Передовые технические разработки повысили эффективность устройств в улавливании следовых количеств энергии из окружающей среды (например, альтернативные способы добычи электроэнергии) и преобразовании их в электрическую энергию (например, для мгновенной зарядки мобильных устройств). Развитие микропроцессорной техники эффектно уменьшило требования к расходу энергии. Альтернативные способы добычи электроэнергии вызвали интерес в инженерном сообществе для разработки все больше и больше приложений, которые используют сбор энергии.
Описанный здесь подход направлен на проектирование и изготовление инновационного простого в использовании и универсального устройства для сбора энергии в обуви общего назначения.
В этом духе в данной статье рассматриваются различные устройства, которые могут быть встроены в обувь (где избыточная свободная энергия легко собирается) и использовать её для выработки электроэнергии во время ходьбы.
Основной целью является разработка системы локализации в помещении, встроенной в обувь. Результаты обнадеживают, и испытания в реальной жизни проводятся на первой серии прототипов.
Актуальность вопроса
Потребительская зависимость от носимых электронных устройств значительно выросла за последнее десятилетие. Поскольку носимые электронные устройства развиваются и размножаются, будет расти потребность в подаче энергии в распределенные точки вокруг человеческого тела. С увеличением использования возникают требования к уменьшенным размерам и расширенным возможностям, что требует новых способов подачи электрической энергии к этим устройствам. Сегодня батареи обеспечивают большую часть хранения, а подача энергии осуществляется по проводам. До сих пор, химических батарей было достаточно, но замена их является дорогостоящим неудобством, и это решение станет менее практичным по мере развития требований. Нынешний подход к распределению электроэнергии явно становится проблематичным, поскольку переносится больше приборов.
Разработчики вынуждены либо использовать более мелкие батареи, которые требуют замены повсюду, либо протягивать провода через нашу одежду для питания приборов от центрального источника питания. И то и другое нежелательно. Очевидно, что лучшим решением являются альтернативные способы добычи электроэнергии и генерация энергии там, где она используется, минуя проблему хранения и распределения в целом.
Появляется новый подход, который устраняет проблему электропроводки: разработка и хранение электрической энергии на самих устройствах путем очистки отходящей энергии от деятельности человека. Деятельность человека при ходьбе является важным источником сбора энергии.
Подсчитано, что 67 ватт мощности доступны при движении пятки среднего (68 кг) человека, идущего в быстром темпе (два шага в секунду с ногой, движущейся на 5 см вертикально). Но только несколько процентов этой энергии подходит для питания электронного устройства.
В указанном случае при механических потерях мощности 75%, электромеханическом КПД 50%, потерях электрической мощности 10% и суточной норме 16,6% теоретический предел сбора пьезоэлектрической энергии приближается к 1,265 Вт/ ч.
Этот уровень извлечения энергии из ходьбы, безусловно, сильно повлияет на походку. Необходимо пытаться генерировать энергию полностью паразитически, то есть через механизмы, которые захватывают и используют энергию, обычно расточительно рассеиваемую в окружающую среду.
Конечно энергетическая эффективность этого устройства ниже чем через преднамеренные средства сбора человеческой энергии (например, через рукоятку или ножную педаль), но наша цель-ненавязчиво собирать энергию для маломощных приложений. Исследователи подошли к этой проблеме, используя энергию от переноса веса во время шага для выполнения полезной работы. Считается что такой подход имеет потенциал для решения этих проблем для класса носимых устройств путем размещения генератора в месте, где значительная энергия легко доступна, а именно обуви.
Таким образом, эта статья посвящена разработке “простого в использовании” и дешевого альтернативного способа добычи электроэнергии для хранения и управления собранной энергией с конкретными приложениями на обуви, применяемой в условиях окружающей среды.
Структура устройства
Сбор энергии — это процесс захвата мельчайших количеств свободной энергии (без затрат) из окружающего фона.
Система сбора энергии требует:
- источника энергии;
- устройства преобразования энергии, такого как пьезоэлектрический элемент, который может преобразовывать энергию в электрическую форму;
- модуля сбора энергии, который захватывает, хранит и управляет энергией для устройства;
- устройства конечного применения.
Передовые технические разработки позволили повысить эффективность устройств по улавливанию следовых количеств энергии из окружающей среды и преобразованию их в электрическую энергию будущего.
Эти разработки вызвали интерес в инженерном сообществе для разработки все больше и больше приложений, которые используют сбор энергии для питания.
Основные технологии, используемые для преобразования энергии окружающей среды в полезную электрическую энергию, включают фотоэлектрическую (100 мВт/см2), термоэлектрическую-эффект Зеебека (100 мВт/см2), пьезоэлектрическую (100 мкВт/см2) и электромагнитную (300 мкВт/см3).
В частности, для сбора кинетической энергии требуется трансдукционный механизм для получения электрической энергии от движения, а для генератора потребуется механическая система, которая связывает перемещения окружающей среды с трансдукционным механизмом. Сам механизм трансдукции может генерировать электричество, используя механическое напряжение или относительное смещение, происходящее в системе.
Эффект деформации использует деформацию внутри механической системы и обычно использует активные материалы (например, пьезоэлектрические, пьезокерамические и пьезополимерные).
Механические колебания рассматриваются сегодня в числе наиболее перспективных источников как для дискретной плотности мощности, так и для обилия источников: промышленного оборудования, бытовой техники, транспорта, движения человека. Пьезоэлектрический и электромагнитный методы трансдукции являются двумя наиболее перспективными подходами для сбора кинетической энергии.
Пьезоэлектрические генераторы имеют преимущества простой структуры, легкости изготовления и меньшего количества периферийных компонентов. С другой стороны, хотя выходное напряжение очень высокое, ток, вытекающий из пьезоэлектрических генераторов, слишком низок для использования из-за очень высокого импеданса таких материалов (< 100 кОм).
Электромагнитные генераторы могут генерировать высокие уровни выходного тока, но напряжение очень низкое (обычно < 1 в). Макромасштабные устройства легко изготавливаются с использованием высокопроизводительных объемных магнитов и многовитковых катушек. Однако калибровка микромасштабных систем затруднена из-за относительно плохих свойств плоских магнитов, ограничений на число витков плоской катушки и слишком малых амплитуд колебаний. Было показано, что оба метода кинетической уборки способны подавать мощность на нагрузку от микроватт до милливатт.
Когда пьезоэлектрическое питание является техническим решением для сбора энергии, обычно используются два подхода: один метод заключается в использовании энергии, рассеиваемой при сгибании шарика стопы, с помощью гибкого устройства, установленного под стелькой. Второй способ заключается в использовании энергии удара ногой путем сплющивания изогнутых, предварительно напряженных устройств (например, металлических полосок пружины, соединенных с жестким пьезоэлектриком).
Существует множество альтернативных способов добычи электроэнергии и различных методов сбора энергии из различных сред для питания электроники. В повседневных условиях выход энергии из обуви (7 Вт потенциально доступны для отклонения на 1 см при 70 кг на 1 Гц ходьбы) или солнечных батарей при ярком свете доступные мощности обычно колеблются на уровнях МВт или мкВт.
В свете различных функций мышц можно различать два основных метода сбора энергии: паразитический и мутуалистический. Для сбора паразитной энергии электричество собирают за счет метаболической энергии пользователя.
В этом методе, энергия собирается во время периодов когда мышцы нормально выполняют работу.
По мере того как требования к питанию падают для большинства носимых устройств, возможно собрать полезное количество энергии «паразитически» из нормального диапазона человеческой деятельности. Исследователями было предпринято много попыток использовать этот источник, что привело к рассмотрению целого ряда технологий, начиная от конструкции различных электромеханических генераторов и заканчивая хирургическим размещением пьезоэлектрического материала у животных. С другой стороны, взаимный сбор энергии осуществляется путем выборочного сбора энергии в моменты и в местах, когда мышцы обычно замедляют тело. Вместо того, чтобы тормозить полностью с помощью мышц, генератор выполнял бы часть необходимой отрицательной работы, преобразуя механическую энергию тела в электрическую энергию.
Таким образом, взаимный сбор энергии будет аналогичен рекуперативному торможению в гибридных автомобилях.
Описание системы
Исходя из вышеизложенных соображений, разработана гибридная система: она предполагает использование пьезоэлектрического генератора и модульных электромагнитных генераторов.
Электромеханические приводы состоят из подвижного магнита, перемещаемого упорным штифтом и смещенного механической пружиной. Это решение позволяет иметь мало энергии, потерянной из-за ползучести материала: система работает, восстанавливая взаимную энергию, а не паразитическую.
Описанный здесь подход направлен на преодоление этих ограничений путем разработки и производства инновационного простого в использовании устройства общего назначения для сбора энергии.
