux magnetic fascicular de c.a.), şi designul magnetic al circuitulu magnetic pentru a canaliza fluxurile magnetice (c.c. şi c.a.), astfel încât să rezulte o dimensionare corespunzătoare a rezistenţelor de c.c./c.a. ale FB-TP.

C. Analiza de regim staţionar priveşte câmpul de c.c. (stocare), în timp ce analiza de c.a. poate furniza date despre câmpul magnetic şi inductanţele de de scăpări de c.a. Între alte rezulatate, se calculaeză parametrii concentraţi, ai schemei electrice a FB-TP, imporante în etapa de proiectare.

D. Distribuţia curentului electric în c.a. în înfăşurări indică valori mai mari pentru spierele periferice ale înfăşurărilor. Acestea sunt mai lungi, şi înlănţuie un flux fascicular mai mare, contribuind mai mult la valoarea inductanţei de scăpări. Acest aspect explică şi valorile de c.a. ale rezistenţelor electrice ale FB-TP.

E. Simulările numerice arată că FB-TP este cvasi-izoterm, după stingerea regimurilor tranzitorii până la atingerea stării staţionare. Modelarea indică un regim termic nominal corespunzător, în limitele de funcţionare termică sigură.

F. Rezultatele au fost partial diseminate in cadrul, Conferintei “International Conference and Exposition on Electrical and Power Engineering”, EPE-2016, [24].

3. Un model functional al convertorului DC/DC cu integrare MEMS impreuna cu cablajele imprimate aferente, Activitatea III.3.

4. Experimentarea modelului functional al convertorului DC/DC cu integrare MEMS pentru mai multe tipuri de sarcini, Activitatea III.4.

5. Prepararea probelor optimizate necesare de nanofluid magnetic pentru utilizare ca miez lichid in micro-transformatorul planar MEMS, din componenta sistemului hibrid pentru mai multe dilutii, Activitatea III.5. Ambele probe de nanofluid magnetic au dovedit o stabilitate cinetica deosebita, atat in absenta, cat si in prezenta unui camp magnetic aplicat. Efectul magnetovascos este nesemnificativ la valorile investigate ale campului magnetic aplicat si la temperaturile analizate. A. Se observă o creștere a conductivității termice a celor două probe de nanofluid magnetic față de lichidul de bază,

proporțional cu fracția volumică. Rezultatul este în concordanță cu alte rezultate experimentale pentru nanofluide magnetice [2, 3]. Din datele experimentale a rezultat o creștere relativă a conductivității termice cu 116% pentru MF 1000, respectiv cu 30 % pentru MF 500, față de lichidul de bază.

B. De asemenea, pentru intervalul de temperatură analizat, conductivitatea termică nu a variat semnificativ cu temperatura, atât în cazul lichidului de bază cât și al celor două probe de nanofluid magnetic.

6. Determinarea experimentala a proprietatilor magnetice, reologice si termice ale probelor de nanofluid magnetic pentru dilutiile preparate, Activitatea III.6. A. Comportarea probelor in absenta c.m. este Newtoniana, cu exceptia celei mai concentrate, MF 1013, care prezinta o

usoara tendinta de pseudoplasticitate la viteze mari de forfecare. Acest fapt denota exsitenta unor mici aglomerate de partciule de magnetita in aceasta porba, eglomerate ce se distrug la cresterea vitezei de forfecare.

34

B. Sub actiunea campului magnetic aplicat, cu exceptia probelor MF 572 si MF 923 (care isi pastreaza caracterul Newtonian), comportarea probelor devine pseudoplatica.

C. La toate valorile investigate ale vitezei de forfecare si ale inductiei campului magnetic aplicat, efectul MV este foarte slab comparativ cu cel prezentat de fluidele MR conventionale si fluidele MR pe baza de ferofluide. Efectul MV cel mai pronuntat la forfecare slaba se manifesta in cazul probei mai diluate MF 477, iar celelalte probe au efecte mai mici si aproximativ de aceeasi marime. La forfecare intensa, efectul MV este cel mai intens in cazul probei MF 572.

7. Proiectarea prototipului sistemului hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica si transformare DC/DC cu integrare MEMS, Activitatea III.7. In Anexa 4 se prezinta proiectul transformatorului planar cu circuit magnetic realizat din ferită si nanofluid magnetic.

8. Un circuit de stocare a energiei cu supercapacitori, Activitatea III.8. 9. Diseminarea rezultatelor cercetarii (2 articole ISI), Activitatea III.9. In Etapa a III-a s-au expediat pt. publicare in

reviste ISI patru articole, s-au prezentat doua articole la conferinte internationale in strainitate, s-a prezentat un articol la conferinta din Romania, s-a publicat un capitol de carte in regim ISI si s-a depus la OSIM o cerere de brevet de inventie:

Bibliografie [1] X. G. Han, H. Z. He, Q. Kuang., X. Zhou, X. H. Zhang, et. al., “Controlling Morphologies and Tuning the Related Properties of Nano/Microstructured ZnO

Crystallites”, J. Phys. Chem. C, vol. 113, no. 2, pp. 584 – 589, 2009. [2] M. Law, L. E. Greene, J.C. Johnson, “Nanowire dye-sensitized solar cells. Nature Mater”, Nature Materials, vol. 4, no. 6, pp. 455 – 459, 2005. [3] J. H. Jun, H. Seong, K. Cho, B. M. Moon, S. Kim, “Ultraviolet photodetectors based on ZnO nanoparticles”, Ceramics International, vol. 35, no. 7, pp. 2797

– 2801, Sept. 2009. [4] H. Chen, Y. Liu, C. Xie, J. Wu, D. Zeng, Y. Liao, “A comparative study on UV light activated porous TiO2 and ZnO film sensors for gas sensing at room

temperature”, Ceramics International, vol. 38, no. 1, pp. 503 –509, Jan. 2012. [5] G. Chai, O. Lupan, L. Chow, H. Heinrich, “Crossed zinc oxide nanorods for ultraviolet radiation detection”, Sensors and Actuators A: Physical, vol. 150, no.

2, pp. 184 – 187, March 2009. [6] W. I. Park, D. H. Kim, S. W. Jung, G. C. Yi, “Metalorganic vapor-phase epitaxial growth of vertically well-aligned ZnO nanorods”, Appl. Phys. Lett., vol.

80, no. 22, pp. 4232 – 4234, June 2002. [7] Matlab R2014a, Mathworks Inc., 2014, USA. [8] A.M. Morega, Surse regenrabile de energie, Ed. AGIR, 2013. [9] Texas Instruments, “LM25017 48-V, 650-mA Constant On-Time Synchronous Buck Regulator”, Data Sheet, SNVS951D, December 2014. [10] Texas Instruments, AN-2292, “Designing an Isolated Buck (Fly-Buck) Converter”, Application Report, SNVA674C, December 2014. [11] J. Hogerheiden, M. Ciminera, G. Jue, “Improved planar spiral transformer theory applied to a miniature lumped element quadrature hybrid”, IEEE Trans. on

Microwave Theory and Techniques, vol. 45, 4, (1997) 543-545. [12] L.H. Dixon, “Designing Planar Magnetics,” Texas Instruments. [13] T.H. Tsai, L.S. Kuo, P.H. Chen, D.S. Lee, C.T. Yang, “Applications of ferro-nanofluid on a micro-transformer”, Sensors, vol. 10, pp. 8161-8172, 2010. [14] J.B. Dumitru, A.M. Morega, M. Morega, L. Pîslaru-Dănescu, “Forced flow patterns in a miniature planar spiral transformer with ferrofluid core”, INCAS

Bull., vol. 7, 4, (2015) 15-22, ISSN 2066 – 8201. [15] J ASEMEMS HARVEST – PNCDI-II, 2014-2017 research grant. [16] J.B. Dumitru, A. M. Morega, M. Morega, “Electromagnetic, flow and thermal study of a miniature planar spiral transformer with planar, spiral windings”,

INCAS Bull., vol. 6, Special Issue 1/2014, 59-66, ISSN 2066 – 8201. [17] C.I. Mocanu, “Theory of Electromagnetism” (in Romanian), Ed. Tehnică, Bucureşti, 1982. [18] J.B. Dumitru, “Contributions to the analysis and development of ambient energy harvesting systems,” Doctoral Thesis (2013), University POLITEHNICA of

Bucharest, Romania. [19] M. Timko, P. Kopcansky, M. Molcan, L. Tomco, K. Marton, S. Molokac, P. Rybar, F.D. Stoian, S. Holotescu, A. Taculescu, “Magnetodielectric properties

of transformer oil based magnetic fluids” Acta Physica Polonica A., 121 (5-6), (2012) 1253-1256. DOI: 10.12693/APhysPolA.121.1253 [20] M. Timko, K. Marton, L. Tomco, J. Kiraly, M. Molcan, M. Rajnak, P. Kopcansky, R. Cimbala, F.D. Stoian, S. Holotescu, A. Taculescu, “Magneto-dielectric

properties of transformer oil based magnetic fluids in the frequency range up to 2 MHz,” Magnetohydrodynamics. 48 (2), (2012), 427-434. [21] V. Markel, “Introduction to the Maxwell Garnett approximation: tutorial,” HAL Id: hal-01282105, https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01282105v2 (2016) [22] A. Bejan, “Heat Transfer”, New York, Wiley, 1993. [23] Comsol Multiphysics, A.B. Sweden, 3.5a…4.3b. [24] Jean-B. Dumitru, Alexandru Morega, Mihaela Morega, Lucian Pislaru-Danescu, “High frequency miniature planar transformer for energy harvesting

applications”, EPE-2016, International Conference and Exposition on Electrical and Power Engineering, 20-22 October 2016, Iasi, Romania, (IEEE Xplore) 978-1-5090-6129-7/16

[25] Wunderbar relayr - catalogul producatorului si fisa de instalare a produsului, 2015. [26] Marinică O., Susan-Resiga D, Bălănean F., Vizman D., Socoliuc V., Vékás L., Nano-micro composite magnetic fluids: Magnetic and magnetorheological

evaluation for rotating seal and vibration damper applications, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 406 (2016), 134–143. [27] Susan-Resiga D., Vékás L. and Bica D., Flow behaviour of extremely bidisperse magnetizable fluids, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 322

(20) (2010), 3166-3172 (doi: 10.1016/j.jmmm.2010.05.055). [28] Susan-Resiga D. and Vékás L., Ferrofluid based magnetorheological fluids: tuning the properties by varying the composition at two hierarchical levels,

Rheologica Acta, 2016, DOI 10.1007/s00397-016-0931-x. [29] FOX 50 User Manual, http://www.lasercomp.com [30] S. Holotescu, F.D. Stoian, O. Marinică, L. Kubicar, P. Kopcansky, M. Timko, “Utilization of the magnetogranulometric analysis to estimate the thermal

conductivity of magnetic fluids”, J. Magn. Magn. Mater., 323 No.10 (2011), pp. 1343-1347. [31] Nkurikiyimfura, Y. Wang, Z. Pan, “Heat transfer enhancement by magnetic nanofluids—A review”, Renew. Sust. Energ. Rev., 21, (2013) pp.548-561. [32] KD2 Pro Thermal Properties Analyzer, Operator's Manual, Decagon Devices, Inc., Version: February 29, 2016, www.decagon.com [33] Thermal Decagon Devices Application Note: How to Reduce Contact Resistance Errors in Thermal Properties Measurements, 509-332-5600,

www.decagon.com/thermal [34] Thermal Decagon Devices Application Note: KD2 Pro Compliance to ASTM and IEEE Standards,509-332-5599, www.decagon.com/thermal [35] J. V. Sengers and J. T. R. Watson, Improved international formulations for the viscosity and thermal conductivity of water substance, J. Phys. Chem. Ref.

Data, 15, 1291, 1986. http://www2.bren.ucsb.edu/~dturney/WebResources_13/WaterSteamIceProperties/PropOfWaterFrom0to100Celcius.pdf [36] ***National Semiconductor, LM1117, 800mA Low-Dropout Linear Regulator, DS 100919, 2000, www. national.com

SISTEM HIBRID DE RECOLTARE A ENERGIEI DIN MEDIUL INCONJURATOR PRIN

CONVERSIE FOTOVOLTAICA SI PIEZOELECTRICA, TRANSFORMARE DC/DC CU

INTEGRARE MEMS SI STOCARE ADAPTIVA – ASEMEMS HARVEST

Finanţare: - bugetul de stat + cofinanţarea partenerului P4.

Contract: 63/2014

Cod proiect: PN II PT-PCCA-2013-4-0486

Rezumat

Echipele de cercetare

Rezultate preconizate

Rapoarte de activitate – stadiul şi rezultatele obţinute

Etapa IV – 2017

Rezumat: Rezumatul etapei

In cadrul acestei etape, s-a realizat si experimentat prototipul sistemului hibrid de recoltare a energiei din mediul

înconjurător prin conversie fotovoltaica si transformare DC/DC cu integrare MEMS.

In cadrul etapei IV a proiectului s-a determinat pentru inceput pe cale experimentala proprietatile electrice si structurale

ale probelor de nanofluid magnetic, respectiv pentru dilutiile preparate in eapele anterioare ale proiectului, Activitatea

IV.1. Astfel, pentru probele optimizate de nanofluid magnetic utilizate ca miez magnetic lichid in micro-

transformatorul planar MEMS din componenta sistemului hibrid s-a determinat experimental permitivitatea

electrica complexa, factorul de pierderi precum si rigiditatea dielectrica. De asemenea, s-au determinat experimental

proprietatile structurale ale probelor de nanofluid magnetic pentru dilutiile preparate. Apoi, s-a realizat prototipul

sistemului hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica si transformare

DC/DC cu integrare MEMS si stocare a energiei cu supercapacitori, Activitatea IV.2. Sistemul de conversie

fotovoltaica utilizeaza celule fotovoltaice policristaline imbunatatite cu un strat antireflex pe baza de nanoparticule

de ZnO Stratul insamantat de ZnO si filmul cu ZnO nanostructurat obtinute au fost apoi caracterizate structural prin

difractie de raze X (X Bruker-AXS type D8 Advance), morfologic prin microscopie electronica de baleaj (SEM, Zeiss

Auriga) si optic prin spectrofotometrie UV-VIZ-NIR (Spectrofotometrul UV-VIS-NIR Jasco 570). Filmul antireflexiv de

ZnO nanostructurat a fost utilizat cu o celula fotovoltaica pe baza de siliciu si supusa masuratorilor pentru determinarea

parametrilor functionali ai celulei, cu sticla simpla si cu sticla acoperita cu ZnO nanostructurat. Pentru caracterizarea

optica a fost analizata variația transmisiei optice in functie de lungimea de undă (400 - 800 nm), pentru sticla, stratul

insamantat de ZnO și filmul de ZnO nanostructurat. S-a experimentat sistemului de conversie fotovoltaica cu ajutorul

simulatorului solar Pasan Meyer Burger HighLight 3. Caracteristicile curent electric - tensiune determinate pentru

modulul fotovoltaic compus din patru module de tip CONRAD policristalin, au fost stabilite pentru o expunere la

următoarele tipuri de radiație: 1000 W/m2, 100 W/m2, 200 W/m2, 400 W/m2, 700 W/m2, 400 nm (echivalent 33 W/m2)

și 900 nm (echivalent 61 W/m2). Cele 4 module de tip CONRAD cu tensiunea de 9V au fost cuplate 2 în serie și 2 în

paralel obținându-se o configurație cu o suprafață totală de 492 cm2. Convertorul DC/DC cu integrare MEMS

utilizeaza circuitul integrat LM25017. O parte componenta importanta a convertorului DC/DC este transofrmatorul

miniatural planar cu înfăşurari circulare spiralate şi miez hibrid din ferita si nanofluid magnetic. Se prezintă modelul

matematic și rezultatele simulării numerice pentru un transformator planar flyback (FBT), a cărui coloană centrală

prezintă un întrefier axial. FBT-ul este alimentat cu o tensiune PWM la frecvența de 1 kHz. Operarea la frecvenţe înalte

conduce la apariţia unor curenţi de deplasare care sunt o sursă suplimentară de câmp magnetic, de care acest studiu ţine

seama. Analiza câmpului magnetic şi a curgerii miezului magnetic fluid sunt descrise de modele fizico-matematice.

Rezolvarea lor a fost efectuată prin modelare şi simulare numerică, in tehnica elementului finit. Prototipul

transformatorului FBT este utilizat în construcţia convertorului DC/DC, ca parte componenta a sistemului hibrid de

recoltare a energiei. Deoarece sistemului de conversie fotovoltaica, poate furniza diferite niveluri de tensiune, in

functie de nivelurile de iluminare, la iesirea VOUT2 a convertorului DC/DC se cascadeaza circuitul electronic de

stocare a energiei cu supercapacitori, ce actioneaza ca o zona tampon, astfel incit sa se poata alimenta senzorii pentru

toate nivelurile de iluminare. Experimentarea prototipului sistemului hibrid de recoltare a energiei din mediul

2

inconjurator prin conversie fotovoltaica si transformare DC/DC cu integrare MEMS, Activitatea IV.3., se

realizeaza in trei etape: a) experimentarea transformatorului planar cu circuit magnetic realizat din ferită si nanofluid

magnetic; b) experimentarea prototipului sistemului de conversie fotovoltaica, ca sursa de tensiune pentru convertorul

DC/DC; si c) experimentarea prototipului convertorului DC/DC cu integrare MEMS cuplat cu sistemului de conversie

fotovoltaica ca sursa de tensiune, pentru mai multe tipuri de sarcini, corespunzatoare senzorilor wireless utilizati.

Protejarea drepturilor de proprietate industriala, brevetare sistem hibrid de recoltare a energiei din mediul

inconjurator prin conversie fotovoltaica, Activitatea IV.4., s-a realizat prin depunerea la OSIM a unei cereri de

brevet: Pislaru-Danescu Lucian, Chitanu Elena, El-Leathey Lucia Andreea, Babutanu Corina-Alice, Marin Marcel-

Dorian, Morega Alexandru-Mihail, Morega Mihaela, Popa Nicolae-Calin, „Sistem de generare a energiei electrice prin

conversie fotovoltaica, cu acoperire antireflexiva”, Cerere de brevet de inventie, nr. OSIM A/00297 din 17-05-2017,

solicitant ICPE-CA Bucuresti. S-a realizat un demonstrator alcatuit din senzori wireless ce sunt alimentati de

catre sistemul hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica si transformare

DC/DC cu integrare MEMS si stocarea energiei cu supercapacitori, corespunzator a doua aplicatii practice,

Activitatea IV.5. Au fost selectati 6 senzori wireless, diferiti, pentru realizarea demonstratorului. Experimentarea si

verificarea demonstratorului alcatuit din senzori wireless ce sunt alimentati de catre sistemul hibrid de recoltare

a energiei din mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica si transformare DC/DC cu integrare MEMS,

Activitatea IV.6. a fost realizata prin utilizarea acestor senzori wireless impreuna cu interfata de date in timp real

aferenta, astfel: pentru temperatura si umiditate, corespunzatoare senzorilor de luminozitate/proximitate si microfon si

pentru accelerometru si giroscop. Diseminarea rezultatelor cercetarii, Activitatea IV.7., s-a realizat printr-un numar

de 10 lucrari stiintifice, astfel: 5 lucrari stiintifice la jurnale ISI, 4 lucrari stiintifice cu proceedings ISI si o propunere de

capitol de carte in regim ISI, „New Energy Harvesting Systems based on New Materials”

Echipele de cercetare:

CO – INCDIE ICPE-CA, Bucureşti:

Dr. ing. Lucian Pislaru-Danescu, Director de proiect

Dr. ing. Cristinel Ilie

Drd. ing. Marius Popa

Dr. ing. Elena Chiţanu

Dr. ing. Sergiu Nicolaie

Dr. ing. Florentina Bunea

Dr. ing. Corina Alice Babutanu

Ing. Daniel Lipcinski

Dr. ing. Rares Andrei Chihaia

Dr. ing. Dorian Marin

Dr. ing. Lucia-Andreea El-Leathey

Marius Miu

P1. – UNIVERSITATEA POLITEHNICA TIMIŞOARA

Dr. ing. Floriana Daniela Stoian, Responsabil proiect partener 1

Dr. ing. Sorin Holotescu

Dr. ing. Oana-Maria Marinica

Dr. ing. Nicolae Crainic

Florica Balanean

George Giula

P2. – ACADEMIA ROMANA FILIALA TIMISOARA

Dr. ing. Nicolae Calin Popa, Responsabil proiect partener 2

Dr. ing. Ladislau Vekas

Dr. ing. Vlad-Mircea Socoliuc

Dr. ing. Daniela Susan-Resiga

Camelia Coca-Podaru

Camelia Daia

Corina Vasilescu

3

P3. – UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCURESTI

Prof. dr. ing. Alexandru Mihail MOREGA, Responsabil proiect partener 3

Prof. dr. ing. Mihaela Morega

Dr. ing. Alina Machedon

Dr. ing. Jean Bogdan Dumitru

Dr. ing. Cristina Mihaela Gheorghe

Dr. ing. Ion Daniel Ilina

Dr. ing. Alin Alexandru Dobre

Dr. ing. Alina Monica Sandoiu

Ec. Natalia Pavel

Ec. Elena Floricău

Tehn. Dumitru Anghel

Tehn. Ioana Condosi

P4. – S.C. SYSCOM PROCESS CONTROL SRL

Valentin Andronache, Drd. ing. Responsabil proiect partener 4

Ing. Ioan Dănuţ Costea-Marcu

Dr. ing. Adrian Vasile

Ing. Alexandru Valentin Hutanu

Ec. Constantin Marius Andries

Tehn. Viorica Boboc

Tehn. Aurel Costin

Electr. Constantin Dinca

Electr. Romeo Laios

Electr. Iulian Cheval

Rezultate preconizate:

1. Determinarea experimentala a proprietatilor electrice si structurale ale probelor de nanofluid

magnetic pentru dilutiile preparate pentru un set de probe de nanofluid magnetic preparate in cadrul

Etapei III/2016. Avand in vedere ca micro-transformatorul planar a fost testat in regim de frecventa,

cu ajutorul metodei spectroscopiei dielectrice, au fost determinate experimental urmatoarele

proprietati electrice ale lichidului de baza si probelor de nanofluid magnetic:

- permitivitatea electrica complexa (partea reala, ', si partea imaginara, '') pentru lichidul de baza si cele

cinci probe de nanofluid magnetic,

- factorul de pierderi dielectrice, tan pentru lichidul de baza si cele cinci probe de nanofluid magnetic,

De asemenea, pentru verificarea conditiilor de izolare electrica, a fost determinata:

- rigiditatea dielectrica, Estr, pentru lichidul de baza si proba 170703-1 de nanofluid magnetic.

2. Realizarea prototipului sistemului hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin

conversie fotovoltaica si transformare DC/DC cu integrare MEMS si stocare a energiei cu

supercapacitori:

- Realizarea sistemului de conversie fotovoltaica ;

- Realizarea convertorului DC/DC cu integrare MEMS ce utilizeaza circuitul integrat LM25017 ;

- Realizarea practica a circuitului de stocare a energiei cu supercapacitori.

3. Experimentarea prototipului convertorului DC/DC cu integrare MEMS cuplat cu sistemului de

conversie fotovoltaica ca sursa de tensiune, pentru mai multe tipuri de sarcini, corespunzatoare

senzorilor wireless utilizati.

4. Realizarea unui demonstrator alcatuit din senzori wireless ce sunt alimentati de catre sistemul hibrid

de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica si transformare DC/DC

cu integrare MEMS si stocarea energiei cu supercapacitori, corespunzator a doua aplicatii practice.

5. Experimentarea si verificarea demonstratorului alcatuit din senzori wireless ce sunt alimentati de

catre sistemul hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica si

transformare DC/DC cu integrare MEMS.

4

Rapoarte de activitate – stadiul şi rezultatele obţinute

Etapa IV – 2017

6. Determinarea experimentala a proprietatilor electrice si structurale ale probelor de

nanofluid magnetic pentru dilutiile preparate

In cadrul aceastei activitati, a fost analizat un set de probe de nanofluid magnetic preparate in cadrul

Etapei III/2016, ale caror caracteristici de baza sunt prezentate in Tabelul I.

Tabelul I

Cod proba Ms [G] Densitate, [g/cm3] Fractia volumica, [-]

TO 40A

(ulei transformator)

- 0.867 -

170256-1 346 1.2205 8.09

170256-2 441 1.3020 9.98

170703-1 520 1.3722 11.60

170703-2 750 1.5800 16.40

160825-1 1072 1.8990 23.76

Determinarile experimentale au fost efectuate la Institutul de Fizica Experimentala,

Academia Slovaca de Stiinte, care a pus la dispozitia echipei proiectului infrastructura de cercetare

necesara.

Avand in vedere ca micro-transformatorul planar a fost testat in regim de frecventa, cu

ajutorul metodei spectroscopiei dielectrice, au fost determinate experimental urmatoarele proprietati

electrice ale lichidului de baza si probelor de nanofluid magnetic:

• permitivitatea electrica complexa (partea reala, ', si partea imaginara, '') pentru lichidul de baza

si cele cinci probe de nanofluid magnetic,

• factorul de pierderi dielectrice, tan pentru lichidul de baza si cele cinci probe de nanofluid

magnetic,

De asemenea, pentru verificarea conditiilor de izolare electrica, a fost determinata:

• rigiditatea dielectrica, Estr, pentru lichidul de baza si proba 170703-1 de nanofluid magnetic.

Separat de masuratorile de spectroscopie dielectrica, au fost efectuate masuratori pentru

determinarea conductivitatii electrice in curent continuu, utilizand conductivimetrul electric

INOLAB 7310, din dotarea partenerului UPT, cu domeniul de masura 0.000 S/cm - 1000 mS/cm,

rezultatele obtinute indicand ca atat probele analizate au o conductivitate electrica sub 1 S/cm.

IV.1.1.1. Definirea marimilor electrice determinate

Permitivitatea electrica si susceptivitatea electrica a unui material sunt marimi complexe, in

cazul cand substanta se afla intr-un camp armonic. Astfel, permitivitatea electrica relativa complexa

este:

rrr i (1)

Valorile permitivitatii electrice reale sunt influentate de structura si starea de agregare a

substantei, caracteristicile mediului, ale campului electric aplicat, fiind o masura a energiei

5

inmagazinate in materialul dielectric. Permitivitatea complexa imaginara caracterizeaza pierderile

dielectrice determinate de polarizatia electrica a substantei.

Factorul de pierderi dielectrice, tan, caracterizeaza pierderile dielectrice din material

datorate defazajului dintre curent si tensiune, < /2. Complementul lui este , denumit

unghi de pierderi. Factorul de pierderi este exprimat de relatia:

Q

P

rr

rch

0

tantantan (2)

unde

r

rh

tan este factorul de pierderi prin polarizare (histerezis dielectric)

(3)

r

c

0

tan este factorul de pierderi prin conductie electrica intr-un mediu

izolator de conductivitate , supus unui camp electric de frecventa unghiulara

f, unde f este frecventa campului electric aplicat.

(4)

2CUQ este puterea reactiva a condensatorului de capacitate C supus unei

tensiuni de valoare efectiva U

(5)

tan2CUP este puterea reactiva disipata in materialul izolator (6)

Valorile factorului de pierderi depind, in general, de structura materialelor, de

caracteristicile mediului ambiant, ale campului electric aplicat etc. In general, factorul de pierderi

are valori mai mici pentru materialele nepolare, caracterizate de o conductivitate electrica mica,

comparativ cu cea a materialelor polare.

Rigiditatea dielectrica reprezinta valoarea maxima a intensitatii campului electric, Estr, la

care poate fi supus un material izolator fara aparitia unei strapungeri. Valoarea sa experimentala

poate fi influentata de elemente precum esantionul de material, mediul ambiant etc, de aceea

determinarea sa implica colectarea unui set de date cu reprezentativitate statistica. Determinarea

experimentala a rigiditatii dielectrice a fost efectuata conform standardelor – colectarea unui set de

date care au fost apoi prelucrate statistic, fiind obtinuta o valoare medie si abaterea medie, pentru

lichidul de baza si proba de nanofluid magnetic testata.

IV.1.1.2. Metoda spectroscopiei dielectrice

Aceasta metoda de caracterizare electrica permite determinarea fenomenelor de relaxare

electrica legate de prezenta dipolilor si a sarcinilor electrice in materialul analizat. Spectroscopia

dielectrica ofera posibilitatea determinarii permitivitatii dielectrice a materialului in functie de

frecventa si temperatura. Domeniul de frecventa pe care poate fi aplicata este intre Hz si THz.

Fiind sensibila atat la specii dipolare cat si la sarcini electrice localizate in material, este o metoda

de caracterizare a electrica a materialelor izolatoare si a semiconductorilor cu privire la structura

acestora.

La aplicarea unui camp electric asupra unui material ce contine sarcini electrice se manifesta

fenomenul de polarizare electrica care este un proces rapid, cu timp de relaxare de ordinul 10-12s.

Un raspuns intarziat este determinat de relaxarea rezultata din polarizarea de reorientare datorita

dipolilor sau de polarizarea de interfata (efectul Maxwell – Wagner) [1].

6

Daca procesul de relaxare este descris de o functie macroscopica (t), de forma exponentiala:

m

tt

exp

(7)

unde m este timpul caracteristic de relaxare, atunci permitivitatea electrica complexa, in functie de

frecventa, poate fi exprimata de ecuatia Debye, numita si ecuatia timpului de relaxare singular [1]:

ms i

1

1*

(8)

unde * este permitivitatea electrica complexa dependenta de frecventa unghiulara, s si

sunt limita superioara si, respectiv, limita inferioara a permitivitatii dielectrice.

Pentru o comportare dielectrica de tip non-Debye, caracterizata de o distributie continua a

timpilor de relaxare, G , permitivitatea electrica complexa poate fi exprimata sub forma [2,3]:

01

d

i

G

s

*

(9)

in care functia de distributie G satisface conditia de normalizare:

10

dG

(10)

Principiul de masura este bazat pe determinarea capacitatii materialului analizat intr-un

condensator, *C , valoarea fiind apoi comparata cu cea a capacitatii condensatorului gol, 0C ,

descris de relatia:

0C

Ci

** (11)

Pe baza determinarilor componentelor permitivitatii complexe, rezulta factorul de pierderi

dielectrice, exprimat de:

tan [-] (12)

IV.1.1.3. Rezultate experimentale privind permitivitatea electrica complexa

si factorul de pierderi

Pentru determinarile experimentale a fost utilizat un montaj experimental conform cu Figura

1, compus dintr-un RLC -metru si un condensator. Pentru a obtine masuratori cat mai precise,

acesta din urma este reprezentat de o celula capacitiva Liquid Cell tip 50HT(50) cu doua straturi

conductoare de Indium Tin Oxide (ITO), transparenta, cu distanta dintre straturi d = 50 m si

7

suprafata electrozilor 25 mm2, caracterizata de capacitatea C0 = 7 pF (conform datelor de

producator), prezentata in Figura 2. In Figura 3 se observa cele sase celule de masura utilizate

umplute cu probele testate.

Fig. 1. Schema standului experimental pentru masuratorile dielectrice.

Fig. 2. Celula de masura Liquid Cell tip 50HT(50).

Fig. 3. Probele testate.

8

Determinarile experimentale au fost efectuate pentru domeniul de frecventa 20 Hz – 2 MHz

utilizand un RLC metru Agilent E4980A (SUA), si pentru domeniul de frecventa 1 mHz – 250 Hz,

cu un RLC metru HIOKI IM2833-01 (Japonia). Tensiunea aplicata a fost de 1V, corespunzand cu o

intensitate a campului electric de 20 kV/m. Masuratorile s-au efectuat la temperatura mediului din

laborator (22°C). Fiecare celula de masura a fost mai intai calibrata, fiind veirificata valoarea

capacitatii indicata de producator, rezultatele situandu-se in jurul valorii de 6.5 pF. Determinarile au

fost efectuate intr-o camera protejata, fara ecou electromagnetic.

Rezultatele obtinute pentru cele cinci probe si lichidul de baza sunt prezentate in Figurile 4 –

6.

Fig. 4. Componenta reala a permitivitatii electrice complexe relative.

Fig. 5. Componenta imaginara a permitivitatii electrice complexe.

9

Fig. 6. Factorul de pierderi dielectrice.

Din analiza rezultatelor (Fig.6) se observa ca atat lichidul de baza, UTR40, cat si probele de

nanofluid magnetic au prezentat un proces de relaxare la aplicarea campului electric in jurul

frecventelor joase cu maximul intre frecventele (1 - 100 Hz), precum si inceputul unui al doilea

dupa depasirea frecventei de 100 kHz. Procesul de relaxare apare atat in lichidul de baza cat si in

probele de nanofluid magnetic. Acest proces poate fi explicat pe baza modelului Schwarz [4-6].

Acesta a avut in vedere particulele coloidale incarcate electric cu ioni (inglobati sau adsorbiti la

suprafata) si inconjurate de contr-ioni, formand astfel un strat dublu electric la suprafata fiecarei

particule. La aplicarea campului electric, sistemul se polarizeaza datorita deplasarii contr-ionilor

fata de particule, acest proces fiind corelat cu un proces de relaxare corespondent. Timpul de

relaxare corespunzator acestui proces este dat de relatia:

ukT

R

2

2

(13)

in care R este raza particulei coloidale, T este temperatura absoluta, k este constanta Boltzmann iar

u este mobilitatea mecanica a ionilor la suprafata particulelor, care depinde de o energie de activare

[3,7]:

kT

Euu aexp0 (14)

Pentru domeniul analizat, se observa un minim al pierderilor dielectrice in domeniul 100 -

300 kHz, pentru cele cinci probe analizate, cu o usoara deplasare a minimului catre

frecvente, odata cu cresterea fractiei volumice a particulelor magnetice. Aceasta comportare este

sustinute si de cele evolutia celor doua componente ale permitivitatii complexe, reprezentate in Fig.

4 si Fig. 5.

10

IV.1.1.4. Rezultate experimentale privind rigiditatea dielectrica

Pentru determinarea acestei marimi a fost utilizat standul experimental din Figura 7, care este

format din celula de masura constand dintr-o cuva din Teflon si un sistem de electrozi avand

distanta dintre placi reglabila, cu valoarea minima 0.250 mm. Sursa de tensiune si sistemul de

amplificare High Voltage Amplifier TREK 40/150, permite o amplificare a tensiunii aplicate de

4000 ori, astfel ca tensiunea maxima aplicata a fost 40 kV, cu un pas de variatie de 200 V/s.

Fig. 7. Standul de masura a rigiditatii dielectrice.

A fost testat mai intai lichidul de baza TO40A, fiind efectuate 7 seturi de determinari cu 7 probe de

lichid. Procedura a fost repetata pentru proba de nanofluid magnetic 170703-1 (Ms = 520 G).

Rezultatele obtinute sunt prezentate in Figura 8. Se observa o scadere a tensiunii de strapungere

pentru nanofluidul magnetic, comparativ cu cea determinata pentru lichidul de baza, rezultatul fiind

explicabil prin concentratia relativ ridicata a nanoparticulelor magnetice.

Fig. 8. Determinarile experimentale pentru tensiunea de strapungere

in functie de distanta dintre electrozi.

11

Pe baza acestor rezultate a fost determinata rigiditatea dielectrica a probei de nanofluid magnetic

170703-1 si a lichidului sau de baza TO40A, valorile depinzand de distanta dintre electrozi:

- pentru lichidul de baza: 173±3,43 MV/m (la 0.250 mm) ... 28,86±0,466 MV/m (la 1.5 mm).

- pentru proba de nanofluid magnetic: 15,66±0,823 MV/m (la 0.250 mm).... 6,7±0,559

MV/m (la 1.5 mm).

IV.1.2. Determinarea experimentala a proprietatilor structurale ale probelor de nanofluid

magnetic pentru dilutiile preparate

Investigațiile de granulometrie prin metoda DLS au fost efectuate pe un instrument Zetasizer

Nano ZS (Malvern, UK), prin împrăștierea înapoi (la un unghi de 173°) a unui fascicul de lumină cu

lungimea de undă de 632.8 nm (laser HeNe).

Un volum de 1.5 ml probă a fost măsurat într-o cuvă termostatată de polistiren cu diametrul

de 10 mm. În total au fost efectuate 6 măsurători (conform standardelor în vigoare) la temperatura

de 25˚C, rezultatul obținut fiind o medie a acestora. Pentru măsurătorile de potențial Zeta s-a utilizat

celula Dip Cell.

S-au repetat măsuratorile DLS pentru proba MF/UTR 4T (cod 161101-2, Ms = 1013 G),

preparata in cadrul Etapei 3/2016 . S-a preparat o diluție din această probă cu o densitate de 0,99

g/cm3 la 28 ˚C și o magnetizație calculată de 125 G, rezultatele măsurătorilor fiind redate în Tabelul

II :

Tabelul II

Nr.

Crt.

Probă T °C Z-Ave

[nm]

PdI ZP

[mV]

Zeta Dev

[mV]

Mob

[µmcm/Vs]

Cond

[mS/cm]

14 MF/UTR 4T [161101-2] F 1 25.0 3610 4.69e5 0.01174 2.75e-4

15 MF/UTR 4T [161101-2] F 2 25.0 -4070 4.67e5 -0.01325 4.33e-4

16 MF/UTR 4T [161101-2] F 3 25.0 -488 4.69e5 -0.001588 1.20e-4

17 MF/UTR 4T [161101-2] F 4 25.0 -6680 4.69e5 -0.02175 3.57e-4

18 MF/UTR 4T [161101-2] F 5 25.0 554 4.68e5 0.001803 2.29e-4

19 MF/UTR 4T [161101-2] F 6 25.0 8830 4.67e5 0.02874 1.87e-4

20 MF/UTR 4T [161101-2] avg 25.0 292 4.68e5 9.506e-4 2.67e-4

21 MF/UTR 4T [161101-2] F 1 25.0 13.76 0.259

22 MF/UTR 4T [161101-2] F 2 25.0 13.58 0.226

23 MF/UTR 4T [161101-2] F 3 25.0 13.60 0.217

24 MF/UTR 4T [161101-2] F 4 25.0 13.18 0.204

25 MF/UTR 4T [161101-2] F 5 25.0 13.35 0.211

26 MF/UTR 4T [161101-2] F 6 25.0 12.98 0.149

27 MF/UTR 4T [161101-2] avg 25.0 13.41 0.211

12

După cum se poate observa din datele regăsite în tabel mobilitatea electroforetică în cazul

probelor pe baza de ulei de transformator este foarte mică, iar valorile calculate pentru potențialul

Zeta (după modelul Smoluchowski) nu sunt reproductibile.

DISTRIBUȚIA DUPĂ INTENSITATE

DISTRIBUȚIA DUPĂ NUMĂR

13

DISTRIBUȚIA DUPĂ VOLUM

POTENȚIALUL ZETA

Bibliografie

1. G. Williams, D.K. Thomas, Phenomenological and Molecular Theories of Dielectric and

Electrical Relaxation of Materials, Novocontrol Application Note Dielectrics 3,

https://www.novocontrol.de/pdf_s/APND3.PDF

2. Y. Feldman, A. Puzanko, and Y. Ryabov, Dielectric Relaxation Phenomena in Complex

Materials, in Fractals, Diffusion, and Relaxation in Disordered Complex Systems, Chemical

Physics Part A, Vol. 133, 2005, cited in [3]

3. M. Rajnak, J. Kurimsky, B. Dolnik, K. Marton, L. Tomco, A. Taculescu, L. Vekas, J. Kovac, I.

Vavra, J. Tothova, P. Kopcansky and M. Timko, Dielectric response of transformer oil based

ferrofluid in low frequency, Journal of Applied Physics, 114, 034313 (2013)

4. G. Schwartz, A theory of the low-frequency dielectric dispersion of colloidal particles in

electrolyte solution, J. Phys. Chem.,66(12), 2636–2642, 1962.

14

5. M.M. Radulescu, Low-frequency dielectric losses in frrofluids containing magnetite particles in

kerosene, J Magn Magn Mater, 85, 144-146, 1990.

6. I. Malaescu, C.N. Marin, Dependence on the temperature of the activation energy in the dielectric

relaxation processes for ferrofluids in low frequency fields, J Magn Magn Mater, 252, 68-70, 2002

7. I. Malaescu, C.N. Marin, Dielectric behaviour of some ferrofluids in low frequency fields, J

Colloid Interface Sci, 251, 73-77, 2002

7. Realizarea prototipului sistemului hibrid de recoltare a energiei din mediul

inconjurator prin conversie fotovoltaica si transformare DC/DC cu integrare MEMS si

stocare a energiei cu supercapacitori

2.1. Realizarea sistemului de conversie fotovoltaica

In Etapa II si Etapa III a proiectului s-a prezentat pe larg modul de preparare a stratului

antireflex pe baza de nanoparticule de ZnO, utilizat. Stratul insamantat de ZnO si filmul cu ZnO

nanostructurat obtinute au fost apoi caracterizate structural prin difractie de raze X (X Bruker-AXS

type D8 Advance), morfologic prin microscopie electronica de baleaj (SEM, Zeiss Auriga) si optic

prin spectrofotometrie UV-VIZ-NIR (Spectrofotometrul UV-VIS-NIR Jasco 570). Filmul antireflexiv

de ZnO nanostructurat a fost utilizat cu o celula fotovoltaica pe baza de siliciu si supusa

masuratorilor pentru determinarea parametrilor functionali ai celulei, cu sticla simpla si cu sticla

acoperita cu ZnO nanostructurat. Prepararea unor acoperiri antirefelexive pe baza de ZnO

nanostructurat pentru panouri fotovoltaice s-a realizat in 3 etape si anume:

1. Depunerea stratului insamantat de ZnO prin speyere pirolitica, centrifugare si tratamete termice,

Fig. 9;

2.Cresterea hidrotermala a nanostructurilor de ZnO;

3. Caracterizarea structurala, morfologica si optica a filmelor nanostructurate de ZnO obtinute.

Fig. 9. Depunerea stratului insamantat de ZnO prin speyere pirolitica, centrifugare si tratamete termice.

Celulele fotovoltaice cu strat activ de siliciu acoperite cu sticla simpla si cu sticla cu ZnO

nanostructurat au fost caracterizate prin utilizarea simulatorului solar SIM 3C HIGHLIGHT PASAN

pentru analize de eficienta si putere, precum si pentru determinarea parametrilor functionali

(eficienta, puterea, tensiunea de circuit deschis si curentul de scurt circuit). Simulatorul mentionat

este un echipament precis, fiind capabil de a ajusta valoarea iradianta intre 100 W/m2 si 1000 W/m2

(uniformitatea luminii si stabilitatea luminii sub 1%). Toti parametrii functionali ai celule

fotovoltaice, sunt in crestere cu cresterea valorii pentru iradierea luminii (100W/m2 pana la

1000W/m2) si prezinta valoari mai mari pentru celulele cu sticla acoperita cu ZnO nanostructurat.

15

Eficienta de transformare a energiei luminoase in energie electrica creste de la 7,79% pentru

100W/m2 până la 9,23% pentru 1000/m2 pentru celula cu sticla simpla, iar pentru cele cu sticla

acoperita cu ZnO nanostructurat prezinta valoari intre 8,06% pana la 9,26%, pentru aceeasi

iradianaa a luminii. Aceasta crestere a eficientei se datoreaza reflectivitatii sticlei, care este redusa

cu ~ 5%, cand se aplica ZnO nanostructurat pe sticla. Curentul de scurt-circuit prezinta valori de la

0.015A la 0.140A pentru celula cu sticla simpla si valori de la 0.016A la 0.141A pentru celule cu

sticla acoperita cu ZnO nanostructurat; tensiunea de circuit deschis prezinta o valoare de la 9.58V

la 10.92V pentru celulele cu sticla si 9.66V la 10.94V pentru celule cu sticla acoperita ZnO

nanostructurat; puterea a crescut de la 0.105W la 1.134W pentru sticla si de la 0.109W la 1.40W

pentru celula cu sticla acoperita cu ZnO nanotexturat.

Fig. 10. Prototipul sistemului de conversie fotovoltaica.

In final, s-au asamblat patru celule fotovoltaice inseriind cite doua structuri de cite doua celule

dispuse in parallel ca in Fig. 10, cu caracteristicile evidentiate mai sus, pentru a realiza prototipul

sistemului de conversie fotovoltaica.

2.2. Realizarea convertorului DC/DC cu integrare MEMS ce utilizeaza circuitul integrat

LM25017

Circuitul integrat LM25017 are numeroase aplicaţii si va fi utilizat în acest caz pentru conversia

DC - DC (cu separare galvanică utilizând transformatorul planar cu circuit magnetic din ferita si

ferofluid magnetic). In Fig. 11 se prezinta schema electronica a convertorului DC/DC cu integrare

MEMS ce utilizeaza circuitul integrat LM25017, [10].

Fig. 11. Schema electronica a convertorului DC/DC cu integrare MEMS ce utilizeaza circuitul integrat LM25017, [12],

[13].

LM2517

BST

VIN SW

RON

VCC

UVLO

FB

RTN

VIN

15V-48V

CIN CBYP

RUV2

RUV1

RON

CBST

Rr

Cr

D1

+ +

- -

+

-

+

-

-

+

D2 RFB2

RFB1 CVCC

COUT1

VOUT1

VOUT2

COUT2 +

N2

Tr

1

1:1

N1

CDC

16

2.2.1. Modelarea numerică a transformatorului FBT utilizat în construcţia sursei de putere

electrică a dispozitivului de recoltarea a energiei

Dezvoltarea recentă a circuitelor electronice integrate de mică putere impune constrângeri din ce în

ce mai mari cu privire la consumul de energie al dispozitivelor de recoltare a energiei (EH), inclusiv

asupra transformatoarele electrice care asigură conversia CC/CC. Această lucrare prezintă modelul

matematic și rezultatele simulării numerice pentru un transformator planar flyback (FBT), a cărui

coloană centrală prezintă un întrefier axial. FBT-ul este alimentat cu o tensiune PWM la frecvența

de 1 kHz.

1. Introducere

În transformatoarele alimentate în c.a stocarea energiei este inevitabilă, dar în general nedorită. În

afară de curenții de magnetizație, amperspirele asociate sarcinii, se anulează complet, iar energia

magnetică este stocată în inductanță de scăpări (în circuitul electric echivalent al transformatorului)

[1-5]. Curenții de magnetizație (mici, care nu sunt în opoziție, adiționale) produc forța

magnetomotoare (mmf), care conduce fluxul magnetic prin miezul magnetic de reluctanță redusă al

transformatorului. Acest flux de magnetizație (si curenții de magnetizație asociați) este independent

de curentul de sarcină și furnizează cuplarea magnetică ale înfășurărilor, ceea ce reprezintă punctul

cheie în funcționarea transformatorului [1-5]. Energia magnetică aflată în așteptare se disipă prin

pierderi în histerezis, cleme și descărcătoare. În final, forța mmf asociată curentului de sarcină

există doar în spațiul dintre înfășurări (aici amperspirele nu se anulează). Fluxul magnetic (de

scăpări), prin urmare energia magnetică asociat căderii de tensiune magnetomotoare, se împarte

între înfășurări și nu realizează cuplarea dintre acestea. Ori de câte ori tensiunea este oprită, această

energie se disipă în clame și descărcătoare. Faţă de transformatoarele alimentate în c.a, principalul

rol al transformatoarelor alimentate de la surse în comutație este de a stoca și apoi de a furniza

energie electromagnetică sarcinii. Curenții din primar și secundar (amperspirele) sunt secvențiali și

nu simultane, și nu se anulează. Câmpul magnetic produs de amperspirele combinate din primar -

secundar (numit “câmp magnetic de c.c.”) contribuie la stocarea energiei magnetice, în timp ce

amperspirele diferențiale produc câmpul de scăpări, nedorit, numit “câmp magnetic de c.a”.

Transformatoarele surselor în comutație au un design specific, cu scopul de a optimiza funcționarea

de tip ''inductor'', esențială pentru stocarea energiei magnetice [5] pentri a fi ulterior furnizată

sarcinii. Deoarece foarte puțină energie poate fi stocată într-un circuit de reluctanță scăzută, miezul

magnetic este prevăzut cu un întrefier nemagnetic plasat în mod uzual în coloana centrală.

Studii anterioare s-au bazat pe parametrii concentrați ai circuitului electric al unui transformator

flyback (FBT), care pot rezulta din condițiile de funcționare staționare, Fig. 12, a [2]. Aici, utilizând

o versiune simplificată a modelului (Fig. 12, b) analizăm condițiile de funcționare cvasi-staționare,

care au loc atunci când FBT-ul este alimentat de la o sursă de tensiune de tip PWM.

a. Modelul detaliat b. Modelul simplificat

Fig. 12. Transformatorul flyback (FBT) cu un întrefier din aer în coloana centrală. Înfășurările sunt planare, spirale

(30:30). Dimensiunile sunt în milimetri.

17

Modelul simplificat al FBT-ului 1:1 cu înfășurări planare, cu câte 30 de spire, este închis într-un un

miez magnetic de tip oală, din ferită. Coloana centrală prezintă un întrefier din aer pentru stocarea

energiei magnetice. Înfășurările sunt aproximate cilindrice, cu spire circulare concentrice.

Modelarea numerică este utilizată pentru a identifica spectrul câmpului electromagnetic şi căile de

curent din FBT. Pe baza acestor rezultate sunt calculate inductivităţile mutuală, de scăpări şi de

magnetizare, care sunt parametri de circuit echivalenţi importanţi în proiectarea FBT. FBT este

alimentat de la o sursă de tnsiune PWM. Operarea la frecvenţe înalte conduce la apariţia unor

curenţi de deplasare care sunt o sursă suplimentară de câmp magnetic, de care acest studiu ţine

seama.

Fig. 20 prezintă un al doilea model FBT 1:1, prevăzut cu un întrefier în coloana centrală, cu patru

bobine, înseriate câte două, pentru fiecare înfăşurare (primar şi secundar).

Fig. 20. Transformatorul flyback (FBT) simplificat, cu un întrefier din aer dispus în coloana centrală a miezului și două

înfăşurări alcătuite din câte două bobine plane, spirale, din cupru. Dimensiunile sunt în milimetri.

1. Modelul matematic și implementarea sa numerică

Deși domeniul de calcul (Fig. 20) astfel simplificat prezintă simetrie axială, un model bidimensional

axial nu este disponibil, înfăşurările fiind cuplate la circuite electrice: primar, sursa de tensiune

PWM, secundar, circuitul de sarcină.

Câmpul electromagnetic este descris de

legea inducţiei electromagnetice

E B

t, (15)

şi de legea circuitului magnetic

HJ D

t, (16)

unde E [V/m] este intensitatea câmpului electric, B [T] este inducția magnetică, H [A/m] este

intensitatea câmpului magnetic, D [C/m2] este inducția electrică, J [A/m2] este densitatea curentului

18

electric de conducție, și

D

t [A/m2] este densitatea curentului electric Hertzian, de deplasare. La

acestea se adaugă legea fluxului electric

D0, legea fluxului magnetic

B0, legea conservării

sarcinii electrice

J0, și legea constitutivă pentru câmpul magnetic

BH (presupunând medii

magnetice lineare), unde µ [H/m] este permeabilitatea magnetică absolută [1,6]. Condiția la limită

care închide problema de câmp magnetic este izolaţie magnetică.

Fig. 21. Circuitul echivalent pentru transformatoarele alimentate în c.a. Pierderile rezistive nu sunt reprezentate.

Condițiile la limită care închid modelul sunt (Fig. 19) izolaţie magnetică și electrică pe suprafețele

exterioare ale domeniului de calcul. Fig. 21 arată circuitul electric echivalent utilizat pentru rezolvarea

problemei.

2.2.2. Realizarea practica a circuitului de stocare a energiei cu supercapacitori

Deoarece sistemului de conversie fotovoltaica, (ca sursa de tensiune pentru convertorul DC/DC)

poate furniza diferite niveluri de tensiune, in functie nivelurile de iluminare, la iesirea VOUT2 a

convertorului DC/DC. Circuitul electronic de stocare a energiei cu supercapacitori actioneaza ca o

zona tampon, astfel incit sa se poata alimenta senzorii pentru toate nivelurile de iluminare. Schema

electronica a circuitului electronic de stocare a energiei cu supercapacitori este prezentata in Fig. 22.

Fig. 22. Schema electronica a circuitul electronic de stocare a energiei cu supercapacitori.

Bateria formata din patru supercapacitori dispusi in paralel cu valoarea 0.1 F, echivaleaza cu un

supercapacitor cu valoarea de 0.4 F. Acestia sunt dispusi la iesirea unui regulator care furnizeaza la

iesire o tensiune de 3.3 VCC de tipul LM 1117T, de productie National Semiconductor, [14]. Dioda

D1, Fig. 22 are rolul de a directiona curentul de la iesirea regulatorului liniar numai catre

consumator. In Fig. 23 se prezinta circuitul electronic de stocare a energiei cu supercapacitori,

realizare practica.

LM

1117T

3.3V

0.47µ 47 µF

50V 4 x 0,1F + 5 Vcc

0 V

IN OUT

0.47µ

1N4007

D1

ZS

19

Fig. 23. Circuitul electronic de stocare a energiei cu supercapacitori, realizare practica.

2.2.3. Realizarea practica a transformatorul planar cu circuit magnetic realizat din ferita si

nanofluid magnetic

Transformatorul planar cu circuit magnetic realizat din ferita si nanofluid magnetic este utilizat in

circuite electronice ca transformator separator, in aplicatii de tip Harvesting Enery, in cazul nostru ca

transformator separator in convertorul DC/DC. Utilizarea unui naofluid magnetic specific, cu

magnetizatia de saturatie ridicata, intre 500 Gs si 1000 Gs, ca miez lichid, parte a circuitului magnetic

elimina toate intrefierurile si liniile de camp magnetic de dispersie. De asemenea, realizarea unui cuplaj

magnetic imbunatatit se obtine prin forma constructiva a bobinelor planare. Utilizarea miezurilor

magnetice din ferita suprapuse simetric, Fig. 24, in conjunctie cu nanofluidul magnetic specific pentru

realizarea ansamblului circuit magnetic determina extinderea domeniului de frecventa de pina la 1000

Mhz.

Nanofluidul magnetic este obtinut prin metoda co-precipitarii reprezentând o suspensie coloidala de

nanoparticule de magnetita Fe3O4 acoperite cu un strat de surfactant acid oleic si dispersate in ulei de

transformator, cu caracteristica magnetică ce necesita o magnetizatie de saturatie intre 500 Gs si 1000

Gs, Fig. 25, iar fractia volumica in intervalul 22-24%, valorile susceptivitatii magnetice initiale 4.224E-3

emu/Oe, respectiv 7.680E-3 emu/Oe si stabilitate cinetica. Transformatorul planar cu circuit magnetic

realizat din ferita si nanofluid magnetic este alcătuit dintr-un ansamblu de bobine planare, un ansamblu

circuit magnetic si un ansamblu carcasă.

A.

B.

20

C.

Fig. 24. Bobina planara A, miezurile magnetice din ferita B si dispunerea bobinelor planare in miezurile magnetice

din ferita, C-realizari practice.

Fig. 25. Curbele de primă magnetizare pentru probele MF1000 respectiv MF500 corespunzatoare magnetizatiilor de

saturatie la 1000 Gs respectiv 500 Gs.

A. Nanofluid magnetic cu magnetizatia de saturatie

500 Gs.

B. Nanofluid magnetic cu magnetizatia de

saturatie 1000 Gs.

Fig. 26. Spectrul liniilor de câmp magnetic in cazul alimentarii transformatorului planar pe la cele două bobine primare.

21

Fig. 27. Capturi de osciloscop ale formelor de unda pentru tensiunea primară de excitatie (2) si pentru tensiunea din

secundarul transformatorului (1), pentru frecventa 500,3 kHz.

Realizarea formei constructive, precum si caracteristicile transformatorului, conduc la posibilitatea

folosirii in aplicatii ale convertoarelor DC/DC cu utilizare in domeniul Harvesting Energy, in

domeniul extins de frecventa 500 – 1000 Mhz, Fig. 11 si Figurile 26-27. In Fig. 28 este prezentat

ansamblul carcase-realizare practica.

Fig. 28. Transformatorul planar cu circuit magnetic realizat din ferită si nanofluid magnetic, ansamblul carcasă realizare

practică.

Fig. 29. Transformatorul planar cu circuit magnetic realizat din ferită si nanofluid magnetic, realizare practică.

In Fig. 29 este prezentat transformatorul planar cu circuit magnetic realizat din ferită si nanofluid

magnetic-realizare practică.

22

2.2.4. Realizarea practica a cablajelor imprimate aferente convertorului DC/DC cu integrare

MEMS

Circuitele imprimate proiectate cu ajutorul programului CAD, au fost realizate printr-un procedeu

electrochimic.

Fig. 30. Circuitul imprimat al convertorului DC/DC, realizare practica.

In Fig. 30 se prezinta circuitul imprimat al convertorului DC/DC, realizare practica.

2.2.5. Realizarea practica a prototipului convertorului DC/DC cu integrare MEMS

In figura Fig. 31 este prezentat convertorul DC/DC, prototip, realizare practica.

Fig. 31. Convertorul DC/DC, prototip, realizare practica.

23

A. Masuratori experimentale in regim dinamic efectuate asupra transformatorului planar

cu circuit magnetic realizat din ferită si nanofluid magnetic

S-au efectuat masuratori experimentale asupra transformatorului planar cu circuit magnetic realizat

din ferită si nanofluid magnetic. Pentru a realiza masuratori experimentale in regim dinamic,

transformatorul este montat intr-o schema electronica de incadrare ca in Fig. 32. Secundarul

transformatorului este conectat la canalul 1 al osciloscopului digital TDS 2012B. De la un generator

de functii arbitrare FLUKE PM 5138A s-a stabilit un semnal de excitatie cu o forma de unda

dreptunghiulara, cu parametrii: A=10Vvv, k=50%, f=100 kHz ... 1000 kHz. Semnalul cules de la

generatorul de functii arbitrare este de asemenea aplicat pe canalul 2 al osciloscopului digital TDS

2012B.

Fig. 32. Circuit electronic de testare pentru transformatorul planar cu circuit magnetic realizat din

ferită si nanofluid magnetic.

In urma efectuarii testelor, s-au obtinut capturile din Fig. 33.

A. Forma de undă de pe secundarul transformatorului

pentru frecvența de 100 kHz, evidențiată cu galben. Cu

albastru este evidențiată forma de unda a generatorul de

functii arbitrare.

B. Forma de undă de pe secundarul transformatorului

pentru frecvența de 200 kHz, evidențiată cu galben. Cu

albastru este evidențiată forma de unda a generatorul de

functii arbitrare.

+ Vcc = 12Vcc

BD 139

BD 140

R1

10 Ω

T1

T2 R2

10 KΩ

T3

G4PF50W

R3

470 Ω

Tr.1

1:1

R4

470 Ω

Către

Canal 1

Osciloscop

-VEE

C1

0,022µF

Generator de funcții

arbitrare 10Vvv, k=50%

f=100 kHz ... 500 KHz

24

C. Forma de undă de pe secundarul transformatorului

pentru frecvența de 300 kHz, evidențiată cu galben. Cu

albastru este evidențiată forma de unda a generatorul de

functii arbitrare.

D. Forma de undă de pe secundarul transformatorului

pentru frecvența de 400 kHz, evidențiată cu galben. Cu

albastru este evidențiată forma de unda a generatorul de

functii arbitrare.

E. Forma de undă de pe secundarul transformatorului

pentru frecvența de 500 kHz, evidențiată cu galben. Cu

albastru este evidențiată forma de unda a generatorul de

functii arbitrare.

F. Forma de undă de pe secundarul transformatorului

pentru frecvența de 600 kHz, evidențiată cu galben. Cu

albastru este evidențiată forma de unda a generatorul de

functii arbitrare.

G. Forma de undă de pe secundarul transformatorului

pentru frecvența de 700 kHz, evidențiată cu galben. Cu

albastru este evidențiată forma de unda a generatorul de

functii arbitrare.

H. Forma de undă de pe secundarul transformatorului

pentru frecvența de 1000 kHz, evidențiată cu galben. Cu

albastru este evidențiată forma de unda a generatorul de

functii arbitrare.

Fig. 33. Formele de undă de pe secundarul transformatorului pentru frecvențe cuprinse intre 100 kHz-1000 kHz.

Din analiza capturilor redate in Fig. 33, deducem ca transformatorul planar cu circuit magnetic

realizat din ferită si nanofluid magnetic are o foarte buna comportare in frecventa, pentru unda

dreptunghiulara.

25

B. Experimentarea prototipului sistemului de conversie fotovoltaica, ca sursa de tensiune

pentru convertorul DC/DC

Caracteristicile curent electric - tensiune determinate pentru modulul fotovoltaic compus din patru

module de tip CONRAD policristalin, au fost stabilite pentru o expunere la următoarele tipuri de

radiație: 1000 W/m2, 100 W/m2, 200 W/m2, 400 W/m2, 700 W/m2, 400 nm (echivalent 33 W/m2) și

900 nm (echivalent 61 W/m2). Cele 4 module de tip CONRAD cu tensiunea de 9V au fost cuplate 2

în serie și 2 în paralel obținându-se o configurație cu o suprafață totală de 492 cm2. Suprafața unei

singure celule este de 3,42 cm2. Întregul modul este cumpus de 4 șiruri de celule cuplate în

configurație paralel, fiecare șir având fiecare 36 de celule cuplate în serie. Celula de monitorizare cu

care este dotat echipamentul ca relulă de referință are seria 0020003500000592, sensibilitatea de

135.810 mV/(kW/m²) și coeficientul de temperatură considerat 0.00%/°C. Temperatura

monitorizată a fost de aproximativ 20°C. Valorile caracteristicilor din TABELUL XVI au fost

obtinute cu ajutorul simulatorului solar Pasan Meyer Burger HighLight 3, Fig. 34.

Fig. 34. Simulator solar Pasan Meyer Burger HighLight 3, vedere dinspre sursa de radiatie.

S-a procedat la aplicarea unor masti, precum si la aplicarea unor filtre.

TABELUL XVI Determinările experimentale pentru sistemul de conversie fotovoltaica

Radiația solară 1000 W/m2 100W/m2 200W/m2 400W/m2 700W/m2 400nm 900nm

Temperatura celulei de

monitorizare 19.92 °C 20.01 °C 20.01 °C 20.01 °C 20.01 °C 20.01 °C 20.01 °C

Temperatura

dispozitivului testat 19.93 °C 19.98 °C 20.00 °C 20.02 °C 20.06 °C 20.06 °C 20.10 °C

Valoarea compensate a

temperaturii 25.00 °C 25.00 °C 25.00 °C 25.00 °C 25.00 °C 25.00 °C 25.00 °C

Gavg

991.79 W/m² 111.52 W/m² 205.42 W/m² 417.58 W/m² 730.22 W/m² 33.49 W/m² 62.39 W/m²

GstdDev 0.31 W/m² 0.15 W/m² 0.07 W/m² 0.16 W/m² 0.15 W/m² 0.06 W/m² 0.53 W/m²

Valoarea compensată a

radiației 1000.00 W/m² 109.00 W/m² 202.60 W/m² 409.00 W/m² 718.00 W/m² 33.00 W/m² 61.00 W/m²

Voc (regresie liniară) 21.841 V 19.126 V 19.917 V 20.804 V 21.483 V 16.762 V 18.475 V

Isc (regresie liniară) 0.196 A 0.025 A 0.045 A 0.086 A 0.145 A 0.006 A 0.017 A

Rs (regresie liniară)

7.705 Ω 76.502 Ω 34.931 Ω 16.210 Ω 10.553 Ω 306.565 Ω 90.260 Ω

Rsh (regresie liniară) 475.107 Ω

4877.640 Ω 1940.255 Ω 1205.112 Ω 589.504 Ω 33337.487 Ω 9136.429 Ω

Puterea maximă 2.305 W 0.259 W 0.463 W 0.909 W 1.638 W 0.057 W 0.168 W

Tensiunea în punctul de

putere maximă 19.650 V 13.508 V 13.801 V 18.996 V 19.461 V 11.984 V 13.196 V

Curentul electric în

punctul de putere

maximă

0.117 A 0.019 A 0.034 A 0.048 A 0.084 A 0.005 A 0.013 A

Factor de umplere 53.93% 53.86% 51.99% 51.05% 52.73% 54.32% 54.22%

Eficiența celulei 4.69%

4.83% 4.65% 4.52% 4.64% 3.50% 5.61%

Eficiența dispozitivului

testat

4.69%

4.83% 4.65% 4.52% 4.64% 3.50% 5.61%

26

Din analiza grafică a caracteristicilor curent electric – tensiune, TABELUL XVI, se poate observa

fenomenul de schimbare parțială a pantei curentului care pentru valori mari ale radiației se produce

la tensiuni relativ mici (4,5 V pentru 1000 W/m2), iar pe măsură ce radiația solară scade modificarea

pantei curentului se deplasează spre valori mai mari ale tensiunii ajungând să fie insesizabilă (în

cazul filtrului de 400 nm). Modificarea se datorează indicelui de refracție al materialului protector

care tinde să reflecte mai mult pe măsură ce radiația crește, iar suprafața de separare constituită

practic din cele două medii are rol de atenuator. Ar putea exista și fenomenul de polarizare a

materialului protector aspecte justificate de absența acestuia în cazul valorilor reduse ale radiației

solare.

3.3 Experimentarea prototipului convertorului DC/DC cu integrare MEMS cuplat cu

sistemului de conversie fotovoltaica ca sursa de tensiune, pentru mai multe tipuri de sarcini,

corespunzatoare senzorilor wireless utilizati

Ca senzori wireless s-a ales reteaua de senzori realizata pe platforma de comunicatie Wunderbar IOT Starter

produsa de Relayr. Acesta este un sistem WI-FI complet portabil, low-power, avand in compunere 7 mini

module hardware care pot fi detasabile unul de celalalt și plasate in zonele de masura pentru achizitia datelor

(incluzand 5 placi de senzori, un modul tip bridge pentru conectarea senzorilor suplimentari compatibili și un

modul master care transmite pachetele de informații de la senzor spre routerul WI-FI). Fiecare modul are in

dotare facilitatea Bluetooth Low Energy (BLE), switch on/off, precum și o baterie de alimenare tip CR2032

de 3V, Fig. 35.

Fig. 35. Arhitectura de amplasare a retelei de senzori. In partea dreapta se observa prezenta bateriilor de alimenare tip

CR2032 de 3V.

27

Mini-modulele de senzori achizitioneaza, prelucreaza si transfera informatia pentru urmatorii

parametrii: luminozitate, culoare, distanta, zgomot, temperatură, umiditate. De asemenea, exista un

accelerometru, un giroscop si un transmitator in infra-roșu cu capacitatea de control de la distanță.

Platforma Wunderbar are disponibilitate de descărcare pentru diverse kituri de dezvoltare software

(SDK) pentru IOS, Android și Node js. inclusiv pentru aplicațiile de testare care pot fi descărcate de la

relayr.io, folosind SDK-urile aplicatiei open source. Se doreste alimentarea practica a cel putin doi senzori

din grupul descris mai sus, folosind „sistemul hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin

conversie fotovoltaica si transformare DC/DC cu integrare MEMS si stocare adaptiva”, sistem de

alimentare care este rezultatul practic, final al prezentului proiect de cercetare. Pentru alimentarea oricarui

senzor din grupul descris mai sus sunt necesare informatii privind consumul de energie electrica al

senzorului respectiv si parametrii statici si dinamici ai sursei de alimentare. Tipul de baterie (CR2032 – 3V)

este utilizat de oricare dintre senzori si recomandat de producator. In concluzie, o modalitate practica pentru

alimentarea oricarui senzor din grupul Wunderbar de la „sistemul hibrid de recoltare a energiei din mediul

inconjurator prin conversie fotovoltaica si transformare DC/DC cu integrare MEMS si stocare adaptiva”

este alinierea caracteristicilor tehnice (electrice) ale sistemului nostru la caracteristicile electrice ale bateriei

CR2032. Mai departe vom analiza aceste caracteristici ale bateriei „Lithium Coin/Button cell” CR2032.

1. Tensiunea nominala furnizata de baterie este de 3V.

2. Tensiunea la care bateria este considerata descarcata este de 2V.

3. In functie de producator, capacitatea bateriei este de aproximativ 220 mAh – 230 mAh

(producatori analizati: „GP Bateries”, „Camelion”, „Varta”, „Duracell”, etc.).

4. Durata de utilizare in functie de curentul debitat: 2-3luni/100 µA; 2 ani/10 µA; 10 ani/2

µA.

5. Curent maxim de descarcare in regim continuu: 3 mA.

6. Curent maxim de descarcare in impuls: 10 mA.

7. Capacitatea de 230 mAh (Varta) este determinata pentru o descarcare pana la 2 V pe o

rezistenta de sarcina standard de 5,6 kΩ, la o temperatura de 20 °C.

8. Tensiunea furnizata in functie de rezistenta de sarcina este data in Fig. 36. (Varta)

9. Capacitatea bateriei in functie de rezistenta de sarcina este data in Fig. 37. (Varta)

Fig. 36. Tensiunea furnizata de bateria CR2032 in functie de rezistenta de sarcina.

Fig. 37. Capacitatea bateriei CR2032 in functie de rezistenta de sarcina.

Se observa ca parametrii electrici descrisi mai sus sunt acoperiti cu prisosinta de „sistemul

hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica si transformare

28

DC/DC cu integrare MEMS si stocare adaptiva”. Ba mai mult, tinand cont de circuitul electronic

de stocare a energiei cu supercapacitori si de faptul ca sistemul nostru este alimentat cu energie in

mod continuu, o parte din problemele specifice unei baterii nu se mai pun. Un calcul energetic

simplu arata ca, la un consum mediu de 10 µA, numai din energia stocata in supercapacitori

„sistemul hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica si

transformare DC/DC cu integrare MEMS si stocare adaptiva” poate alimenta un consumator timp

de cca 10 ore.

Fig. 38. Experimentarea prototipului convertorului DC/DC cu integrare MEMS cuplat cu sistemului de conversie

fotovoltaica ca sursa de tensiune.

In Fig. 38 se prezinta prototipul convertorului DC/DC cu integrare MEMS cuplat cu sistemului de

conversie fotovoltaica ca sursa de tensiune, in cursul experimentarilor.

ARFT si UPT au participat la realizarea prototipului „sistemului hibrid de recoltare a energiei din

mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica si transformare DC/DC cu integrare MEMS si

stocarea energiei cu supercapacitori” prin furnizarea fluidului magnetic utilizat in acest prototip.

Fig. 39.

Fig. 40.

Fig. 39. – 40. Imagini de la sedinta de lucru din sediul ICPE-CA Bucuresti, din data de

30.VIII.2017.

29

Bibliografie

[1] C.V. Bălă, Electrical Machines, (in Romanian) EdDP, 1980.

[2] J.B. Dumitru, A.M. Morega, L. Pîslaru-Dănescu, M. Morega, “High frequency miniature planar transformer for

energy harvesting applications”, EPE, 2016, Iaşi, Romania.

[3] J. Hogerheiden, M. Ciminera, G. Jue, “Improved planar spiral transformer theory applied to a miniature lumped

element quadrature hybrid”, IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, vol. 45, 4, pp. 543-545, 1997.

[4] Yim-Shu Lee; Leung-Pong Wong; Cheng, D.K.-W. “Simulation and design of integrated magnetics for power

converters”; IEEE Transactions on Magnetics, vol. 39, 2, pp. 1008 – 1018, March 2003.

[5] L.H. Dixon, Designing Planar Magnetics, Texas Instruments.

[6] Comsol Multiphysics, v. 5.2a.

[7] C.I. Mocanu, Teoria Electromagnetismului, (in Romanian) Ed. Tehnică, Bucureşti, 1982.

[8] Flyback Transformer, EPA3385 Data Sheet PCA Electronics Inc.

[9] Flyback Power Transformer, EPc3130-2, CSC3130-X Rev.7, 3/27/04 Data Sheet PCA Electronics Inc

[10] MABAES0032 Data Sheet, Transformer, 1:1 Transmission Line Transformer, 5 to 1000 MHz, Rev. V3, M/A -

COM Products, M/A-COM Technology Solutions, Inc.

[11] Flyback Transformer, AEF20-3648, 714-665-1140 Data Sheet, Allied Components International.

[12] Texas Instruments, “LM25017 48-V, 650-mA Constant On-Time Synchronous Buck Regulator”, Data Sheet,

SNVS951D, December 2014.

[13] Texas Instruments, AN-2292, “Designing an Isolated Buck (Fly-Buck) Converter”, Application Report,

SNVA674C, December 2014.

[14] ***National Semiconductor, LM1117, 800mA Low-Dropout Linear Regulator, DS 100919, 2000, www.

national.com

4. Protejarea drepturilor de proprietate industriala, brevetare sistem hibrid de recoltare

a energiei din mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica

[1] Pislaru-Danescu Lucian, Popa Marius, ILIE Cristinel-Ioan, Chihaia Rares-Andrei, Babutanu Corina-

Alice, Nicolaie Sergiu, Bunea Florentina, Stoian Floriana Daniela, Holotescu Sorin, Marinica Oana-

Maria, Morega Alexandru-Mihail, Morega Mihaela, Dumitru Jean-Bogdan, Popa Nicolae-Calin,

Transformator planar cu nanofluid magnetic, Cerere de brevet de inventie, nr. OSIM A/00713 din

07-10-2016, solicitanti ICPE-CA Bucuresti si Universitatea Politehnica Timisoara.

[2] Pislaru-Danescu Lucian, Chitanu Elena, El-Leathey Lucia Andreea, Babutanu Corina-Alice, Marin

Marcel-Dorian, Morega Alexandru-Mihail, Morega Mihaela, Popa Nicolae-Calin, Sistem de

generare a energiei electrice prin conversie fotovoltaica, cu acoperire antireflexiva, Cerere de

brevet de inventie, nr. OSIM A/00297 din 17-05-2017, solicitant ICPE-CA Bucuresti.

5. Realizarea unui demonstrator alcatuit din senzori wireless ce sunt alimentati de catre

sistemul hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin conversie

fotovoltaica si transformare DC/DC cu integrare MEMS si stocarea energiei cu

supercapacitori, corespunzator a doua aplicatii practice

In Fig. 41 - Fig. 46 se prezinta senzorii wireless selectati pentru realizarea demonstratorului. Am

optat pentru mai mult de doua aplicatii, intrucit reteaua de senzori realizata pe platforma de

comunicatie Wunderbar IOT Starter produsa de Relayr este un sistem WI-FI care dispune de

senzorii:

- Detector de proximitate si de intensitate luminoasa, Fig. 41;

- Accelerometru / Giroscop Accelerometru / Giroscop, Fig. 42;

- Temperatura / Umiditate, Fig. 43;

- Un receptor pentru infrarosu, Fig. 44;

- Un microfon, Fig. 45;

- O semipunte la care se poate conecta un element sensibil al unui senzor, Fig. 46.

30

Fig. 41. Detector de proximitate si de intensitate luminoasa.

Fig. 42. Accelerometru / Giroscop.

Fig. 43. Temperatura / Umiditate.

31

Fig. 44. Un receptor pentru infrarosu.

Fig. 45. Un microfon.

Fig. 46. O semipunte la care se poate conecta un element sensibil al unui senzor.

32

Fig. 47. Demonstrator alcatuit din senzori wireless ce sunt alimentati de catre sistemul hibrid de recoltare a energiei din

mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica si transformare DC/DC cu integrare MEMS si stocarea energiei cu

supercapacitori.

In figura 47 se prezinta demonstratorul alcatuit din senzori wireless ce sunt alimentati de catre

sistemul hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica si

transformare DC/DC cu integrare MEMS si stocarea energiei cu supercapacitori.

6. Experimentarea si verificarea demonstratorului alcatuit din senzori wireless ce sunt

alimentati de catre sistemul hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin

conversie fotovoltaica si transformare DC/DC cu integrare MEMS

Prezentare retea senzori

Reteaua de senzori realizata pe platforma de comunicatie Wunderbar IOT Starter produsa de Relayr

este un sistem WI-FI complet portabil, low-power avand in compunere 7 mini module hardware

care pot fi detasabile unul de celalalt și plasate in zonele de masura pentru achizitia datelor.

Acestea includ 5 placi de senzori, un modul tip bridge pentru conectarea senzorilor suplimentari

compatibili din gama Arduino, Strawbery Pi, dispozitive Seed Studios, pentru a fi interfatati cu

platforma Wunderbar și un modul master care transmite pachetele de informații de la senzor spre

routerul WI-FI, Fig. 48.

Fiecare modul are in dotare facilitatea Bluetooth Low Energy (BLE), switch on/off, precum și o

baterie de alimenare tip CR2032 de 3V la bord.

33

Fig. 48. Arhitectura de amplasare a retelei de senzori.

Mini-modulele de senzori achizitioneaza, prelucreaza si transfera informatia pentru urmatorii

parametrii: luminozitate, culoare, distanta, zgomot, temperatură, umiditate, in plus exista un

accelerometru, un giroscop, transmitator in infra-roșu (IR) cu capacitatea de control de la distanță.

Platforma Wunderbar are disponibilitate de descărcare pentru diverse kituri de dezvoltare software

(SDK) pentru IOS, Android și Node js. inclusiv pentru aplicațiile de testare care pot fi descărcate de

la relayr.io, folosind SDK-urile aplicatiei open source.

Din punct de vedere constructiv, fiecare dintre modulele Wunderbar are un receptor tip Nordic

Semiconductor nRF51 SoC care citește senzorul (e) la bord și utilizează Bluetooth LE (4.0) pentru a

comunica cu "modulul master", care incarcă apoi datele către Relayr nor. Totodata nRF51 comunica

cu MQTT, care este un protocol de publicare abonare conceput pentru aplicații de putere foarte mici

IO. Modulul de master foloseste un nRF51 pentru a comunica cu modulele de senzori, un Gainspan

GS1500m pentru a se conecta la o rețea Wi-Fi locală și un Freescale Kinetis K-series de tip ARM

Cortex M4 procesor asociat cu retele tip gazda MQTT server, autentificarea cu Relayr nor, etc.

Fig. 49. Procesul transferului de date intre senzori si utilizator (telefon/laptop).

34

Pentru a putea utiliza platforma Wunderbar, Relayr este necesar ca aparatul să treacă printr-o

procedura denumita "Onboarding" pentru asocierea dispozitivului la rețeaua specializata intre router

și norul de date Relayr, Fig. 49.

Specificatii tehnice generale ale sistemului de senzori:

- platforma tip Wunderbar

- producator relayr iThings4U GmbH

- categoria PCB bord de proiectare

- MC layout-ARM Cortex-M4

- Seria Freescale Kinetis

- Tehnologia pe 32 de biți MCU Kinetis cu ARM

- Kit Tip instrument de dezvoltare tip Conrad Connect

- conexiune Wi-Fi și Bluetooth

Modulul de comunicatie master

Modulul master, Fig. 50, realizeaza transferul de date Wi-Fi și Bluetooth, Low Energy (BLE) intre

senzori si router.

Fig. 50. Modulul master de comunicatie.

Specificatii tehnice:

• Microcontroller tip NXP ARM 1800-Series Coretex-M3

• Processor: NXP LPC1837 Cortex M3

• Clock Speed: 180MHz

• Flash: 1024 kB

• RAM: 136 kB

• IO: 12 exposed GPIO pads, including 4 ADC, SPI, I2C and SDIO

• WiFi: IEEE 802.11b/g/n, WPA/WPA2, full TCP/IP stack including TLS

• Bluetooth LE

• 3.3V regulator including Li-Ion/LiPo charger

• USB OTG

Wi-Fi Master Module + Bluetooth Low Energy (BLE)

Core Microcontroller: Freescale Kinetis Series, 32-bit ARM Cortex-M4 with DSP instructions

MK24FN1M0VDC12

Clock Speed: 120 MHz

35

Flash: 1024 KB

SRAM: 250 KB

WiFi Module: Gainspan GS1500M IEEE 802.11b/g/n, WPA/WPA2, full TCP/IP, SSL/TLS

Bluetooth Low Energy (BLE): Nordic nRF51822 ARM Cortex-M0, Bluetooth 4.0

IO: 12 exposed GPIO pads, including 4 ADC, SPI, I2C and SDIO

Power Supply: 3.3 V regulator including Li-Ion/Li-Po charger

USB: Full-speed USB w/OTG controller

32 kHz Xtal oscillator for RTC

Module de senzori

Cuprind șase senzori smart structurati in mini-module detasabile si anume:

- TAOS TCS3771 senzor de culoare RGB și senzor de proximitate

- HTU21D MEAS senzor de temperatura și senzor de umiditate relativă

- MPU-6500 accelerometru și giroscop

- SPU0410HR5H senzor de nivel de zgomot

- emițător IR personalizabil

- modul tip bridge, pentru conectarea senzorilor suplimentari compatibili din

gama Arduino, Strawbery Pi, dispozitive tip Seeed Studios

Specificatii tehnice:

- mini module de senzori BLE: light, colour, distance, temperature, humidity,

control (IR), accelerometer, gyroscope si bridge connector

- microcontroller de bază: Nordic nRF51822 BLE (ARM Cortex-M0, Bluetooth

LE 4.0 stivă)

- Processor: Cortex®-M0 Clock Speed: IO: 8 exposed GPIO pads,

- include SPI, I2C, TWI, UART, ADC 32 kHz Xtal oscillator

- temperatura / umiditate - caracteristici HTU21D, senzor digital al umidității

relative și a temperaturii.

- accelerometru & Gyro - caracteristici MPU-6500 cu șase axe (giroscop +

accelerometru) dispozitiv MEMS MotionTracking.

- lumină / de proximitate - caracteristici TCS37717 sensibilitate ridicată RGB

senzor de culoare și detector de proximitate.

- emițător IR - Caracteristici SFH4441 de mare putere emițător infraroșu,

950 nm, pachet special, jumătate unghi ± 17 °.

- microfon Senzor / Zgomot - Caracteristici SPQ0410HR5H-B, o miniatură,

de înaltă performanță, microfon redus de energie de siliciu.

- adaptor accesoriu / punte - Caracteristici conector cu 4 pini compatibil pentru Grove add-on

panouri și senzori.

In Fig. 51 si Fig. 52 sunt prezentate tipodimensiunile senzorului pentru temperatura si umiditate,

interfata de date cu valorile nominale achizitionate in timp real precum si o varianta de achizitie sub

forma de grafic cu citire a temperaturii la interval de 1 minut.

36

Fig. 51. Modulul senzor si interfata de date pentru temperatura si umiditate.

Fig. 52. Interfata achizitie temperatura functie de timp.

37

Fig. 53. Interfata de date in timp real corespunzatoare senzorilor de luminozitate/proximitate si microfon.

Fig. 54. Modulul senzor si interfata de date in timp real pentru accelerometru si giroscop.

In Fig. 53. Se prezinta interfata de date in timp real corespunzatoare senzorilor de luminozitate/

proximitate si microfon, iar in Fig. 54. modulul senzor si interfata de date in timp real pentru

accelerometru si giroscop.

Nomenclator

Wi-Fi este denumirea comerciala pentru tehnologiile construite pe baza standardelor de

comunicaţie din familia IEEE 802.11 utilizate pentru realizarea de reţele locale de comunicaţie

(LAN) fără fir (wireless, WLAN) la viteze echivalente cu cele ale reţelelor cu fir electric de

tip Ethernet. Suportul pentru Wi-Fi este furnizat de diferite dispozitive hardware, şi de aproape

toate sistemele de operare moderne pentru calculatoarele personale (PC), rutere, telefoane mobile

BLE - Bluetooth Low Energy

38

7. Diseminarea rezultatelor cercetarii

[1] L. Pîslaru-Dănescu, A. M. Morega, J. B. Dumitru, M. Morega, N. C. Popa, F. D. Stoian, D. Susan-Resiga, S.

Holotescu, M. Popa, Miniature Planar Spiral Transformer with Hybrid, Ferrite and Magnetic Nanofluid Core,

Transmisa spre publicare in revista ISI IEEE Transactions on Magnetics in 28 Apr. 2017.

[2] Veli, Yelda; Morega, Alexandru M., Morega, Mihaela, Pîslaru-Dănescu, L., „Numerical Modeling of a Planar

Transformer for Micro-Power Controllers” Conference: 10th International Symposium on Advanced Topics in

Electrical Engineering (ATEE) Location: Bucharest, ROMANIA Date: MAR 23-25, 2017, 2017 10TH

INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON ADVANCED TOPICS IN ELECTRICAL ENGINEERING

(ATEE) Book Series: International Symposium on Advanced Topics in Electrical Engineering, Pages: 206-

210 Published: 2017.

[3] Chitanu, E. ; Pislaru-Danescu, L. ; El-Leathey, L.A ; Marin, D; Chihaia, R.A. ; Babutanu, CA ; Marinescu,

V. ; Sbarcea, B.G., „Improvement of Polycrystalline Solar Cells Operation under Low Solar Radiation

Conditions by Using ZnO Nanostructured Materials”, Conference: 10th International Symposium on

Advanced Topics in Electrical Engineering (ATEE) Location: Bucharest, ROMANIA Date: MAR 23-25,

2017 , 2017 10TH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON ADVANCED TOPICS IN ELECTRICAL

ENGINEERING (ATEE) Book Series: International Symposium on Advanced Topics in Electrical

Engineering Pages: 768-773 Published: 2017.

[4] Pislaru-Danescu, L. ; Morega, M. ; Dumitru, A.I. ; Pintea, J., “Analysis of Piezoelectric Structures Based on

New Modified PZT Zirconate Titanate Designed for Energy Harvesting Applications”, Conference: 10th

International Symposium on Advanced Topics in Electrical Engineering (ATEE) Location: Bucharest,

ROMANIA Date: MAR 23-25, 2017, 2017 10TH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON ADVANCED

TOPICS IN ELECTRICAL ENGINEERING (ATEE) Book Series: International Symposium on Advanced

Topics in Electrical Engineering Pages: 842-847 Published: 2017.

[5] Oana Maria Marinica, Study of Static Magnetic Properties of Transformer Oil Based Magnetic Fluids for

Various Technical Applications Using Demagnetizing Field Correction, Journal of Nanomaterials, Volume

2017, Article ID 5407679, 9 pages, Hindawi, https://doi.org/10.1155/2017/5407679 (Revista ISI).

[6] Pislaru-Danescu Lucian, Chitanu Elena, El-Leathey Lucia Andreea, Babutanu Corina-Alice, Marin Marcel-

Dorian, Morega Alexandru-Mihail, Morega Mihaela, Popa Nicolae-Calin, Sistem de generare a energiei

electrice prin conversie fotovoltaica, cu acoperire antireflexiva, Cerere de brevet de inventie, nr. OSIM

A/00297 din 17-05-2017, solicitant ICPE-CA Bucuresti.

[7] Vlad Socoliuc, Daniela Susan-Resiga, Corina Vasilescu, Oana Marinică, Izabell Crăciunescu, Tünde Borbáth,

István Borbáth, Alin Bosioc, Sebastian Muntean, Nicolae Calin Popa, Rodica Turcu, Ladislau Vékás,

Ferrofluids and nano-micro composite fluids: high magnetic response and optimized magnetorheological

behaviour tailored for specific applications, lucrare prezentata la 2nd Global Congress & Expo on Materials

Science and Nanoscience, 25 – 27 September 2017, Valencia, Spain.

[8] C. Velescu, N. C. Popa, Power Pump Flow Diminution Occuring Because of the Motive Fluid Compressibility,

lucrare finalizata aflata in curs de expediere la revista ISI Journal of Applied Mechanics (Transactions of the

ASME).

[9] F.D. Stoian, S. Holotescu, O. Marinica, D. Susan-Resiga, L. Vekas, N.C. Popa, C. Vasilescu, M. Rajnak, M.

Timko, P. Kopcansky, Concentrated magnetic nanofluids as liquid core in microtransformers, in curs de

pregatire pentru trimitere la revista Journal of Materials Science: Materials in Electronics (Springer, ISI)

[10] Book title: Electronic Circuit Principles, Architectures and Applications on Emerging Technologies, ISBN

978-953-51-5838-0, Chapter title: New Energy Harvesting Systems based on New Materials, Authors:

Lucian Pîslaru-Dănescu and Laurentiu Lipan, Book edited by: Mingbo Niu , Faculty of Science, Technology

and Health, Okanagan College, BC, Canada, InTech Open Publishing House, Croatia.

[11] L.Pîslaru-Dănescu, E. Chițanu, L.A. El-Leathey, V. Marinescu, D. Marin, B.G. Sbârcea, “Synthesis and

Characterization of Antireflective ZnO Nanoparticles Coatings Used for Energy Improving Efficiency of

Silicone Solar Cells“, transmisa spre publicare jurnalului Electronic Materials Letters 2017.

Concluzii referitoare la intregul proiect 63/2014

Etapa I

Activitatea I.1. Studiu privind elaborarea unui model experimental de micro-transformator

MEMS, cu miez din nanofluid magnetic si ferita

Activitatea I.2. Analiza tehnologiei de laborator pentru producerea nanofluidului magnetic

pentru utilizarea ca miez lichid

Activitatea I.3. Studiul proprietatilor magnetice, reologice, structurale, electrice si termice

necesare ale nanofluidului magnetic in vederea utilizarii ca miez lichid

39

Activitatea I.4. Analiza parametrilor functionali ai modelului de micro-transformator MEMS,

cu miez din nanofluid magnetic si ferita, utilizand simularea numerica

1. In cadrul primei activitati, Activitatea I.1., „Studiu privind elaborarea unui model

experimental de micro-transformator MEMS, cu miez din nanofluid magnetic si ferita”, s-a

realizat in primul rind analiza a două tipuri de transformatoarele electrice cu înfăşurări

planare spiralate (TPS) realizate în tehnologia MEMS tip LIGA: un model cu raport de

transformare 1:1, pentru izolare galvanică şi un model cu raport de transformare 1:2;

2. In cadrul celei de a doua activitati, Activitatea I.2., „Analiza tehnologiei de laborator

pentru producerea nanofluidului magnetic pentru utilizarea ca miez lichid”, s-a realizat

tehnologia de laborator pentru producerea nanofluidului magnetic pentru utilizarea ca miez

lichid, incluzind schema de preparare la nivel de laborator a fluidelor magnetice pe baza de

solvent organici nepolari. Schema de preparare a fluidelor magnetice pe baza de hidrocarburi

va satisface cerintele specifice ale dispozitivului de conversie ce se va realiza si anume:

concentratia volumica a NPM in domeniul 0.10-0.20 si diametru magnetic mediu cat mai

mare (in intervalul 6-10 nm), fara a influenta negativ stabilitatea coloidala pe termen lung;

3. In cadrul celei de a treia activitati, Activitatea I.3., „Studiul proprietatilor magnetice,

reologice, structurale, electrice si termice necesare ale nanofluidului magnetic in vederea

utilizarii ca miez lichid”, s-a realizat un studiu un studiu al proprietatilor magnetice,

reologice, structurale, electrice si termice necesare ale nanofluidului magnetic in vederea

utilizarii ca miez lichid. Studii ale unor caracteristici electrice ale unor surfactanti utilizati

pentru acoperirea nanoparticulelor magnetice, au aratat ca in functie de tipul de surfactant,

constanta dielectrica a complexului surfactant – solvent poate fi modificata. Spre exemplu,

adaugarea de acid oleic in Kerosen in proportii masice variind de la 0 la 100% nu modifica

constanta dielectrica a amestecului (aceasta variind in jurul valorii de 2,9), in timp ce

adaugarea unor surfactanti ne-ionici dar cu constante dielectrice mult mai mari (de 2 – 3 ori),

chiar si in concentratii reduse (sub 5%) poate conduce la cresterea proportionala a

conductivitatii electrice a amestecului acestuia cu Kerosen (de pana la 5 ori, pentru 5%

concentratie masica surfactant). De asemenea, magnetizatia de saturatie trebuie sa fie in jurul

valorii de 1000 Oe.

4. In cadrul celei de a patra activitati, Activitatea I.4., „Analiza parametrilor functionali ai

modelului de micro-transformator MEMS, cu miez din nanofluid magnetic si ferita, utilizand

simularea numerica”, s-a realizat analiza parametrilor functionali ai unui model de micro-

transformator MEMS, cu miez din nanofluid magnetic si ferita, utilizand simularea

numerica, in urmatoarele cazuri: TPS pentru izolare galvanica, TPS cu raport de

transformare 1:2 si un transformator electric miniatural cu miez din nanofluid magnetic şi

înfăşurări circulare plane. În urma acestui studiua rezultat că, dinte structurile analizate,

transformatorul planar cu înfăşurări spiralate şi miez central prezintă cele mai bune

performanţe, oferind un factor de cuplaj foarte apropiat de unitate. De exemplu, prin

comparaţie, TPS cu raport de transformare 1:2 (cu suporţi din ferită) pentru care factorul de

cuplaj are valori, la aceeaşi înălţime a miezului, în jurul valorii de 0.3. Principalul avantaj al

structurii de transformator planar cu înfăşurări spiralate în comparaţie cu celelalte structuri

analizate este coloana centrală din ferită care asigură o cale de reluctanţă minimă pentru

fluxurile magnetice fasciculare produse de curenţii prin cele două înfăşurări.

5. S-a realizat pagina WEB a proiectului, avind link-ul:

http://www.icpe-ca.ro/lib/files/asemems-harvest.pdf

40

Etapa II

S-au realizat:

1. Un proiect al circuitului electronic ce implementeaza convertorul DC/DC cu integrare

MEMS, care cuprinde transofrmatorul miniatural planar cu înfăşurari circulare spiralate şi

miez nanofluid magnetic, (Activitatea II.1.). Pentru transofrmatorul miniatural planar cu

înfăşurari circulare spiralate şi miez nanofluid magnetic

A. Modelarea matematică şi simularea numerică pot fi utilizate cu succes in analiza unor structuri

compleze cum sunt TMPS, în proiectarea şi optimizarea lor. Acest studiu a avut drept obiectiv

analiza TMPS cu miez hibrid ferită – NFM destinat echipării unui convertor EHD. Tehnic de

modelare 2D şi 3D au fost utilizate pentru determinarea câmpului electrocinetic din înfăşurări, a

câmpului magnetic din TMPS, şi a curgerii din miezul NFM, precum şi pentru determinarea

parametrilor de circuit magnetici, echivalenţi ai TMPS.

B. Modele 2D conduc la rezultate similare cu cele produse de modelele 3D referitor la

parametri de circuit echivalenţi. Pe de altă parte, curgerile rezultate din modelările 2D diferă

substanţial de cele produse de modelarea 3D. În funcţie de schema de alimentare a

înfăsurărilor, spectrele de curgere pot prezenta una sau mai multe celule convective.

C. În general, vitezele de curgere sunt neglijabile de mici, de ordinul O(10-8 m/s) - O(10-2…10-4 m/s),

ceea ce indică faptul că fenomenul în sine nu prezintă probleme în funcţionarea TMPS, iar

regimurile termice ale TMPS pot ignora atât convecţia forţată produsă atât de forţele de

magnetizare cât şi de cele de natură termică. Totuşi, curgerea miezului fluid contribuie la

prevenirea sedimentării NFM.

D. Modelarea numerică a fost utilizată direct, cu succes, în proiectarea TMPS.

2. Elaborarea preliminara a procedeului de preparare a nanofluidului magnetic pentru

utilizare ca miez lichid in micro-transformator, (Activitatea II.2).

In cadrul acestei etape s-au preparat 8 probe, avind magnetizatii de saturatie intre 100Gs –

1000Gs. Experimentarile au relevat ca nanofluidului magnetic avind magnetizatia de

saturatie de 500Gs permit transformatorului cu bobine planare si circuit magnetic din ferita

si ferofluid magnetic sa functioneze cu succes la frecventa de 500 kHz.

3. Un model experimental al convertorului DC/DC cu integrare MEMS, (Activitatea II.3),

incluzand modelul experimental functional al transformatorului cu bobine planare si circuit

magnetic din ferita si ferofluid magnetic, precum si circuitul imprimat al convertorului

DC/DC.

4. Proiectarea unui model experimental al sistemului de conversie fotovoltaica (Activitatea

II.4.).

In cadrul acestei etape s-a obtinut ZnO nanostructurat prin metoda hidrotermala. Pentru

cresterea nanoparticulelor s-a utilizat un strat subtire de ZnO (depus prin spreyere urmata de

tratament termic) si sistemul Zn (NO3)2 6H2O – hexametilentetramina (HMTA).

Din investigatiile intreprinse a rezultat ca:

A. Nanoparticulele de ZnO obtinute atat in stratul insamantat cat si cel

nanostructurat, conform analizei de difractie de raze X, prezinta structura de

wurtzite, iar pe langa ZnO nu se fomeaza alte structuri inrudite cu acestea;

B. prin microscopie electronica de baleaj (SEM) s-a observat ca morfologia

stratului insamantat de ZnO are o inluenta asupra proprietatilor

nanoparticulelor crescute prin metoda hidrotermala: nanoparticulele sintetizate

pe un strat "mai subtire" sunt mai conturate si uniform orientate, spre

41

deosebire de cele obtinute pe un strat "mai gros" acestea nu sunt uniform

directionate, sunt crescute haotic si se pot distinge zone in care acestea lipsesc;

C. morfologia stratului insamntat prezinta o influenta asupra proprietatilor optice,

nanoparticulele de ZnO obtinute pe un strat insamntat "mai subtire" prezinta o

transparenta optica mai mare in domeniul vizibil de 85% si o reducere a

reflexia in acelasi domeniu cu 5% fata de stratul insamntat;

D. pentru acoperiri antireflexive s-a utilizat un prces de obtinere ce cuprinde un

strat insamntat "mai subtire" (6 spreyeri si tratemnt termic la 100oC timp de 30

minute, urmat de 3 centrifugari si un alt tratament termic la 300oC timp de 30

minute) si crestere hidrotermala a ZnO nanostructurat (sistemul azotat de zinc

(Zn(NO3)2 – hexametilentetramina (HMTA) la 90oC timp de 2 ore).

Avand in vedere cele de mai sus, se constata ca studiile experimentale realizate pentru

obtinerea nanoparticulelor de ZnO prin metoda hidrotermala, aduc informatii suplimentare

importante, in baza carora s-a dezvoltat un proces de crestere a nanoparticulelorde ZnO

pentru acoperiri antireflexive pentru celule solare pe baza de siliciu.

5. Un model experimental al sistemului de conversie fotovoltaica, (Activitatea II.5.).

6. S-a experimentat sistemului de conversie fotovoltaic impreuna cu convertorului DC/DC

(Activitatea II.6.a).

7. Diseminarea s-a realizat prin participarea la Conferinta Caius Iacob, cu lucrarea:

J.B. Dumitru, A.M. Morega, M. Morega, L. Pîslaru-Dănescu, “Flow patterns in the magnetic fluid

core of a miniature planar spiral transformer”, The 36th “Caius Iacob” Conference of Fluid

Mechanics and its Technical Applications, 29-30 October, Bucharest, Romania, 2015.

Etapa III

S-au realizat:

1. Elaborarea documentatiei modelului functional al convertorului DC/DC cu integrare

MEMS impreuna cu cablajele imprimate aferente, Activitatea III.1.

In cadrul acestei etape s-a obtinut acoperiri reflexive de ZnO nanostructurat pe substrat de

sticla pentru pentru celule solare cu strat activ de siliciu.

Din investigatiile intreprinse a rezultat ca:

E. pentru acoperiri antireflexive s-a utilizat un proces de obtinere ce cuprinde un strat

insamantat (3 spreyeri pirolitice si tratemnt termic la 100oC timp de 30 minute, urmat

de 3 centrifugari si un alt tratament termic la 300oC timp de 30 minute) si crestere

hidrotermala a ZnO nanostructurat (sistemul azotat de zinc (Zn(NO3)2 –

hexametilentetramina (HMTA) la 90oC timp de 2 ore).

F. toți parametrii functionali ai celule fotovoltaice (eficienta, curent de scurtcircuit,

tensiunea de circuit deschis si puterea), cresc cu cresterea valorii pentru iradierea

luminii (100W/m2 până la 1000W/m2) si prezinta valoari mai mari pentru celulele cu

sticla acoperita cu ZnO nanostructurat.

G. rezultatele experimentale obtinute confirmă avantajele utilizării sticle acoperite cu

ZnO nanostructurat pentru acoperiri antireflexive in celule solare.

42

Avand in vedere cele de mai sus, se constata ca studiile experimentale realizate pentru

obtinerea acoperirilor antireflexive cu ZnO nanostructurat, aduc informatii suplimentare importante,

in baza carora au fost dezvoltate dispozitive fotovoltaice cu astfel de filme antireflexive.

2. Proiectarea modelului functional al convertorului DC/DC cu integrare MEMS,

Activitatea III.2.

A. In cadrul acestei etape se prezintă modelarea matematică şi simularea numerică a câmpului electromagnetic şi termic în FB-TP pentru echiparea unor dispozitive de recoltarea energiei. Transformatorul este, de fapt, de tip fly-back, şi are rolul de a stoca câmp magnetic energia recoltată, pentru a o livra apoi circuitului de condiţionare pentru alimentarea unor sarcini, de ex. noduri WiFi.

B. FB-TP prezintă un întrefier coaxial cu coloana centrală din ferită a miezul magnetic. FB-TP trebuie să echilibreze reactanţa inductivă de magnetizare (cuprinde întrefierul axial central, care este sediul unui flux magnetic fascicular de c.c.), şi reactanţa de scăpări (la care contribuie spaţiul dintre înfăşurările plane, sediul unui flux magnetic fascicular de c.a.), şi designul magnetic al circuitulu magnetic pentru a canaliza fluxurile magnetice (c.c. şi c.a.), astfel încât să rezulte o dimensionare corespunzătoare a rezistenţelor de c.c./c.a. ale FB-TP.

C. Analiza de regim staţionar priveşte câmpul de c.c. (stocare), în timp ce analiza de c.a. poate furniza date despre câmpul magnetic şi inductanţele de de scăpări de c.a. Între alte rezulatate, se calculaeză parametrii concentraţi, ai schemei electrice a FB-TP, imporante în etapa de proiectare.

D. Distribuţia curentului electric în c.a. în înfăşurări indică valori mai mari pentru spierele periferice ale înfăşurărilor. Acestea sunt mai lungi, şi înlănţuie un flux fascicular mai mare, contribuind mai mult la valoarea inductanţei de scăpări. Acest aspect explică şi valorile de c.a. ale rezistenţelor electrice ale FB-TP.

E. Simulările numerice arată că FB-TP este cvasi-izoterm, după stingerea regimurilor tranzitorii până la atingerea stării staţionare. Modelarea indică un regim termic nominal corespunzător, în limitele de funcţionare termică sigură.

F. Rezultatele au fost partial diseminate in cadrul, Conferintei “International Conference and Exposition on Electrical and Power Engineering”, EPE-2016, [24].

3. Un model functional al convertorului DC/DC cu integrare MEMS impreuna cu

cablajele imprimate aferente, Activitatea III.3.

4. Experimentarea modelului functional al convertorului DC/DC cu integrare MEMS

pentru mai multe tipuri de sarcini, Activitatea III.4.

5. Prepararea probelor optimizate necesare de nanofluid magnetic pentru utilizare ca

miez lichid in micro-transformatorul planar MEMS, din componenta sistemului hibrid

pentru mai multe dilutii, Activitatea III.5.

Ambele probe de nanofluid magnetic au dovedit o stabilitate cinetica deosebita, atat in

absenta, cat si in prezenta unui camp magnetic aplicat. Efectul magnetovascos este

nesemnificativ la valorile investigate ale campului magnetic aplicat si la temperaturile

analizate.

A. Se observă o creștere a conductivității termice a celor două probe de nanofluid magnetic

față de lichidul de bază, proporțional cu fracția volumică. Rezultatul este în concordanță

cu alte rezultate experimentale pentru nanofluide magnetice [2, 3]. Din datele

experimentale a rezultat o creștere relativă a conductivității termice cu 116% pentru MF

1000, respectiv cu 30 % pentru MF 500, față de lichidul de bază.

43

B. De asemenea, pentru intervalul de temperatură analizat, conductivitatea termică nu a

variat semnificativ cu temperatura, atât în cazul lichidului de bază cât și al celor două

probe de nanofluid magnetic.

6. Determinarea experimentala a proprietatilor magnetice, reologice si termice ale

probelor de nanofluid magnetic pentru dilutiile preparate, Activitatea III.6.

A. Comportarea probelor in absenta c.m. este Newtoniana, cu exceptia celei mai

concentrate, MF 1013, care prezinta o usoara tendinta de pseudoplasticitate la viteze

mari de forfecare. Acest fapt denota exsitenta unor mici aglomerate de partciule de

magnetita in aceasta porba, eglomerate ce se distrug la cresterea vitezei de forfecare.

B. Sub actiunea campului magnetic aplicat, cu exceptia probelor MF 572 si MF 923 (care

isi pastreaza caracterul Newtonian), comportarea probelor devine pseudoplatica.

C. La toate valorile investigate ale vitezei de forfecare si ale inductiei campului magnetic

aplicat, efectul MV este foarte slab comparativ cu cel prezentat de fluidele MR

conventionale si fluidele MR pe baza de ferofluide. Efectul MV cel mai pronuntat la

forfecare slaba se manifesta in cazul probei mai diluate MF 477, iar celelalte probe au

efecte mai mici si aproximativ de aceeasi marime. La forfecare intensa, efectul MV este

cel mai intens in cazul probei MF 572.

7. Proiectarea prototipului sistemului hibrid de recoltare a energiei din mediul

inconjurator prin conversie fotovoltaica si transformare DC/DC cu integrare MEMS,

Activitatea III.7.

In Anexa 4 se prezinta proiectul transformatorului planar cu circuit magnetic realizat din

ferită si nanofluid magnetic.

8. Un circuit de stocare a energiei cu supercapacitori, Activitatea III.8.

9. Diseminarea rezultatelor cercetarii (2 articole ISI), Activitatea III.9. In Etapa a III-a s-

au expediat pt. publicare in reviste ISI patru articole, s-au prezentat doua articole la

conferinte internationale in strainitate, s-a prezentat un articol la conferinta din Romania, s-a

publicat un capitol de carte in regim ISI si s-a depus la OSIM o cerere de brevet de inventie:

Etapa IV

S-au realizat:

1. Determinarea experimentala a proprietatilor electrice si structurale ale probelor de

nanofluid magnetic pentru dilutiile preparate, Activitatea IV.1.

2. Prototipului sistemului hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin

conversie fotovoltaica si transformare DC/DC cu integrare MEMS si stocare a energiei

cu supercapacitori, Activitatea IV.2.

Din investigatiile intreprinse a rezultat ca:

A. In cadrul acestei etape se prezintă si modelarea matematică şi simularea numerică a câmpului electromagnetic şi termic în transformator electric flyback (FBT), pentru echiparea unor dispozitive de recoltarea energiei, in cazurile: gol, sarcina rezistiva, sarcina RC in prezenta diodei redresoare. Transformatorul este, de fapt, de tip fly-back, şi are rolul de a stoca câmp magnetic energia recoltată, pentru a o livra apoi circuitului de condiţionare pentru alimentarea unor sarcini, de ex. noduri WiFi.

B. Transformatorul electric flyback (FBT), prezintă un întrefier coaxial cu coloana centrală din ferită a miezul magnetic. Transformatorul electric flyback trebuie să echilibreze reactanţa inductivă de magnetizare (cuprinde întrefierul axial central, care este sediul unui flux magnetic fascicular de c.c.), şi reactanţa de scăpări (la care contribuie spaţiul dintre

44

înfăşurările plane, sediul unui flux magnetic fascicular de c.a.), şi designul magnetic al circuitulu magnetic pentru a canaliza fluxurile magnetice (c.c. şi c.a.), astfel încât să rezulte o dimensionare corespunzătoare a rezistenţelor de c.c./c.a. ale FB-TP.

C. Aceast studiu prezintă modelarea matematică și rezultatele simularii numerice ale unui transformator electric flyback (FBT), în regim staționar și cvasi-staționare (PWM, sarcină rezistivă). Rezultatele simulării pot fi utilizate pentru calcularea inductivităţilor FBT-ului (proprii, mutuale, de scăpări, de magnetizare), necesare în etapa de proiectare a dispozitivului. Acești parametri concentrați sunt necesari pentru circuitul electric echivalent al FBT-ului, utili în integrarea sa cu dispozitive electronice auxiliare.

D. În timp ce pentru transformatoarele electrice care funcționează în c.a. la de 50 Hz câmpul magnetic este produs în principal de curenții electrici de conducție care circulă prin înfășurări, la frecvențe ridicate (aici, o sursă de tensiune PWM la 1 kHz, și D = 0,3), curenții de deplasare contribuie suplimentar la câmpul magnetic. Prin urmare, este important ca în calculul inductivităţilor FBT-ului să se considere condițiile de funcționare cvasi-staționare şi nu cele staționare, convenționale, aproximate în mod uzual de ipoteza funcționării în c.a.

E. Distribuția densității curentului electric în condiții de funcționare PWM indică valori locale ridicate pentru spirele exterioare ale înfășurărilor şi este redată cu o mai puțină precizie de modelul simplificat al FBT-ului, care presupune înfășurări de tip bloc, și nu înfăşurări spiralate, cum sunt în realitate. Cu toate acestea, efectul general al frecvenței asupra spirelor exterioare, care sunt mult mai mari și includ scăpări magnetice mari, este vizibil.

F. S-au obtinut acoperiri reflexive de ZnO nanostructurat pe substrat de sticla pentru pentru celule solare cu strat activ de siliciu utilizate la prototipul sistemului fotovoltaic.

G. Pentru acoperiri antireflexive s-a utilizat un proces de obtinere ce cuprinde un strat insamantat (3 spreyeri pirolitice si tratemnt termic la 100oC timp de 30 minute, urmat de 3 centrifugari si un alt tratament termic la 300oC timp de 30 minute) si crestere hidrotermala a ZnO nanostructurat (sistemul azotat de zinc (Zn(NO3)2 – hexametilentetramina (HMTA) la 90oC timp de 2 ore).

H. Toți parametrii functionali ai celule fotovoltaice (eficienta, curent de scurtcircuit, tensiunea de circuit deschis si puterea), cresc cu cresterea valorii pentru iradierea luminii (100W/m2 până la 1000W/m2) si prezinta valoari mai mari pentru celulele cu sticla acoperita cu ZnO nanostructurat.

I. Rezultatele experimentale obtinute confirmă avantajele utilizării sticle acoperite cu ZnO nanostructurat pentru acoperiri antireflexive in celule solare. Avand in vedere cele de mai sus, se constata ca studiile experimentale realizate pentru obtinerea acoperirilor antireflexive cu ZnO nanostructurat, aduc informatii suplimentare importante, in baza carora au fost dezvoltate dispozitive fotovoltaice cu astfel de filme antireflexive.

3. Experimentarea prototipului sistemului hibrid de recoltare a energiei din mediul

inconjurator prin conversie fotovoltaica si transformare DC/DC cu integrare MEMS,

Activitatea IV.3.

4. Protejarea drepturilor de proprietate industriala, brevetare sistem hibrid de recoltare

a energiei din mediul inconjurator prin conversie fotovoltaica, Activitatea IV.4.

A. Pislaru-Danescu Lucian, Popa Marius, ILIE Cristinel-Ioan, Chihaia Rares-Andrei, Babutanu

Corina-Alice, Nicolaie Sergiu, Bunea Florentina, Stoian Floriana Daniela, Holotescu Sorin,

Marinica Oana-Maria, Morega Alexandru-Mihail, Morega Mihaela, Dumitru Jean-Bogdan, Popa

Nicolae-Calin, Transformator planar cu nanofluid magnetic, Cerere de brevet de inventie, nr.

OSIM A/00713 din 07-10-2016, solicitanti ICPE-CA Bucuresti si Universitatea Politehnica

Timisoara.

B. Pislaru-Danescu Lucian, Chitanu Elena, El-Leathey Lucia Andreea, Babutanu Corina-Alice,

Marin Marcel-Dorian, Morega Alexandru-Mihail, Morega Mihaela, Popa Nicolae-Calin, Sistem

de generare a energiei electrice prin conversie fotovoltaica, cu acoperire antireflexiva, Cerere

de brevet de inventie, nr. OSIM A/00297 din 17-05-2017, solicitant ICPE-CA Bucuresti.

45

5. Realizarea unui demonstrator alcatuit din senzori wireless ce sunt alimentati de catre

sistemul hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin conversie

fotovoltaica si transformare DC/DC cu integrare MEMS si stocarea energiei cu

supercapacitori, corespunzator a doua aplicatii practice, Activitatea IV.5.

6. Experimentarea si verificarea demonstratorului alcatuit din senzori wireless ce sunt

alimentati de catre sistemul hibrid de recoltare a energiei din mediul inconjurator prin

conversie fotovoltaica si transformare DC/DC cu integrare MEMS , Activitatea IV.6.

7. Diseminarea rezultatelor cercetarii, Activitatea IV.7.

[1] L. Pîslaru-Dănescu, A. M. Morega, J. B. Dumitru, M. Morega, N. C. Popa, F. D. Stoian, D. Susan-Resiga, S.

Holotescu, M. Popa, Miniature Planar Spiral Transformer with Hybrid, Ferrite and Magnetic Nanofluid Core,

Transmisa spre publicare in revista ISI IEEE Transactions on Magnetics in 28 Apr. 2017.

[2] Veli, Yelda; Morega, Alexandru M., Morega, Mihaela, Pîslaru-Dănescu, L., „Numerical Modeling of a Planar

Transformer for Micro-Power Controllers” Conference: 10th International Symposium on Advanced Topics in

Electrical Engineering (ATEE) Location: Bucharest, ROMANIA Date: MAR 23-25, 2017, 2017 10TH

INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON ADVANCED TOPICS IN ELECTRICAL ENGINEERING

(ATEE) Book Series: International Symposium on Advanced Topics in Electrical Engineering, Pages: 206-

210 Published: 2017.

[3] Chitanu, E. ; Pislaru-Danescu, L. ; El-Leathey, L.A ; Marin, D; Chihaia, R.A. ; Babutanu, CA ; Marinescu,

V. ; Sbarcea, B.G., „Improvement of Polycrystalline Solar Cells Operation under Low Solar Radiation

Conditions by Using ZnO Nanostructured Materials”, Conference: 10th International Symposium on

Advanced Topics in Electrical Engineering (ATEE) Location: Bucharest, ROMANIA Date: MAR 23-25,

2017 , 2017 10TH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON ADVANCED TOPICS IN ELECTRICAL

ENGINEERING (ATEE) Book Series: International Symposium on Advanced Topics in Electrical

Engineering Pages: 768-773 Published: 2017.

[4] Pislaru-Danescu, L. ; Morega, M. ; Dumitru, A.I. ; Pintea, J., “Analysis of Piezoelectric Structures Based on

New Modified PZT Zirconate Titanate Designed for Energy Harvesting Applications”, Conference: 10th

International Symposium on Advanced Topics in Electrical Engineering (ATEE) Location: Bucharest,

ROMANIA Date: MAR 23-25, 2017, 2017 10TH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON ADVANCED

TOPICS IN ELECTRICAL ENGINEERING (ATEE) Book Series: International Symposium on Advanced

Topics in Electrical Engineering Pages: 842-847 Published: 2017.

[5] Oana Maria Marinica, Study of Static Magnetic Properties of Transformer Oil Based Magnetic Fluids for

Various Technical Applications Using Demagnetizing Field Correction, Journal of Nanomaterials, Volume

2017, Article ID 5407679, 9 pages, Hindawi, https://doi.org/10.1155/2017/5407679 (Revista ISI).

[6] Pislaru-Danescu Lucian, Chitanu Elena, El-Leathey Lucia Andreea, Babutanu Corina-Alice, Marin Marcel-

Dorian, Morega Alexandru-Mihail, Morega Mihaela, Popa Nicolae-Calin, Sistem de generare a energiei

electrice prin conversie fotovoltaica, cu acoperire antireflexiva, Cerere de brevet de inventie, nr. OSIM

A/00297 din 17-05-2017, solicitant ICPE-CA Bucuresti.

[7] Vlad Socoliuc, Daniela Susan-Resiga, Corina Vasilescu, Oana Marinică, Izabell Crăciunescu, Tünde Borbáth,

István Borbáth, Alin Bosioc, Sebastian Muntean, Nicolae Calin Popa, Rodica Turcu, Ladislau Vékás,

Ferrofluids and nano-micro composite fluids: high magnetic response and optimized magnetorheological

behaviour tailored for specific applications, lucrare prezentata la 2nd Global Congress & Expo on Materials

Science and Nanoscience, 25 – 27 September 2017, Valencia, Spain.

[8] C. Velescu, N. C. Popa, Power Pump Flow Diminution Occuring Because of the Motive Fluid Compressibility,

lucrare finalizata aflata in curs de expediere la revista ISI Journal of Applied Mechanics (Transactions of the

ASME).

[9] F.D. Stoian, S. Holotescu, O. Marinica, D. Susan-Resiga, L. Vekas, N.C. Popa, C. Vasilescu, M. Rajnak, M.

Timko, P. Kopcansky, Concentrated magnetic nanofluids as liquid core in microtransformers, in curs de

pregatire pentru trimitere la revista Journal of Materials Science: Materials in Electronics (Springer, ISI)

[10] Book title: Electronic Circuit Principles, Architectures and Applications on Emerging Technologies, ISBN

978-953-51-5838-0, Chapter title: New Energy Harvesting Systems based on New Materials, Authors:

Lucian Pîslaru-Dănescu and Laurentiu Lipan, Book edited by: Mingbo Niu , Faculty of Science, Technology

and Health, Okanagan College, BC, Canada, InTech Open Publishing House, Croatia.

[11] L.Pîslaru-Dănescu, E. Chițanu, L.A. El-Leathey, V. Marinescu, D. Marin, B.G. Sbârcea, “Synthesis and

Characterization of Antireflective ZnO Nanoparticles Coatings Used for Energy Improving Efficiency of

Silicone Solar Cells“, transmisa spre publicare jurnalului Electronic Materials Letters 2017.