To-trins strømstyringssystem øger effektiviteten til energihøst

Et to-trins strømstyrings- og lagringssystem kunne dramatisk forbedre effektiviteten af ​​triboelektriske generatorer, der høster energi fra uregelmæssige menneskelige bevægelser, såsom gang, løb eller fingertap.

Systemet bruger en lille kondensator til at fange vekselstrøm genereret af den biomekaniske aktivitet. Når den første kondensator fyldes, et strømstyringskredsløb fører derefter elektriciteten til et batteri eller en større kondensator. Denne anden lagerenhed leverer jævnstrøm ved spændinger, der er passende til at forsyne bærbare og mobile enheder såsom ure, hjertemonitorer, lommeregnere, termometre - og endda trådløse fjernadgangsenheder til køretøjer.

Ved at matche lagerenhedens impedans til de triboelektriske generatorers impedans, det nye system kan øge energieffektiviteten fra kun én procent til så meget som 60 procent. Forskningen blev rapporteret den 11. december i tidsskriftet Naturkommunikation .

"Med en høj-output triboelektrisk generator og dette strømstyringskredsløb, vi kan drive en række applikationer fra menneskelig bevægelse, " sagde Simiao Niu, en uddannet forskningsassistent ved School of Materials Science and Engineering ved Georgia Institute of Technology. "Den første fase af vores system er matchet med den triboelektriske nanogenerator, og det andet trin matches til den applikation, som den vil drive."

Triboelektriske nanogeneratorer bruger en kombination af den triboelektriske effekt og elektrostatisk induktion til at generere små mængder elektrisk strøm fra mekaniske bevægelser såsom rotation, glidning eller vibration. Den triboelektriske effekt udnytter det faktum, at visse materialer bliver elektrisk ladede, efter at de kommer i bevægende kontakt med en overflade lavet af et andet materiale. Imidlertid, udgangen er vekselstrøm, som kan drive applikationer som LED-belysning – men er ikke ideel til mobile enheder.

Almindelig vekselstrøm kan omdannes til jævnstrøm ved at bruge en transformer - men sådan en enhed kræver konsistens i antallet af cyklusser pr. Fordi biomekaniske energikilder som at gå eller trykke på fingeren producerer fluktuerende amplitude og variable frekvenser, en standard transformer kan ikke bruges. Ud over, outputtet fra en triboelektrisk generator har en tendens til at have høj spænding og lav strøm - mens applikationer til det kræver lige det modsatte:lav spænding og højere strøm.

For at løse problemet, Niu og samarbejdspartnere under tilsyn af professor Zhong Lin Wang ved Georgia Tech udviklede deres strømstyringssystem, som konverterer de fluktuerende effektamplituder og variable frekvenser til en kontinuerlig jævnstrøm.

Strømstyringssystemet kan fungere med enhver triboelektrisk generator, der producerer minimum 100 mikrowatt. Systemet kræver noget strøm for at fungere, men kompenserer ved at øge det samlede output så meget som 330 gange for at nå milliwatt-niveauer.

"Det er lige meget hvilken slags mekanisk bevægelse eller hvilken frekvens af mekanisk bevægelse du har, så længe energitilførslen er høj, " sagde Niu. "Dette er et kritisk skridt i kommercialiseringen af ​​triboelektriske nanogeneratorer, fordi det åbner op for en række nye applikationer."

Med fingertap som eneste energikilde, kraftenheden giver en kontinuerlig jævnstrøm på 1,044 milliwatt. Enheden kan arbejde kontinuerligt med bevægelsen, gør det muligt at betjene enheder, selvom enheden oplader batteriet eller kondensatoren.

Ud over bærbar elektronik, Niu mener, at systemet kan være nyttigt til at drive netværk af sensorer, tillader langtidsdrift uden behov for udskiftning af batterier.

"I et sensornetværk, du ville have så mange enheder, at du ikke kunne udskifte alle batterierne, " sagde han. "Denne teknologi vil give dig mulighed for at drive sensorerne ved at høste energi fra miljøet og derefter direkte levere energi til hver komponent i netværket."

Med energistyringskredsløbet demonstreret i dette proof-of-concept, det næste skridt vil være at miniaturisere kredsløbet, så det passer ind i et overordnet system, sagde Zhong Ling Wang, a Regents professor in the Georgia Tech School of Materials Science and Engineering who led development of the original triboelectric nanogenerators.

"This new device provides a bridge between the triboelectric nanogenerator and many different types of applications, " he said. "This work will allow us to build a package that can power wearable and mobile devices from the motion of humans. With constant output from a battery or large capacitor, you can drive just about any device that you want."

The power management system could also be applied to piezoelectric and pyroelectric generators, which also produce alternating current.

I 2012 Wang and his research team announced triboelectric nanogenerators that produce small amounts of electricity from motion in the world around us - by capturing the electrical charge produced when two different kinds of plastic materials rub against one another. Baseret på fleksible polymermaterialer, the triboelectric generators provide alternating current (AC) from activities such as walking.

Variations in generator structures allow a variety of applications depending on the source of mechanical energy. Wang's team has reported four major groups of generators including those that operate by (1) vertical contact-separation mode, (2) lateral glidende tilstand, (3) enkelt-elektron tilstand, og (4) fritstående triboelektrisk-lagstilstand. Der er også hybride kombinationer af disse store strukturelle tilstande.