Инновационная технология сбора и хранения энергии, разработанная инженерами-механиками Университета Висконсин-Мэдисон, может уменьшить нашу зависимость от аккумуляторов в наших мобильных устройствах, гарантируя, что у нас будет питание для наших устройств, где бы мы ни находились.
В статье, опубликованной в ноябре. 16, 2015, в журнале Scientific Reports, Том Крупенкин, профессор машиностроения в UW-Madison, и Дж.
Эшли Тейлор, старший научный сотрудник отдела машиностроения UW-Madison, описала технологию сбора энергии, которая особенно хорошо подходит для захвата энергии движения человека для питания мобильных электронных устройств.
Эта технология может позволить использовать встроенный в обувь сборщик энергии, который улавливает энергию, производимую людьми во время ходьбы, и сохраняет ее для дальнейшего использования.
Электроэнергетическая обувь может быть особенно полезна для военных, поскольку в настоящее время солдаты несут тяжелые батареи для питания своих радиоприемников, устройств GPS и очков ночного видения в полевых условиях. Прогресс может стать источником энергии для людей в отдаленных районах и развивающихся странах, которые не имеют адекватных электрических сетей.
«Ходьба человека несет в себе много энергии», — говорит Крупенкин. "Теоретические оценки показывают, что он может производить до 10 ватт на одну обувь, а энергия тратится впустую в виде тепла. Всего 20 Вт при ходьбе — это немало, особенно по сравнению с требованиями к мощности большинства современных мобильных устройств."
Крупенкин говорит, что использования лишь небольшого количества этой энергии достаточно для питания широкого спектра мобильных устройств, включая смартфоны, планшеты, портативные компьютеры и фонарики. Например, обычному смартфону требуется менее двух ватт.
Однако, по словам исследователей, традиционные подходы к сбору и преобразованию энергии не работают при относительно небольших смещениях и больших силах шагов.
«Поэтому мы разрабатываем новые методы прямого преобразования механического движения в электрическую энергию, которые подходят для этого типа приложений», — говорит Крупенкин.
В новой технологии сбора энергии, разработанной исследователями, используется «обратное электросмачивание», явление, которое Крупенкин и Тейлор впервые применили в 2011 году. При таком подходе, когда проводящая жидкость взаимодействует с поверхностью, покрытой нанопленкой, механическая энергия напрямую преобразуется в электрическую.
Метод обратного электросмачивания может генерировать полезную мощность, но для него требуется источник энергии с достаточно высокой частотой — например, механический источник, который быстро вибрирует или вращается.
«Тем не менее, наша среда полна низкочастотных источников механической энергии, таких как движение человека и машин, и наша цель — получить энергию из этих типов низкочастотных источников энергии», — говорит Крупенкин. "Таким образом, обратное электросмачивание само по себе не решило ни одной из наших проблем."
Чтобы преодолеть это, исследователи разработали так называемый метод «барботера», который они описали в своем исследовании Scientific Reports.
Барботажный метод сочетает обратное электросмачивание с ростом и схлопыванием пузырьков.
Барботер исследователей, не содержащий движущихся механических частей, состоит из двух плоских пластин, разделенных небольшим зазором, заполненным проводящей жидкостью. Нижняя пластина покрыта крошечными отверстиями, через которые сжатый газ образует пузырьки. Пузырьки растут, пока не станут достаточно большими, чтобы коснуться верхней пластины, в результате чего пузырек схлопнется.
Быстрый, повторяющийся рост и схлопывание пузырьков толкает проводящую жидкость вперед и назад, генерируя электрический заряд.
«Высокая частота, необходимая для эффективного преобразования энергии, исходит не от вашего механического источника энергии, а, напротив, это внутреннее свойство этого подхода с использованием барботера», — говорит Крупенкин.
Исследователи говорят, что их метод барботера потенциально может генерировать высокую плотность мощности — много ватт по отношению к площади поверхности в генераторе — что позволяет использовать меньшие и более легкие устройства для сбора энергии, которые могут быть подключены к широкому спектру источников энергии.
По словам Крупенкина, экспериментальное барботерное устройство генерировало около 10 ватт на квадратный метр в предварительных экспериментах, а теоретические оценки показывают, что возможно получение до 10 киловатт на квадратный метр.
«Барботер действительно эффективен при производстве высокой плотности мощности», — говорит он. "Для этого типа сбора механической энергии барботер обещает достичь наивысшей плотности мощности из когда-либо продемонстрированных."
Крупенкин и Тейлор стремятся к сотрудничеству с промышленностью и коммерциализации энергоуборочного комбайна, встроенного в обувь, через свою стартап-компанию InStep NanoPower.
Их комбайн может напрямую обеспечивать питание различных мобильных устройств через зарядный кабель или он может быть интегрирован с широким спектром электронных устройств, встроенных в обувь, такими как точка доступа Wi-Fi, которая действует как «посредник» между мобильными устройствами и беспроводная сеть. Последний не требует кабелей, значительно снижает энергопотребление беспроводных мобильных устройств и может продлить срок службы аккумулятора мобильного телефона в 10 раз без подзарядки.
«Для смартфона только затраты энергии на передачу радиочастоты туда и обратно между телефоном и вышкой в огромной степени способствуют общему разряду батареи», — говорит Крупенкин.