Ett tvåstegs energihanterings- och lagringssystem kan dramatiskt förbättra effektiviteten för triboelektriska generatorer som skördar energi från oregelbundna mänskliga rörelser som promenader, löpning eller fingeravtryckning.

Systemet använder en liten kondensator för att fånga växelström som genereras av den biomekaniska aktiviteten. När den första kondensatorn fylls, en strömhanteringskrets matar sedan elen till ett batteri eller en större kondensator. Denna andra lagringsenhet levererar likström vid spänningar som är lämpliga för att driva bärbara och mobila enheter som klockor, hjärtmonitorer, räknare, termometrar - och till och med trådlösa fjärrkontrollsenheter för fordon.

Genom att matcha lagringsanordningens impedans med den för de triboelektriska generatorerna, det nya systemet kan öka energieffektiviteten från bara en procent till så mycket som 60 procent. Forskningen rapporterades 11 december i tidningen Naturkommunikation .

"Med en triboelektrisk generator med hög effekt och denna strömhanteringskrets, vi kan driva en rad applikationer från mänsklig rörelse, "sa Simiao Niu, en forskarassistent vid School of Materials Science and Engineering vid Georgia Institute of Technology. "Det första steget i vårt system matchas med den triboelektriska nanogeneratorn, och den andra etappen matchas med applikationen som den kommer att driva. "

Triboelektriska nanogeneratorer använder en kombination av triboelektrisk effekt och elektrostatisk induktion för att generera små mängder elektrisk kraft från mekaniska rörelser som rotation, glidande eller vibrationer. Den triboelektriska effekten drar fördel av det faktum att vissa material blir elektriskt laddade efter att de kommer i rörlig kontakt med en yta gjord av ett annat material. Dock, utgången är växelström, som kan driva applikationer som LED -belysning - men är inte idealisk för mobila enheter.

Vanlig växelström kan omvandlas till likström med hjälp av en transformator - men en sådan enhet kräver konsekvens i antalet cykler per sekund. Eftersom biomekaniska energikällor som promenader eller fingeravtryck ger fluktuerande amplitud och variabla frekvenser, en standardtransformator kan inte användas. Dessutom, utgången från en triboelektrisk generator tenderar att ha hög spänning och låg ström - medan applikationer för den kräver precis motsatsen:låg spänning och högre ström.

För att åtgärda problemet, Niu och medarbetare under överinseende av professor Zhong Lin Wang vid Georgia Tech utvecklade sitt energihanteringssystem, som omvandlar de fluktuerande effektamplituderna och de variabla frekvenserna till en kontinuerlig likström.

Strömhanteringssystemet kan fungera med alla triboelektriska generatorer som producerar minst 100 mikrovatt. Systemet kräver viss ström för att fungera, men kompenserar genom att öka den totala effekten så mycket som 330 gånger för att nå milliwattnivåer.

"Det spelar ingen roll vilken typ av mekanisk rörelse eller vilken mekanisk rörelsefrekvens du har så länge energiinmatningen är hög, "sa Niu." Detta är ett kritiskt steg i kommersialiseringen av triboelektriska nanogeneratorer eftersom det öppnar en rad nya applikationer. "

Med fingertappning som enda energikälla, kraftenheten ger kontinuerlig likström på 1,044 milliwatt. Enheten kan arbeta kontinuerligt med rörelsen, så att enheter kan användas även när enheten laddar batteriet eller kondensatorn.

Utöver bärbar elektronik, Niu tror att systemet kan vara användbart för att driva nätverk av sensorer, möjliggör långsiktig drift utan att batteriet behöver bytas ut.

"I ett sensornätverk, du skulle ha så många enheter att du inte kunde byta ut alla batterier, "sade han." Med den här tekniken kan du driva sensorerna genom att skörda energi från miljön och sedan direkt ge energi för varje komponent i nätverket. "

Med energihanteringskretsarna demonstrerade i detta proof-of-concept, nästa steg blir att miniatyrisätta kretsarna så att de passar in i ett övergripande system, sa 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.

Under 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. Based on flexible polymer materials, 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) glidläge i sidled, (3) enkelelektronläge, och (4) fristående triboelektriskt skiktläge. Det finns också hybridkombinationer av dessa stora strukturella lägen.