Исследователи разрабатывают новое устройство, преобразующее вибрации в электричество для автономных датчиков
Международная исследовательская группа разработала новое устройство для выработки энергии, объединив пьезоэлектрические композиты с полимером, армированным углеродным волокном (углепластик), широко используемым материалом, который является одновременно легким и прочным. Новое устройство преобразует вибрации окружающей среды в электричество, обеспечивая эффективное и надежное средство для датчиков с автономным питанием.
Подробности исследования группы были опубликованы в журнале Nano Energy 13 июня 2023 года.
Сбор энергии включает в себя преобразование энергии из окружающей среды в пригодную для использования электрическую энергию и имеет решающее значение для обеспечения устойчивого будущего.
«Предметы повседневного обихода, от холодильников до уличных фонарей, подключены к Интернету как часть Интернета вещей (IoT), и многие из них оснащены датчиками, которые собирают данные», — говорит Фумио Нарита, соавтор исследования и профессор Высшей школы экологических исследований Университета Тохоку. «Но для функционирования этих устройств Интернета вещей требуется питание, что является сложной задачей, если они находятся в отдаленных местах или если их много».
Солнечные лучи, тепло и вибрация — все это может генерировать электрическую энергию. Энергия колебаний может быть использована благодаря способности пьезоэлектрических материалов вырабатывать электричество при физическом напряжении. Между тем углепластик благодаря своей прочности и легкости находит применение в аэрокосмической и автомобильной промышленности, спортивном снаряжении и медицинском оборудовании.
«Мы размышляли над тем, может ли пьезоэлектрический вибрационный сборщик энергии (PVEH), использующий прочность углепластика в сочетании с пьезоэлектрическим композитом, стать более эффективным и долговечным средством сбора энергии», — говорит Нарита.
Группа изготовила устройство, используя комбинацию наночастиц углепластика и ниобата калия-натрия (KNN), смешанных с эпоксидной смолой. Углепластик служил одновременно электродом и армирующей подложкой.
Так называемое устройство C-PVEH оправдало его ожидания. Тесты и моделирование показали, что он может сохранять высокую производительность даже после сгибания более 100 000 раз. Оказалось, что он способен накапливать выработанную электроэнергию и питать светодиодные фонари. Кроме того, он превзошел другие полимерные композиты на основе KNN по плотности энергопотребления.
C-PVEH поможет ускорить разработку датчиков Интернета вещей с автономным питанием, что приведет к созданию более энергоэффективных устройств Интернета вещей.
Нарита и его коллеги также в восторге от технологических достижений своего прорыва. «Помимо социальных преимуществ нашего устройства C-PVEH, мы в восторге от вклада, который мы внесли в область сбора энергии и сенсорных технологий. Сочетание превосходной выходной плотности энергии и высокой упругости может послужить ориентиром для будущих исследований в области других композитных материалов для различных применений».