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 utiliza un pequeño condensador para capturar la corriente alterna generada por la actividad biomecánica. Cuando se llena el primer condensador, Luego, un circuito de administración de energía alimenta la electricidad a una batería o un condensador más grande. Este segundo dispositivo de almacenamiento suministra corriente continua a voltajes apropiados para alimentar dispositivos portátiles y portátiles como relojes, monitores de corazón, 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 fue publicada 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 impulsar una variedad de aplicaciones desde el movimiento humano, "dijo Simiao Niu, asistente de investigación de posgrado 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 se utilizará ".

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 la rotación, deslizamiento o vibración. El efecto triboeléctrico aprovecha el hecho de que ciertos materiales se cargan eléctricamente después de entrar en contacto móvil con una superficie hecha de un material diferente. Sin embargo, la salida es 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 tal dispositivo requiere consistencia en el número de ciclos por segundo. Debido a que las fuentes de energía biomecánica como caminar o golpear con los dedos producen amplitud fluctuante y frecuencias variables, no se puede utilizar un transformador estándar. 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 enfrentar 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 producción total 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 abre una 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 trabajar continuamente con el movimiento, permitiendo 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, permitiendo 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 para cada 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, 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.

En 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 deslizamiento lateral, (3) modo de un solo electrón, y (4) modo de capa triboeléctrica independiente. También hay combinaciones híbridas de estos modos estructurales principales.