В системе используется небольшой конденсатор для улавливания переменного тока, генерируемого биомеханической активностью. Когда первый конденсатор заполняется, схема управления питанием подает электричество в батарею или конденсатор большего размера. Это второе запоминающее устройство подает постоянный ток при напряжении, подходящем для питания носимых и мобильных устройств, таких как часы, кардиомониторы, калькуляторы, термометры — и даже беспроводных устройств удаленного входа в автомобили.
Согласовав импеданс накопительного устройства с импедансом трибоэлектрических генераторов, новая система может повысить энергоэффективность с одного процента до целых 60 процентов. Об исследовании сообщили 11 декабря в журнале Nature Communications.«С помощью высокопроизводительного трибоэлектрического генератора и этой схемы управления питанием мы можем приводить в действие ряд приложений от движения человека», — сказал Симиао Ню, научный сотрудник Школы материаловедения и инженерии Технологического института Джорджии. «Первая ступень нашей системы согласована с трибоэлектрическим наногенератором, а вторая ступень согласована с приложением, которое она будет обеспечивать».
Трибоэлектрические наногенераторы используют комбинацию трибоэлектрического эффекта и электростатической индукции для выработки небольшого количества электроэнергии от механических движений, таких как вращение, скольжение или вибрация. Трибоэлектрический эффект основан на том факте, что некоторые материалы становятся электрически заряженными после того, как они вступают в движущийся контакт с поверхностью, сделанной из другого материала. Однако на выходе используется переменный ток, который может питать такие приложения, как светодиодное освещение, но не идеален для мобильных устройств.Обычный переменный ток можно преобразовать в постоянный с помощью трансформатора, но такое устройство требует постоянного количества циклов в секунду.
Поскольку биомеханические источники энергии, такие как ходьба или постукивание пальцами, производят колеблющуюся амплитуду и переменную частоту, стандартный трансформатор использовать нельзя. Кроме того, на выходе трибоэлектрического генератора обычно наблюдается высокое напряжение и низкий ток, в то время как приложения для него требуют прямо противоположного: низкого напряжения и более высокого тока.Чтобы решить эту проблему, Ню и его сотрудники под руководством профессора Чжун Линь Ванга из Технологического института Джорджии разработали свою систему управления питанием, которая преобразует колеблющиеся амплитуды мощности и переменные частоты в непрерывный постоянный ток.Система управления питанием может работать с любым трибоэлектрическим генератором, который производит минимум 100 микроватт.
Система требует некоторой мощности для работы, но компенсирует это за счет увеличения общей выходной мощности в 330 раз для достижения уровня в милливаттах.«Неважно, какое механическое движение или какая частота механического движения у вас есть, пока подводимая энергия высока», — сказал Ниу. «Это важный шаг в коммерциализации трибоэлектрических наногенераторов, потому что он открывает ряд новых приложений».Благодаря простукиванию пальцами в качестве единственного источника энергии блок питания обеспечивает постоянный постоянный ток мощностью 1,044 милливатт.
Устройство может непрерывно работать с движением, что позволяет устройствам работать даже во время зарядки аккумулятора или конденсатора.Помимо портативной электроники, Ню считает, что эта система может быть полезна для питания сетей датчиков, обеспечивая длительную работу без необходимости замены батарей.«В сенсорной сети у вас будет так много устройств, что вы не сможете заменить все батареи», — сказал он. «Эта технология позволит вам питать датчики, собирая энергию из окружающей среды, а затем напрямую обеспечивая энергией каждый компонент сети».
По словам Чжун Лин Ван, профессора Риджентс в Технологической школе материаловедения и инженерии Джорджии, следующим шагом будет миниатюризация схемы, чтобы она вписывалась в общую систему. разработка оригинальных трибоэлектрических наногенераторов.«Это новое устройство обеспечивает мост между трибоэлектрическим наногенератором и многими различными типами приложений», — сказал он. «Эта работа позволит нам создать пакет, который может питать носимые и мобильные устройства от движения людей.
Благодаря постоянной выходной мощности от батареи или большого конденсатора вы можете управлять практически любым устройством, которое захотите».Система управления питанием может также применяться к пьезоэлектрическим и пироэлектрическим генераторам, которые также вырабатывают переменный ток.В 2012 году Ван и его исследовательская группа анонсировали трибоэлектрические наногенераторы, которые вырабатывают небольшое количество электричества в результате движения в окружающем нас мире — путем улавливания электрического заряда, образующегося при трении двух разных видов пластмасс друг о друга.
Основанные на гибких полимерных материалах, трибоэлектрические генераторы вырабатывают переменный ток (AC) от таких действий, как ходьба.Различия в конструкциях генераторов позволяют использовать их в различных областях в зависимости от источника механической энергии. Команда Вана сообщила о четырех основных группах генераторов, включая те, которые работают в (1) режиме с вертикальным разделением контактов, (2) в режиме бокового скольжения, (3) в одноэлектронном режиме и (4) в режиме автономного трибоэлектрического слоя.
Существуют также гибридные комбинации этих основных структурных модификаций.