Um sistema de armazenamento e gerenciamento de energia em dois estágios pode melhorar drasticamente a eficiência dos geradores triboelétricos que coletam energia do movimento humano irregular, como caminhar, correr ou tocar com o dedo.

O sistema utiliza um pequeno capacitor para capturar a corrente alternada gerada pela atividade biomecânica. Quando o primeiro capacitor se enche, um circuito de gerenciamento de energia então alimenta a eletricidade em uma bateria ou capacitor maior. Este segundo dispositivo de armazenamento fornece corrente DC em tensões adequadas para alimentar dispositivos portáteis e móveis, como relógios, monitores cardíacos, calculadoras, termômetros - e até mesmo dispositivos de entrada remota sem fio para veículos.

Ao combinar a impedância do dispositivo de armazenamento com a dos geradores triboelétricos, o novo sistema pode aumentar a eficiência energética de apenas um por cento para até 60 por cento. A pesquisa foi relatada em 11 de dezembro na revista. Nature Communications .

"Com um gerador triboelétrico de alta potência e este circuito de gerenciamento de energia, podemos impulsionar uma gama de aplicações do movimento humano, "disse Simiao Niu, assistente de pesquisa de pós-graduação na Escola de Ciência e Engenharia de Materiais do Instituto de Tecnologia da Geórgia. "O primeiro estágio do nosso sistema é compatível com o nanogerador triboelétrico, e o segundo estágio é compatível com o aplicativo que ele ativará. "

Nanogeradores triboelétricos usam uma combinação do efeito triboelétrico e indução eletrostática para gerar pequenas quantidades de energia elétrica a partir de movimentos mecânicos, como rotação, deslizamento ou vibração. O efeito triboelétrico aproveita o fato de que certos materiais tornam-se eletricamente carregados após entrarem em contato móvel com uma superfície feita de um material diferente. Contudo, a saída é corrente alternada, que pode alimentar aplicativos como iluminação LED - mas não é ideal para dispositivos móveis.

A corrente alternada comum pode ser convertida em corrente contínua usando um transformador - mas tal dispositivo requer consistência no número de ciclos por segundo. Como as fontes de energia biomecânica, como caminhar ou tocar o dedo, produzem amplitude flutuante e frequências variáveis, um transformador padrão não pode ser usado. Além disso, a saída de um gerador triboelétrico tende a ter alta tensão e baixa corrente - enquanto as aplicações exigem exatamente o contrário:baixa tensão e alta corrente.

Para resolver o problema, Niu e colaboradores sob a supervisão do Professor Zhong Lin Wang da Georgia Tech desenvolveram seu sistema de gerenciamento de energia, que converte as amplitudes de potência flutuantes e frequências variáveis ​​em uma corrente contínua contínua.

O sistema de gerenciamento de energia pode funcionar com qualquer gerador triboelétrico que produza um mínimo de 100 microwatts. O sistema requer alguma energia para operar, mas compensa aumentando a produção geral em até 330 vezes para atingir os níveis de miliwatts.

"Não importa que tipo de movimento mecânico ou a frequência de movimento mecânico que você tenha, desde que a entrada de energia seja alta, "disse Niu." Este é um passo crítico na comercialização de nanogeradores triboelétricos porque abre uma gama de novas aplicações. "

Com o toque do dedo como única fonte de energia, a unidade de energia fornece corrente contínua contínua de 1,044 miliwatts. A unidade pode trabalhar continuamente com o movimento, permitindo que os dispositivos sejam operados mesmo quando o dispositivo carrega a bateria ou o capacitor.

Além de eletrônicos portáteis, Niu acredita que o sistema pode ser útil para alimentar redes de sensores, permitindo operação de longo prazo sem a necessidade de substituir as baterias.

"Em uma rede de sensores, você teria tantos dispositivos que não poderia substituir todas as baterias, "disse ele." Esta tecnologia permitiria a você alimentar os sensores captando energia do ambiente e, em seguida, fornecendo energia diretamente para cada componente da rede. "

Com o circuito de gerenciamento de energia demonstrado nesta prova de conceito, a próxima etapa será miniaturizar o circuito para caber em um sistema geral, disse 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.

Em 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) modo de deslizamento lateral, (3) modo de elétron único, e (4) modo autônomo de camada triboelétrica. Existem também combinações híbridas desses principais modos estruturais.