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出版者:

作者:Mitsos, Alexander (EDT)/ Barton, Paul I. (EDT)

出品人:

頁數:300

译者:

出版時間:2009-3

價格:1698.00 元

裝幀:

isbn號碼:9783527320813

叢書系列:

圖書標籤:

• Microfabrication
• Power Generation
• MEMS
• Energy Harvesting
• Microfluidics
• Sensors
• Nanotechnology
• Materials Science
• Renewable Energy
• Biomedical Engineering

沉浸於微觀世界的能量奧秘：一本關於能量轉換與儲存的探索之旅 在人類文明的漫長進程中，能源的獲取、利用與儲存始終扮演著核心角色。從古人鑽木取火的原始需求，到現代社會對清潔、高效、可持續能源的無限追求，每一次能源技術的革新都深刻地塑造瞭我們的生活方式與文明進程。而今，當我們目光投嚮微觀尺度，微機電係統（MEMS）的飛速發展正以前所未有的方式，為能量的産生、轉化與儲存開闢全新的天地。這本《沉浸於微觀世界的能量奧秘》並非是一部關於“微製造發電裝置”的教科書，而是緻力於揭示隱藏在微觀尺度下，那些令人驚嘆的能量轉換機製、前沿研究動態以及其蘊含的巨大應用潛力。 本書旨在引領讀者深入探索那些在微觀尺度下發生的、此前可能被忽視的能量轉化過程。我們將暫且拋開宏觀世界的傳統發電技術，將視野聚焦於那些能夠從環境中汲取能量、將其轉化為可用形式，或者以極其微小但高效的方式儲存能量的微型係統。這其中，涉及的不僅僅是簡單的能量收集，更包含瞭對物理學基本原理的巧妙運用，以及工程學在微觀尺度上的極緻體現。 第一篇：微觀能量收集的多元宇宙 微觀能量收集，即從環境中汲取微弱但持續存在的能量，是實現自供電微係統的基石。本書將係統地介紹當前最活躍、最具潛力的微觀能量收集技術，並深入剖析其背後的科學原理。 環境振動能量收集： 我們的周圍充斥著各種形式的振動，從工業設備的運行、交通工具的行駛，到人體運動甚至聲音的傳播。本書將詳細闡述壓電效應、電磁感應、靜電耦閤等原理在微型振動能量收集器中的應用。我們將探討壓電材料的微觀結構與性能關係，解釋微型綫圈與永磁體如何在微小位移下感應齣電能，以及如何通過改變微腔結構和電極設計來優化靜電能量的捕獲效率。此外，我們還會深入分析不同應用場景下的振動頻譜特性，以及如何設計匹配的能量收集器以最大化能量提取。從橋梁監測、結構健康診斷到可穿戴設備，振動能量收集的應用前景廣闊。 熱電能量收集： 溫度梯度是普遍存在的，尤其是在電子設備、工業廢熱、甚至人體錶麵。本書將聚焦於微型熱電器件，解釋塞貝剋效應（Seebeck effect）在微觀結構中的實現。我們將深入探討不同半導體材料的熱電性能參數（ZT值），以及如何通過納米結構化、多層薄膜設計、量子尺寸效應等手段來提升熱電轉換效率。從廢熱迴收利用以驅動微傳感器，到為植入式醫療設備供電，熱電能量收集正悄然改變著能源利用的格局。 射頻（RF）能量收集： 在現代社會，無綫電波無處不在，手機信號、Wi-Fi、廣播電視信號等都攜帶著能量。本書將詳細介紹微型天綫的設計原理，以及如何與整流電路集成，將高頻射頻信號轉化為直流電。我們將探討不同頻段的能量密度特性，以及如何根據目標應用場景優化天綫結構和匹配網絡。雖然單個射頻信號的能量微弱，但通過陣列化設計和多點收集，可以實現對智能標簽、遠程傳感器等低功耗設備的有效供電。 光伏能量收集（微型化）： 太陽能作為一種清潔的可再生能源，其微型化應用同樣充滿潛力。本書將探討微型太陽能電池的最新發展，包括染料敏化太陽能電池（DSSC）、鈣鈦礦太陽能電池以及微型化晶矽太陽能電池的技術挑戰與突破。我們將分析影響微型光伏器件效率的關鍵因素，如光吸收、載流子分離與傳輸，以及如何通過材料選擇、界麵工程和器件結構設計來實現高效的能量轉換。微型光伏器件在物聯網設備、智能窗戶、便攜式電子産品等領域具有廣泛的應用前景。 其他新興能量收集技術： 除瞭上述主流技術，本書還將涉獵一些新興且極具創新性的能量收集方法，例如： 摩擦納米發電機（TENGs）： 利用接觸起電和靜電感應原理，通過材料的摩擦與分離産生電能。我們將探討不同摩擦材料的電荷轉移特性，以及如何通過結構設計（如平麵、柱狀、球狀等）來最大化能量輸齣。TENGs在自供電傳感器、柔性電子器件、人機交互等領域展現齣獨特的優勢。 生物動能收集： 從人體運動、心跳、呼吸等生物過程中提取能量。本書將介紹基於壓電、摩擦電或電化學原理的生物動能收集裝置，以及其在可穿戴健康監測設備中的應用潛力。 化學能轉換： 盡管與直接的“發電”概念有所區彆，本書也將簡要探討微型化、低功耗的化學能轉換係統，例如微型燃料電池，其將化學能直接轉化為電能，為微型設備提供持續動力。 第二篇：能量轉換與儲存的微觀藝術 能量收集隻是第一步，將收集到的微弱能量高效地轉化為可用形式，並能在需要時穩定輸齣，則需要精妙的能量管理與儲存技術。 能量管理集成電路（PMICs）： 微弱能量的收集常常伴隨著不穩定的電壓和電流。本書將深入探討用於處理這些不規則能量流的專用集成電路（ICs）。我們將介紹最大功率點跟蹤（MPPT）算法在微型能量收集器中的應用，以及如何設計高效的升壓（boost）、降壓（buck）和升降壓（buck-boost）轉換器，將收集到的低電壓、低電流能量提升到足以驅動負載的水平。同時，我們還將討論低靜態電流（low quiescent current）設計的重要性，以避免能量在電路自身消耗中過快損耗。 微型儲能器件： 即使能量可以被收集，也常常需要在一個相對集中的地方儲存起來，以便在需要時瞬間釋放。本書將詳細介紹各種微型儲能器件的原理與技術： 微型電容器： 包括雙電層電容器（EDLCs）和僞電容器。我們將探討微電極材料（如活性炭、碳納米管、石墨烯）的微觀結構對電容性能的影響，以及如何通過電解質選擇和界麵設計來提高能量密度和功率密度。 微型電池： 介紹基於鋰離子、固態電解質或其他新型化學體係的微型化電池技術。我們將分析微型電池在電極材料、隔膜、電解質以及製造工藝上的挑戰與創新，以及其在醫療植入設備、微型機器人和物聯網節點上的應用。 混閤儲能器件： 探討將電容器的快速充放電特性與電池的高能量密度相結閤的混閤儲能器件，以滿足不同應用場景下的能量需求。 能量采集與儲能的協同設計： 本書還將強調能量收集與儲能器件之間協同設計的重要性。我們將分析如何根據特定能量收集技術的特性（如能量輸齣的波動性、頻率特性）來選擇和設計最優的儲能器件，以及如何通過智能控製算法來實現兩者之間的最佳匹配，從而最大化整個係統的效率和穩定性。 第三篇：微觀能量技術的未來展望與應用 本書的最後部分將著眼於微觀能量收集與儲存技術的未來發展趨勢，以及其在各個領域的廣闊應用前景。 物聯網（IoT）設備的自供電： 隨著物聯網設備的爆炸式增長，電池更換和充電將成為一個巨大的挑戰。微觀能量收集技術為物聯網設備提供瞭實現真正自供電的可能性，從而擺脫對傳統電池的依賴，降低維護成本，並擴展部署範圍。從環境監測傳感器到智能傢居節點，再到工業自動化設備，自供電的物聯網設備將無處不在。 可穿戴與植入式醫療設備： 人體是一個天然的能量源，微觀能量收集技術能夠利用人體的運動、體溫等為可穿戴健康監測設備（如智能手錶、健康追蹤器）供電，甚至為植入式醫療設備（如起搏器、神經刺激器、藥物輸送泵）提供持續動力，避免瞭頻繁的手術更換電池的痛苦。 智能傳感器與基礎設施監測： 在惡劣或難以觸及的環境中，如深海、高空、地下管道、橋梁結構等，部署大量傳感器進行監測至關重要。微觀能量收集技術可以為這些傳感器提供獨立的能源供應，實現長期、自主的監測，為基礎設施的健康診斷和安全維護提供有力支持。 微型機器人與微機電係統： 微型機器人和各種微機電係統（MEMS）的廣泛應用，對微型化、高效能的能源解決方案提齣瞭迫切需求。本書將探討微觀能量收集與儲存技術如何為這些微型化智能體提供動力，使其能夠執行更復雜的任務，並在更廣泛的領域發揮作用。 可持續能源與環境友好型解決方案： 許多微觀能量收集技術本身就取材於可再生能源，如振動、太陽能、溫差等，符閤可持續發展的理念。此外，它們有助於減少對一次性電池的依賴，從而降低電子垃圾的産生，為構建更清潔、更環保的未來貢獻力量。 結語 《沉浸於微觀世界的能量奧秘》並非一本冰冷的科學著作，而是一次穿越物理定律、工程智慧與未來想象的奇妙旅程。它邀請您一同探索那些潛藏在我們身邊，卻又常常被忽視的能量奧秘。通過深入瞭解微觀尺度下的能量轉換與儲存技術，我們不僅能洞察科技發展的最新前沿，更能從中汲取靈感，為解決當今社會麵臨的能源挑戰，構建一個更加智能、高效、可持續的未來貢獻智慧與力量。本書旨在為科研人員、工程師、學生以及所有對前沿科技充滿好奇的讀者，提供一個全麵而深入的視角，一同揭開微觀能量世界的神秘麵紗。

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