Mitä on Kinetic Energy Harvesting?

Kineettinen energian korjuu kaappaa mekaanisen energian tuotettu liike ja muuntaa sen käyttökelpoiseksi sähkövoimaksi. Konsepti perustuu perusfysiikkaan: mikä tahansa liikkuva esine kuljettaa kineettistä energiaa, joka voidaan muuntaa sähkömagneettisen induktion, pietsosähköisten vaikutusten tai sähköstaattisen induktion avulla. Puettavassa teknologiassa tämä periaate mahdollistaa laitteiden haaskauksen energian hukkuminen ihmisen liike. Kävely, juokseminen tai jopa gesturing.

Liikesavukkeen kineettisen korjuun tehokkuus vaihtelee mekanismien ja toimintojen mukaan. Esimerkiksi reipas kävely saattaa tuottaa 1.10 milliwattia jatkuvaa tehoa riippuen harvesterista ja jalkaiskuvoimasta. Vaikka puhelimen lataaminen ei riitäkään suoraan, energia voi tihkua pienen akun tai superkapasitaattorin päälle usean tunnin aikana. Tutkijat ovat osoittaneet kengissä kiinnitettävien generaattoreiden tuottavan jopa 250 milliwattia raskaalla kävelyllä, tarpeeksi vähän energiaa tuottavan Bluetooth-anturin tai puettavan kuntomittarin käyttöön.

Miten Kinetic Sadonkorjuu toimii älykkäissä jalokivissä

Älykkäät kengät upottavat yhden tai useamman energianmuuntamistekniikan pohjaan, kantapäähän tai pohjaan. Kun käyttäjä pakkaa harvesteria jokaisella askeleella, mekaanisesta rasituksesta tai siirtymästä syntyy sähkövirta. Tämä virta korjataan, ehdollistetaan ja varastoidaan ladattavaan akkuun tai superkapasittoriin, joka on integroitu kenkään tai pieneen ulkoiseen moduuliin. Tallennettua energiaa voidaan käyttää lataamaan älypuhelin, langaton korvanapit tai muu kannettava elektroniikka USB-C:n tai kengän sisäänrakennetun langattoman latausportin kautta.

Energiantalteenottoteknologiat

  • Piezoelectric materials[ tuottaa sähkövarausta epämuodostuneena. Älykengissä joustavat pietsosähköiset filmit tai kuidut upotetaan pohjaan. Jokainen footfall pakkaa materiaalin, tuottaa jännitepiikkejä, jotka lisäävät tuhansia askelia. Yhteisiä materiaaleja ovat lyijyzirkonaattititanaatti (PZT) ja polyvinyylideenifluoridi (PVDF). Voimat: kompakti, ei liikkuvia osia. Heikkoudet: keraamiset versiot voivat olla hauraita; ulostulo on pulssitettu ja vaatii tasausvirtaa.
  • Sähkömagneettiset generaattorit[ käyttävät liukumagneettia kelan sisällä. Kussakin vaiheessa magneetti liikkuu suhteessa kelaan, indusoi virta. Nämä generaattorit voivat tuottaa korkeampia tehotasoja (10..100 mW), mutta lisätä painoa ja irtotavaraa. Jotkut mallit käyttävät heiluria tai radan kaapata sekä kantapään ja varpaiden liikkeen. Voimat: vankka, hyvin ymmärretty teknologia. Heikkoudet: liikkuvat osat voivat kulua tai aiheuttaa epämukavuutta.
  • Tribosähköiset nanogeneraattorit (TENG)[ tukeutuvat kosketussähköisyyteen ja sähköstaattiseen induktioon.Kahden materiaalin koskettaessa ja erotellessa on esimerkiksi silikonipohjainen kalvo ja johtava kangas.Lataus kasvaa ja virtaa ulkoisen piirin läpi. TENG-kaasut voidaan tehdä pehmeäksi, ohueksi ja joustavaksi, jalansijaltaan ääriviivat sopivat yhteen. Voimat: korkea jännite, erilaiset materiaalivalinnat. Heikkoudet: virta on alhainen; kestävyys toistuvassa paineessa on edelleen paranemassa.

Hybridimenetelmät

Monissa viimeaikaisissa prototyypeissä yhdistyvät kaksi tai useampia sadonkorjuumenetelmiä, jotka kattavat laajemman liikenopeuden ja jalkapaineen. Esimerkiksi kengässä voi olla kantapääiskun (joka antaa suuren voiman) pietsosähköinen insertti ja TENG rullausmomentin keskisolessa. Yhdistetty lähtö voi olla yli 30 mW, joka riittää pitämään yllä pientä IoT-sensoria ilman ensisijaisella akulla.

Sovellukset ja esimerkkejä reaalimaailmasta

Kinetic energiankorjuu kengät on siirtynyt akateemisista laboratorioista kaupallisiin pilottiohjelmiin. Yksi merkittävä esimerkki on SolePower[], joka on startup, joka kehitti työsaappaat ja -pohjat integroiduilla sähkömagneettisilla generaattoreilla. Heidän prototyyppinsä voi ladata älypuhelinakun 50 prosenttiin noin kahdeksan tunnin kävelyn jälkeen. Toinen on PowerWalk[], jonka Bionic Power on alun perin suunniteltu sotilashenkilöstölle, joka käyttää polvi-brace-savukesavuketta, mutta on inspiroinut kengänvaihtoehdot. Utahin yliopiston ja Wisconsinin yliopiston tutkijat ovat osoittaneet kengänpohjat, jotka tuottavat riittävästi tehoa GPS-jäljitintä tai askel-laskentamoduulia jatkuvasti.

Kenkien kineettiset älykäs jalkineet ovat käyttökelpoisia syrjäseuduilla tai kenttätyöntekijöillä, joilla ei ole luotettavaa mahdollisuutta käyttää sähköä. Itselatautuvat saappaat voisivat pitää radiopuhelimen, taskulampun tai lääketieteellisen anturin toiminnassa pitkiä vuoroja. Jotkut yritykset tutkivat myös urheiluanalytiikan sovelluksia: kun kengät upottavat korjuulaitteita paineanturien rinnalle, ne voivat sekä potkaista itseään että toimittaa reaaliaikaista kävelytietoa vaunulle.

Kinetic Energy Sadonkorjuun edut jalokivissä

  • Kestävä, off-grid teho[ . ... vähentää riippuvuutta kertakäyttöisistä paristoista ja tarvetta etsiä myyntipisteitä. Päivittäisten työmatkalaisten tai retkeilijöiden kohdalla on tärkeää, että tavallisissa vaiheissa ladattavat laitteet ovat helposti saatavilla.
  • Ympäristövaikutus[ ... ..........................................................................................................................................................................................................................................
  • Terveyden ja toiminnan kannustimet[ . Käyttäjät, jotka tietävät niiden vaiheet tuottavat käyttövoimaa voidaan motivoida kävelemään enemmän. Jotkut tutkimusprototyypit jopa näyttää ...energiaa korjattu älypuhelinsovelluksella, joka gaming fyysinen aktiivisuus.
  • Integraatio muihin pukeutumistarkoituksiin[ . ... .................................................................................................................................................................................................................................

Haasteet ja rajoitukset

Vaikka lupaus on selvä, jalkineiden kineettisen energian keruussa on useita esteitä.

  • Energiatiheys[ ... Ihmisen liike tarjoaa 1...10 W mekaanista voimaa, mutta harvesterit ottavat vain murto-osan. Jotta älypuhelin (10 Wh akku) lataisi päivässä, kengän olisi toimitettava ~400 mW keskiarvoa enemmän kuin nykyiset käytännön tuotokset (10...50 mW useimmille prototyypeille).
  • Ketjut käyvät läpi toistuvan taivutuksen, kosteuden, lämpötilan vaihtelun ja lian. Harvesterien on selviydyttävä 500.000-1 miljoonaa askelta ilman vikaa, mutta pysyvät kevyinä ja huomaamattomina. Varhaiset pietsosähköiset keramiikka usein säröillä; uudemmat joustavat polymeerit ja suojaava kapselointi auttaa mutta lisää monimutkaisuus.
  • Cost[ ..............................................................................................................................................................................................................................................
  • Käyttäjän hyväksyntä[ . ... Lisäkomponentit voivat tehdä kengistä hieman raskaampia tai jäykempiä, vaikuttavat mukavuuteen. Monet puettavat käyttäjät eivät ole halukkaita vaihtamaan luonnollista kävelytunnelmaa latauskykyyn. Harvesterien suunnittelu, jotka ovat käytännössä näkymättömiä ja paino-neutraalia, on jatkuva tavoite.

Tulevaisuuden suunnat

Tutkimus ja kehitys jatkuvat useilla rintamilla näiden esteiden poistamiseksi.

  • Tarvittavat materiaalit[ . Uudet pietsosähköiset polymeerit (esim. polyurea, PVDF-TrFE) tarjoavat joustavuutta ja paremman väsymisiän. Tribosähköiset materiaalit, joilla on korkea lataustiheys ja itseparannusominaisuudet, testataan. Grafeeni ja muut 2D-materiaalit voivat mahdollistaa lähes läpikuultavan ja supertehokkaan sadonkorjuun.
  • Energiahallintapiirit[ ... ......................................................................................................................................................................................................................................
  • Tekoäly tehoennusteita varten[] ... Koneoppimismallit, jotka analysoivat kävelymalleja, voivat ennustaa, milloin korkean energian askeleet ovat tulossa (esim. käynnissä vs. hidas kävely) ja säätää virran varastointireititystä tehokkuuden maksimoimiseksi. Tämä ... context-ware.. sadonkorjuu on vielä varhaisessa vaiheessa tutkimuksessa, mutta se osoittaa lupaavansa nettotuoton kasvattamiseen 20.30 prosentilla.
  • Integraatio älykankaisiin ja energian varastointiin[ . ... Seuraava sukupolvi voi kutoa hakkuukoneet suoraan tekstiilien yläosaan, käyttämällä johtavia lankoja ja joustavia superkondensaattoreita, jotka tuplaantuvat rakenteellisiksi kerroksiksiksi. Tällainen lähestymistapa voisi poistaa koko kenkäosan energiajärjestelmästä.
  • Standardoidut latausprotokollat[ . Teollisuuskonsortiot tutkivat ...käytettävää voimaa... joka mahdollistaa minkä tahansa kineettisen korjuukenkäen lataamisen langattomasti yhteisen käyttöliittymän (Qi tai uusi matalatehoinen standardi) kautta.

]Luonnontieteellisten raporttien ja tieteen edistymisten[ asiakirjojen viimeaikaiset läpimurrot joustavissa TENG- ja hybridigeneraattoreissa, kun taas toimialaryhmät, kuten [IDTechExin raportti kulutettavasta teknologiasta[], toimittavat tapaustutkimuksia saappaista ja alustoista, jotka ovat siirtyneet prototyypistä kenttätestaukseen.

Päätelmät

Kinetiikka energian keruu älykkäissä jalkineissa on kypsynyt laboratoriosta uteliaisuudesta elinkelpoiseksi teknologiaksi, joka mahdollistaa laitteiden jatkuvan latauksen. Kun otetaan talteen kunkin vaiheen mekaaninen energia ja muunnetaan se sähköksi, nämä kengät voivat käyttää vähän energiaa kuluttavia vaatteita, vähentää akun tuhlausta ja kannustaa aktiivisempiin elämäntapoihin. Vaikka nykyiset energiatuotokset ovat vaatimattomia ja haasteita kestävyyden, kustannusten ja mukavuuden säilyminen, materiaalien tieteen, piirisuunnittelun ja valmistuksen nopea edistyminen sulkee kuilun. Seuraavien viiden tai kymmenen vuoden aikana voimme odottaa itselataavista kengistä tulevan helppokäyttöinen, käytännön vaihtoehto kuluttajille ja ammattilaisille niin ikään.