Генератор электрической энергии с приводом от давления, использующий микро

Nov 28, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 16827 (2022) Цитировать эту статью

2346 Доступов

19 Альтметрика

Подробности о метриках

Мы продемонстрировали устройство для сбора энергии с приводом от давления, использующее воду и имеющее стеклянный фильтр с пористыми каналами. Для изготовления стеклянного фильтра (диаметр 2 см, толщина 3 мм) мы использовали порошковое спекание, упаковывая порошок частиц боросиликатного стекла в углеродную форму и затем термически сплавляя его при 700°C под давлением. В эксперименте с постоянным расходом оптимальный средний радиус пор фильтра для выработки электроэнергии составлял 12 мкм. С помощью этого фильтра генерировалась мощность 3,8 мВт (27 В, 0,14 мА, энергоэффективность 0,021%) при скорости потока воды 50 мм/с. В эксперименте с постоянным давлением генератор энергии был оснащен ножным прессом с грузом 60 кг (830 кПа) и 50 мл воды. Оптимальный средний радиус пор для выработки электроэнергии в этом эксперименте составлял 12 мкм, а мощность 4,8 мВт (18 В, 0,26 мА, энергоэффективность 0,017%) генерировалась в течение 1,7 с. Этой мощности было достаточно для прямого светодиодного освещения, а конденсаторы могли хранить достаточно энергии для вращения вентилятора и работы беспроводного коммуникатора. Наше устройство с приводом от давления подходит для сбора энергии из медленных движений, таких как определенные физиологические функции человека, например, ходьба.

Сбор энергии — это многообещающая технология для питания множества небольших электронных устройств в будущем обществе Интернета вещей (IoT)1. Для сбора энергии обычно используются световая, тепловая и механическая энергия. Среди них сбор механической энергии, при котором электрическая энергия получается из механических движений колебаний и вибрации, хорошо знаком каждому и может быть получено большое количество энергии2,3. Например, были разработаны и используются устройства электромагнитной индукции4,5,6, пьезоэлектрические устройства (из электромеханических материалов)7,8,9,10,11 и электростатические устройства12,13,14. Однако миниатюрные устройства электромагнитной индукции обычно имеют низкую эффективность, что нежелательно. Пьезоэлектрические устройства или электростатические устройства могут быть миниатюризированы, но эффективность преобразования снижается, когда частота вибрации мала (например, менее 10 Гц). Поэтому этим устройствам трудно в полной мере использовать регулярные медленные физиологические движения человека, например, ходьбу.

В этой статье мы фокусируемся на явлениях, происходящих в устройстве для генерации электроэнергии под давлением при взаимодействии чистой воды и поверхностно заряженного твердого тела (стеклянного фильтра). Подробный принцип описан ниже. Этот подход полезен для вибраций небольшой частоты, поскольку выработка энергии продолжается до тех пор, пока в устройстве существует вода. Было несколько сообщений об устройствах для генерации энергии, основанных на этом принципе, в которых используется кремний со стеклянным покрытием15, металлоуглеродный композит16 или целлюлоза17. Однако к этим материалам сложно применить высокое давление из-за их хрупкости, а потому мощность, которую они могут генерировать, не столь велика.

С другой стороны, стекло твердое и прочное, и на него можно оказывать высокое давление. Были сообщения о выработке электроэнергии под давлением воды с использованием стеклянных каналов, изготовленных методами нисходящего микро- или нанопроизводства18,19,20,21. Однако такие устройства генерации электроэнергии недостаточно мощны для сбора энергии, поскольку генерируемый ток на канал обычно очень мал (порядка пикоампер).

Мы использовали пористое стекло для увеличения количества поровых каналов на основе исследования и оптимизации процесса изготовления устройства. Хотя пористое стекло ранее использовалось для выработки электроэнергии22, мощность по-прежнему низкая, поскольку изготовление фильтра из пористого стекла не было оптимизировано для выработки электроэнергии. Существует множество технологий для изготовления многих видов микрофлюидных устройств на основе стекла23. Основываясь на этих концепциях и технологиях, наша цель в этом исследовании состояла в том, чтобы изучить влияние размера пор на производительность генерации и разработать реальное устройство для сбора энергии, состоящее из фильтра из пористого стекла и блока ножного пресса для передачи силы ноги экспериментатора. нажмите на генератор энергии, чтобы продемонстрировать фактическое получение энергии.