Een tweetraps energiebeheer- en opslagsysteem zou de efficiëntie van tribo-elektrische generatoren die energie oogsten uit onregelmatige menselijke bewegingen zoals lopen, rennen of met de vingers tikken.

Het systeem gebruikt een kleine condensator om de wisselstroom op te vangen die wordt gegenereerd door de biomechanische activiteit. Als de eerste condensator vol is, een stroombeheercircuit voedt vervolgens de elektriciteit in een batterij of grotere condensator. Dit tweede opslagapparaat levert gelijkstroom met spanningen die geschikt zijn voor het voeden van draagbare en mobiele apparaten zoals horloges, hartmonitors, rekenmachines, thermometers - en zelfs draadloze apparaten voor toegang op afstand voor voertuigen.

Door de impedantie van het opslagapparaat af te stemmen op die van de tribo-elektrische generatoren, het nieuwe systeem kan de energie-efficiëntie verhogen van slechts één procent tot maar liefst 60 procent. Het onderzoek werd op 11 december gerapporteerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"Met een tribo-elektrische generator met hoog vermogen en dit stroombeheercircuit, we kunnen een reeks toepassingen aandrijven, van menselijke beweging, " zei Simiao Niu, een afgestudeerde onderzoeksassistent aan de School of Materials Science and Engineering aan het Georgia Institute of Technology. "De eerste fase van ons systeem is afgestemd op de tribo-elektrische nanogenerator, en de tweede fase is afgestemd op de toepassing die het zal aandrijven."

Tribo-elektrische nanogeneratoren gebruiken een combinatie van het tribo-elektrisch effect en elektrostatische inductie om kleine hoeveelheden elektrisch vermogen te genereren uit mechanische bewegingen zoals rotatie, glijden of trillen. Het tribo-elektrisch effect maakt gebruik van het feit dat bepaalde materialen elektrisch geladen worden nadat ze in bewegend contact komen met een oppervlak van een ander materiaal. Echter, de uitgang is wisselstroom, die toepassingen zoals LED-verlichting van stroom kan voorzien, maar niet ideaal is voor mobiele apparaten.

Gewone wisselstroom kan worden omgezet in gelijkstroom met behulp van een transformator - maar zo'n apparaat vereist consistentie in het aantal cycli per seconde. Omdat biomechanische energiebronnen zoals lopen of tikken met de vingers fluctuerende amplitude en variabele frequenties produceren, een standaard transformator kan niet worden gebruikt. In aanvulling, de output van een tribo-elektrische generator heeft de neiging om hoge spanning en lage stroom te hebben - terwijl toepassingen ervoor precies het tegenovergestelde vereisen:lage spanning en hogere stroom.

Om het probleem aan te pakken, Niu en medewerkers onder supervisie van professor Zhong Lin Wang van Georgia Tech ontwikkelden hun energiebeheersysteem, die de fluctuerende vermogensamplitudes en variabele frequenties omzet in een continue gelijkstroom.

Het energiebeheersysteem kan werken met elke tribo-elektrische generator die minimaal 100 microwatt produceert. Het systeem vereist enige stroom om te werken, maar compenseert door de totale output maar liefst 330 keer te verhogen om milliwatt-niveaus te bereiken.

"Het maakt niet uit wat voor soort mechanische beweging of welke frequentie van mechanische beweging je hebt, zolang de energie-invoer maar hoog is, " zei Niu. "Dit is een cruciale stap in de commercialisering van tribo-elektrische nanogeneratoren omdat het een reeks nieuwe toepassingen opent."

Met vingertikken als enige energiebron, de power unit levert een continue gelijkstroom van 1.044 milliwatt. Het apparaat kan continu werken met de beweging, waardoor apparaten kunnen worden bediend, zelfs als het apparaat de batterij of condensator oplaadt.

Naast draagbare elektronica, Niu gelooft dat het systeem nuttig kan zijn bij het voeden van netwerken van sensoren, waardoor langdurig gebruik mogelijk is zonder dat batterijen hoeven te worden vervangen.

"In een sensornetwerk je zou zoveel apparaten hebben dat je niet alle batterijen zou kunnen vervangen, " zei hij. "Met deze technologie kun je de sensoren van stroom voorzien door energie uit de omgeving te halen en vervolgens rechtstreeks energie te leveren voor elk onderdeel van het netwerk."

Met de energiebeheercircuits die in deze proof-of-concept worden gedemonstreerd, the next step will be to miniaturize the circuitry to fit into an overall system, said 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.

In 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. Gebaseerd op flexibele polymeermaterialen, 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) laterale schuifmodus, (3) single-elektron modus, en (4) vrijstaande tribo-elektrische laagmodus. Er zijn ook hybride combinaties van deze belangrijke structurele modi.