Un système de gestion et de stockage de l'énergie à deux étages pourrait considérablement améliorer l'efficacité des générateurs triboélectriques qui récupèrent l'énergie des mouvements humains irréguliers tels que la marche, courir ou taper du doigt.

Le système utilise un petit condensateur pour capturer le courant alternatif généré par l'activité biomécanique. Lorsque le premier condensateur se remplit, un circuit de gestion de l'alimentation alimente ensuite l'électricité dans une batterie ou un condensateur plus gros. Ce deuxième dispositif de stockage fournit du courant continu à des tensions appropriées pour alimenter des appareils portables et mobiles tels que des montres, moniteurs cardiaques, calculatrices, thermomètres - et même des dispositifs d'entrée à distance sans fil pour les véhicules.

En adaptant l'impédance du dispositif de stockage à celle des générateurs triboélectriques, le nouveau système peut augmenter l'efficacité énergétique d'un pour cent seulement jusqu'à 60 pour cent. La recherche a été publiée le 11 décembre dans le journal Communication Nature .

"Avec un générateur triboélectrique à haut rendement et ce circuit de gestion de puissance, nous pouvons alimenter une gamme d'applications à partir du mouvement humain, " dit Simiao Niu, assistant de recherche diplômé à la School of Materials Science and Engineering du Georgia Institute of Technology. "Le premier étage de notre système est adapté au nanogénérateur triboélectrique, et la deuxième étape est adaptée à l'application qu'elle alimentera."

Les nanogénérateurs triboélectriques utilisent une combinaison de l'effet triboélectrique et de l'induction électrostatique pour générer de petites quantités d'énergie électrique à partir de mouvements mécaniques tels que la rotation, glissement ou vibration. L'effet triboélectrique tire parti du fait que certains matériaux se chargent électriquement après avoir été en contact mobile avec une surface en un matériau différent. Cependant, la sortie est en courant alternatif, qui peut alimenter des applications telles que l'éclairage LED - mais n'est pas idéal pour les appareils mobiles.

Le courant alternatif ordinaire peut être converti en courant continu à l'aide d'un transformateur - mais un tel dispositif nécessite une 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 tension élevée et un courant faible - tandis que les applications pour cela nécessitent exactement le contraire :une basse tension et un courant plus élevé.

Pour régler le problème, Niu et ses collaborateurs sous la supervision du professeur Zhong Lin Wang de Georgia Tech ont développé leur système de gestion de l'énergie, qui convertit les amplitudes de puissance fluctuantes et les fréquences variables en un courant continu continu.

Le système de gestion de l'alimentation peut fonctionner avec n'importe quel générateur triboélectrique qui produit un minimum de 100 microwatts. Le système nécessite une certaine puissance pour fonctionner, mais compense en augmentant la sortie globale jusqu'à 330 fois pour atteindre des niveaux de milliwatt.

"Peu importe le type de mouvement mécanique ou la fréquence de mouvement mécanique que vous avez tant que l'apport d'énergie est élevé, " a déclaré Niu. " Il s'agit d'une étape critique dans la commercialisation des nanogénérateurs triboélectriques car elle ouvre une gamme de nouvelles applications. "

Avec le tapotement du doigt comme seule source d'énergie, le bloc d'alimentation fournit un courant continu continu de 1,044 milliwatt. L'unité peut fonctionner en continu avec le mouvement, permettant aux appareils de fonctionner même lorsque l'appareil charge la batterie ou le condensateur.

Au-delà de l'électronique portable, Niu pense que le système pourrait être utile pour alimenter des réseaux de capteurs, permettant un fonctionnement à long terme sans avoir besoin de remplacer les piles.

"Dans un réseau de capteurs, vous auriez tellement d'appareils que vous ne pourriez pas remplacer toutes les piles, ", a-t-il déclaré. "Cette technologie vous permettrait d'alimenter les capteurs en récupérant l'énergie de l'environnement et en fournissant directement de l'énergie à chaque composant du réseau."

Avec les circuits de gestion de l'énergie démontrés dans cette preuve de concept, la prochaine étape sera de miniaturiser les circuits pour les intégrer dans un système global, dit 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) mode de glissement latéral, (3) mode monoélectronique, et (4) mode couche triboélectrique autonome. Il existe également des combinaisons hybrides de ces modes structuraux majeurs.