Un système de gestion et de stockage de l’énergie à deux étapes pourrait améliorer considérablement l’efficacité des générateurs triboélectriques qui récoltent l’énergie du mouvement humain irrégulier comme la marche, la course ou le tapotement des doigts
Le système utilise un petit condensateur pour capturer le courant généré par l’activité biomécanique alternative. Lorsque le premier condensateur se remplit, un circuit de gestion de l’énergie expédie ensuite l’électricité dans une batterie ou un condensateur plus grand. Ce second dispositif de stockage fournit un courant continu avec des tensions appropriées pour alimenter des appareils portables et mobiles tels que des montres, des moniteurs cardiaques, des calculatrices, des thermomètres – et même des dispositifs d’entrée à distance sans fil les pour véhicules.
En faisant correspondre l’impédance du dispositif de stockage à celui des générateurs triboélectriques, le nouveau système peut augmenter l’efficacité énergétique de 1 % à environ 60 %. La recherche a été rapportée le 11 Décembre dans la revue Nature Communications.
« Avec un générateur triboélectrique à haut rendement et ce circuit de gestion de l’énergie, nous pouvons alimenter une gamme d’applications à partir de mouvements humains », a déclaré Simiao Niu, assistant de recherche en troisième cycle à l’École des sciences et génie des matériaux à l’Institut de technologie de Géorgie aux Etats-Unis. « La première étape de notre système est adapté à la nanogénération triboélectrique, et la seconde étape est adaptée à l’application qui sera alimentée en énergie »
Les nanogénérateurs triboélectriques utilisent une combinaison entre l’effet triboélectrique et l’induction électrostatique pour générer de petites quantités d’énergie électrique à partir de mouvements mécaniques telles que la rotation, le glissement ou les vibrations. L’effet triboélectrique tire parti du fait que certaines matières se chargent électriquement après leur entrée en contact mobile avec une surface faite d’un matériau différent. Cependant, la sortie est un courant alternatif, qui peut alimenter des applications telles que de l’éclairage LED – mais ne sont pas idéales pour les appareils mobiles.
Du courant alternatif ordinaire peut être transformé directement en courant continu à l’aide d’un transformateur – mais un tel dispositif exige de la cohérence dans le nombre de cycles par seconde. Parce que les sources d’énergie biomécaniques telles que la marche ou le tapotement des doigts produisent une amplitude fluctuante et des fréquences variables, un transformateur standard ne peut pas être utilisé. En outre, la sortie d’un générateur triboélectrique a tendance à avoir une haute tension et un faible courant – alors que les applications nécessitent pour cela tout le contraire: de la basse tension et un courant plus élevé.
Pour résoudre le problème, Simiao Niu et ses collaborateurs sous la supervision du professeur Zhong Lin Wang de la Georgia Tech ont développé leur système de gestion de l’alimentation, qui convertit les amplitudes électriques fluctuantes et les fréquences variables en un courant continu direct.
Le système de gestion de l’énergie peut fonctionner avec tout générateur triboélectrique qui produit un minimum de 100 microwatts. Le système nécessite une certaine puissance pour fonctionner, mais cela est compensé en augmentant la production globale de 330 fois pour atteindre des niveaux de milliwatts.
« Peu importe le type de mouvement mécanique ou quelle fréquence de mouvement mécanique vous avez aussi longtemps que l’entrée en énergie est élevé », a déclaré Simiao Niu. « Ceci est une étape critique dans la commercialisation de nanogénérateurs triboélectriques car cela ouvre un éventail de nouvelles applications. »
Avec des doigts qui tapotent comme la seule source d’énergie, l’unité énergétique fournit un courant continu de 1,044 milliwatts. L’unité peut fonctionner en continu avec le mouvement, ce qui permet de faire fonctionner des appareils de même que le dispositif de charge de la batterie ou un condensateur.
Au-delà de l’électronique portable, Samaio Niu estime que le système pourrait être utile dans l’alimentation des réseaux de capteurs, permettant un fonctionnement à long terme nécessité de remplacer les piles.
« Dans un réseau de capteurs, vous pourriez avoir de si nombreux périphériques que vous ne pourriez pas remplacer toutes les batteries, » dit-il. «Cette technologie vous permettra d’alimenter des capteurs en récoltant l’énergie de l’environnement et en fournissant ensuite directement cette énergie pour chaque composant du réseau. »
Avec le circuit de gestion de l’énergie démontré dans cette preuve-de-concept, l’étape suivante consistera à miniaturiser les circuits pour entrer dans un système global, a déclaré Zhong Ling Wang, professeur Regents de l’École Technique en science des matériaux et ingénierie de Georgie qui a dirigé le développement des nanogénérateurs triboélectriques originaux.
« Ce nouveau dispositif fournit un pont entre le nanogénérateur triboélectrique et de nombreux différents types d’applications, » dit-il. «Ce travail nous permettra de construire un package qui peut alimenter des appareils portables et mobiles à partir de mouvements humains. Avec une la production constante d’une batterie ou d’un gros condensateur, vous pouvez gérer à peu près tout périphérique que vous souhaitez. «
Le système de gestion d’alimentation peut également être appliqué à des générateurs piézoélectriques et pyroélectriques, qui produisent également un courant alternatif.
En 2012, Zhong Ling Wang et son équipe de recherche ont annoncé des nanogénérateurs triboélectriques qui produisent de petites quantités d’électricité à partir de mouvement dans le monde autour de nous – en capturant la charge électrique produite lorsque deux différents types de matières plastiques se frottent l’une contre l’autre. Basés sur des matériaux polymères souples, les générateurs triboélectriques fournissent le courant alternatif (AC) à partir d’activités comme la marche.
Les variations dans les structures de générateur permettent une variété d’applications en fonction de la source d’énergie mécanique. L’équipe de Zhong Ling Wang a signalé quatre grands groupes de générateurs, y compris ceux qui fonctionnent par (1) le mode de séparation de contact vertical, (2) le mode de glissement latéral, (3) l’électron simple, et (4) le mode de couche triboélectrique.
Il y a aussi des combinaisons hybrides de ces modes structurels majeurs.
http://www.nature.com/ncomms/2015/151123/ncomms9975/full/ncomms9975.html
