Un sistema de almacenamiento y administración de energía de dos etapas podría mejorar drásticamente la eficiencia de los generadores triboeléctricos que recolectan energía del movimiento humano irregular, como caminar, correr o tocar con los dedos.
El sistema usa un pequeño capacitor para capturar la corriente alterna generada por la actividad biomecánica. Cuando el primer capacitor se llena, un circuito de administración de energía alimenta la electricidad a una batería o capacitor más grande. Este segundo dispositivo de almacenamiento suministra corriente continua a voltajes apropiados paraalimentando dispositivos portátiles y portátiles como relojes, monitores cardíacos, calculadoras, termómetros, e incluso dispositivos inalámbricos de entrada remota para vehículos.
Al hacer coincidir la impedancia del dispositivo de almacenamiento con la de los generadores triboeléctricos, el nuevo sistema puede aumentar la eficiencia energética desde solo un uno por ciento hasta un 60 por ciento. La investigación se publicó el 11 de diciembre en la revista Comunicaciones de la naturaleza .
"Con un generador triboeléctrico de alto rendimiento y este circuito de administración de energía, podemos alimentar una variedad de aplicaciones desde el movimiento humano", dijo Simiao Niu, asistente de investigación graduado en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales del Instituto de Tecnología de Georgia. "La primera etapa de nuestro sistema se corresponde con el nanogenerador triboeléctrico, y la segunda etapa se corresponde con la aplicación que estará alimentando".
Los nanogeneradores triboeléctricos utilizan una combinación del efecto triboeléctrico y la inducción electrostática para generar pequeñas cantidades de energía eléctrica a partir de movimientos mecánicos como rotación, deslizamiento o vibración. El efecto triboeléctrico aprovecha el hecho de que ciertos materiales se cargan eléctricamente después de entrar encontacto móvil con una superficie hecha de un material diferente. Sin embargo, la salida es de corriente alterna, que puede alimentar aplicaciones como la iluminación LED, pero no es ideal para dispositivos móviles.
La corriente alterna ordinaria se puede convertir en corriente continua mediante el uso de un transformador, pero un dispositivo de este tipo requiere consistencia en el número de ciclos por segundo. Debido a que las fuentes de energía biomecánica, como caminar o tocar con los dedos, producen amplitud fluctuante y frecuencias variables, un estándarEl transformador no se puede utilizar. Además, la salida de un generador triboeléctrico tiende a tener alto voltaje y baja corriente, mientras que las aplicaciones requieren todo lo contrario: bajo voltaje y mayor corriente.
Para abordar el problema, Niu y sus colaboradores bajo la supervisión del profesor Zhong Lin Wang en Georgia Tech desarrollaron su sistema de administración de energía, que convierte las amplitudes de potencia fluctuantes y las frecuencias variables en una corriente continua continua.
El sistema de administración de energía puede funcionar con cualquier generador triboeléctrico que produzca un mínimo de 100 microvatios. El sistema requiere algo de energía para funcionar, pero lo compensa aumentando la salida general hasta 330 veces para alcanzar niveles de milivatios.
"No importa qué tipo de movimiento mecánico o qué frecuencia de movimiento mecánico tenga, siempre que la entrada de energía sea alta", dijo Niu. "Este es un paso crítico en la comercialización de nanogeneradores triboeléctricos porque abreuna gama de nuevas aplicaciones ".
Con el toque de los dedos como única fuente de energía, la unidad de potencia proporciona una corriente continua continua de 1.044 milivatios. La unidad puede funcionar continuamente con el movimiento, lo que permite que los dispositivos funcionen incluso cuando el dispositivo carga la batería o el condensador.
Más allá de la electrónica portátil, Niu cree que el sistema podría ser útil para alimentar redes de sensores, lo que permite un funcionamiento a largo plazo sin la necesidad de reemplazar las baterías.
"En una red de sensores, tendría tantos dispositivos que no podría reemplazar todas las baterías", dijo. "Esta tecnología le permitiría alimentar los sensores recolectando energía del medio ambiente y luego proporcionando energía directamente paracada componente de la red. "
Con los circuitos de gestión de energía demostrados en esta prueba de concepto, el siguiente paso será miniaturizar los circuitos para que quepan en un sistema general, dijo Zhong Ling Wang, profesor de Regents en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech.quien dirigió el desarrollo de los nanogeneradores triboeléctricos originales.
"Este nuevo dispositivo proporciona un puente entre el nanogenerador triboeléctrico y muchos tipos diferentes de aplicaciones", dijo. "Este trabajo nos permitirá construir un paquete que pueda alimentar dispositivos portátiles y portátiles a partir del movimiento de los humanos. Con salida constantedesde una batería o un condensador grande, puede controlar casi cualquier dispositivo que desee ".
El sistema de gestión de energía también podría aplicarse a generadores piezoeléctricos y piroeléctricos, que también producen corriente alterna.
En 2012, Wang y su equipo de investigación anunciaron nanogeneradores triboeléctricos que producen pequeñas cantidades de electricidad a partir del movimiento en el mundo que nos rodea, al capturar la carga eléctrica producida cuando dos tipos diferentes de materiales plásticos se frotan entre sí. Basado en polímero flexiblemateriales, los generadores triboeléctricos proporcionan corriente alterna CA de actividades como caminar.
Las variaciones en las estructuras del generador permiten una variedad de aplicaciones dependiendo de la fuente de energía mecánica. El equipo de Wang ha informado de cuatro grupos principales de generadores, incluidos los que operan mediante 1 modo de separación de contacto vertical, 2 modo de deslizamiento lateral, 3 modo de un solo electrón y 4 modo de capa triboeléctrica independiente. También hay combinaciones híbridas de estos modos estructurales principales.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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