Enheden høster energi fra lavfrekvente vibrationer

En bærbar energiopsamlingsanordning kunne generere energi fra armens sving, mens du går eller jogger, ifølge et team af forskere fra Penn State's Materials Research Institute og University of Utah. Enheden, på størrelse med et armbåndsur, producerer nok strøm til at køre et personligt sundhedsovervågningssystem.

"De enheder, vi laver ved hjælp af vores optimerede materialer, kører et sted mellem 5 og 50 gange bedre end noget andet, der er blevet rapporteret, " sagde Susan Trolier-McKinstry, Steward S. Flaschen professor i materialevidenskab og -teknik og elektroteknik, Penn State.

Energihøstende enheder er i høj efterspørgsel for at drive de millioner af enheder, der udgør tingenes internet. Ved at levere kontinuerlig strøm til et genopladeligt batteri eller superkondensator, energihøstere kan reducere arbejdsomkostningerne ved at udskifte batterier, når de fejler, og holde døde batterier væk fra lossepladser.

Visse krystaller kan producere en elektrisk strøm, når de komprimeres, eller de kan ændre form, når en elektrisk ladning påføres. Denne piezoelektriske effekt bruges i ultralyds- og sonarenheder, samt energihøst.

I dette arbejde, Trolier-McKinstry og hendes tidligere doktorand, Hong Goo Yeo, brugt et velkendt piezoelektrisk materiale, PZT, og belagt det på begge sider af en fleksibel metalfolie til en tykkelse fire eller fem gange større end i tidligere enheder. Større volumen af ​​det aktive materiale er lig med generering af mere strøm. Ved at orientere filmens krystalstruktur for at optimere polarisering, ydeevnen - kendt som fortjenestetallet - af energihøst blev øget. De trykspændinger, der skabes i filmen, når den dyrkes på de fleksible metalfolier, betyder også, at PZT-filmene kan tåle høje belastninger uden at revne, giver mere robuste enheder.

"Der var nogle gode materialevidenskabelige udfordringer, "Trolier-McKinstry sagde om dette arbejde, rapporteret i en online early view-udgave af Avancerede funktionelle materialer forud for trykt udgivelse. "Den første var, hvordan man får filmtykkelsen høj på en fleksibel metalfolie. Så var vi nødt til at få den rigtige krystalorientering for at få den stærkeste piezoelektriske effekt."

Samarbejdspartnere ved University of Utah og i Penn State's Department of Mechanical Engineering designede en ny armbåndsurlignende enhed, der inkorporerer PZT/metalfoliematerialerne. Enheden bruger en frit roterende, excentrisk messingrotor med en magnet indlejret, og flere PZT-stråler med en magnet på hver stråle. Når magneten på rotoren nærmer sig en af ​​bjælkerne, magneterne frastøder hinanden og afbøjer strålen, plukning af strålen i en proces, der omtales som frekvensopkonvertering. Den langsomme frekvens af et roterende håndled omdannes til en højere frekvens oscillation. Designet af denne enhed er mere effektiv end en standard elektromagnetisk høstmaskine – som dem der bruges i selvdrevne ure – ifølge Trolier-McKinstry.

I det fremtidige arbejde, holdet mener, at de kan fordoble effektudgangen ved hjælp af koldsintringsprocessen, en lavtemperatursynteseteknologi udviklet i Penn State. Ud over, forskerne arbejder på at tilføje en magnetisk komponent til den nuværende mekaniske høstmaskine for at opfange energi over en større del af dagen, når der ikke er fysisk aktivitet.