सतत डिवाइस चार्जिंग के लिए स्मार्ट जूते में काइनेटिक एनर्जी हार्वेस्ट

काइनेटिक एनर्जी हार्वेस्ट क्या है?

काइनेटिक ऊर्जा कटाई गति द्वारा उत्पादित यांत्रिक ऊर्जा को कैप्चर करती है और इसे उपयोग करने योग्य विद्युत शक्ति में परिवर्तित करती है। अवधारणा मूलभूत भौतिकी पर बनी हुई है: किसी भी चलती वस्तु में गतिशील ऊर्जा होती है जिसे विद्युत चुम्बकीय प्रेरण, पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव, या इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रेरण के माध्यम से परिवर्तित किया जा सकता है। पहनने योग्य प्रौद्योगिकी में, यह सिद्धांत उपकरणों को मानव आंदोलन से ऊर्जा को बचाने में सक्षम बनाता है - चलना, दौड़ना, या यहां तक कि इशारा करते हुए - बाहरी आउटलेट या डिस्पोजेबल बैटरी पर भरोसा किए बिना।

गतिशील हारवेस्टर की दक्षता तंत्र और गतिविधि के अनुसार भिन्न होती है। उदाहरण के लिए, एक ब्रिक वॉक हारवेस्टर डिजाइन और पैर हड़ताल बल के आधार पर निरंतर शक्ति के 1-10 मिली वाट का उत्पादन कर सकता है। जबकि सीधे फोन को चार्ज करने के लिए पर्याप्त नहीं है, यह ऊर्जा कई घंटों में एक छोटी बैटरी या सुपरकैप्टर को चार्ज कर सकती है। शोधकर्ताओं ने भारी चलने के तहत 250 मिली वाट तक की पैदा करने वाले जूते-माउंटेड जेनरेटर का प्रदर्शन किया है, जो कम ऊर्जा वाले ब्लूटूथ सेंसर या पहनने योग्य फिटनेस ट्रैकर को शक्ति प्रदान करने के लिए पर्याप्त है।

कैसे स्मार्ट जूते में काइनेटिक हार्वेस्टिंग वर्क्स

स्मार्ट जूते एकमात्र, एड़ी या धूप में सुखाना में एक या अधिक ऊर्जा रूपांतरण प्रौद्योगिकियों को एम्बेड करते हैं। जब पहनने वाले के पैर प्रत्येक कदम के साथ हारवेस्टर को संपीड़ित करते हैं, तो यांत्रिक तनाव या विस्थापन एक विद्युत धारा उत्पन्न करते हैं। उस वर्तमान को सुधारा जाता है, कंडीशनिंग और एक रिचार्जेबल बैटरी में संग्रहीत किया जाता है या सुपरकैपेसिटर को जूता या एक छोटे बाहरी मॉड्यूल में एकीकृत किया जाता है। तब संग्रहीत ऊर्जा का उपयोग एक स्मार्टफोन, वायरलेस इयरबड्स या अन्य पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स को यूएसबी-सी या वायरलेस चार्जिंग पोर्ट के माध्यम से चार्ज करने के लिए किया जा सकता है।

कोर एनर्जी हार्वेस्टिंग टेक्नोलॉजी

• Piezoelectric सामग्री जब विकृत हो तो बिजली का प्रभार उत्पन्न करते हैं। स्मार्ट जूते में, लचीला पीजोइलेक्ट्रिक फिल्मों या फाइबर एकमात्र में एम्बेडेड होते हैं। हर फ़्रुट सामग्री को संपीड़ित करता है, वोल्टेज स्पाइक्स का उत्पादन करता है जो हजारों चरणों में शामिल होते हैं। आम सामग्रियों में लीड ज़िक्रोनेटेड टिटेनेट (PZT) और पॉलीविनाइलिडीन फ्लोराइड (PVDF) शामिल हैं। शक्तियां: कॉम्पैक्ट, कोई चलती भागों नहीं। कमजोरी: सिरेमिक संस्करण भंगुर हो सकते हैं; उत्पादन को स्पंदित किया जाता है और इसे चिकनी सर्किटरी की आवश्यकता होती है।
• ]Electromagnetic जनरेटर एक कुंडल के अंदर एक स्लाइडिंग चुंबक का उपयोग करें। प्रत्येक चरण के साथ, चुंबक कॉइल के सापेक्ष चल जाता है, वर्तमान में पैदा होता है। ये जनरेटर उच्च शक्ति स्तर (10-100 मेगावाट) का उत्पादन कर सकते हैं लेकिन वजन और थोक जोड़ सकते हैं। कुछ डिजाइन एड़ी और पैर की अंगुली गति दोनों को पकड़ने के लिए एक पेंडुलम या एक ट्रैक का उपयोग करते हैं। शक्तियां: मजबूत, अच्छी तरह से अंडरस्टोड प्रौद्योगिकी। कमजोरी: चलती भागों पहनने या असुविधा का कारण बन सकते हैं।
• ]]Triboelectric nanogenerators (TENGs) संपर्क विद्युतीकरण और इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रेरण पर निर्भर है। दो सामग्रियों के स्पर्श और अलग-अलग के रूप में - उदाहरण के लिए, एक सिलिकॉन आधारित फिल्म और एक प्रवाहकीय कपड़े -चार्ज एक बाहरी सर्किट के माध्यम से ऊपर और बहती है। TENGs को नरम, पतली और लचीला बनाया जा सकता है, जो footbed के समोच्च से मेल खाती है। शक्ति: उच्च वोल्टेज उत्पादन, विविध सामग्री विकल्प। कमजोरी: वर्तमान कम है; बार-बार संपीड़न के तहत स्थायित्व अभी भी सुधार है।

हाइब्रिड दृष्टिकोण

कई हाल के प्रोटोटाइप गति गति और पैर के दबाव की एक विस्तृत श्रृंखला को कवर करने के लिए दो या अधिक कटाई विधियों को जोड़ते हैं। उदाहरण के लिए, एक जूता एड़ी हड़ताल (जो उच्च शक्ति प्रदान करता है) और रोलिंग गति के लिए मिडसोल में एक टीईएनजी का उपयोग कर सकता है। संयुक्त आउटपुट 30 मेगावाट से अधिक हो सकता है, जो एक प्राथमिक बैटरी के बिना एक छोटे से आईओटी सेंसर को बनाए रखने के लिए पर्याप्त है।

अनुप्रयोग और रियल-वर्ल्ड उदाहरण

काइनेटिक ऊर्जा कटाई जूते शैक्षणिक प्रयोगशालाओं से वाणिज्यिक पायलट कार्यक्रमों में चले गए हैं। एक प्रमुख उदाहरण है SolePower], एक स्टार्टअप जिसने एकीकृत विद्युत चुम्बकीय जनरेटर के साथ काम जूते और insoles विकसित किया। उनका प्रोटोटाइप लगभग आठ घंटे चलने के बाद एक स्मार्टफोन बैटरी को 50 प्रतिशत तक चार्ज कर सकता है। दूसरा ]] पावरवॉक] है, जो मूल रूप से सैन्य कर्मियों के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो घुटने-ब्रेस हारवेस्टर का उपयोग करता है लेकिन जूता आधारित वेरिएंट को प्रेरित करता है। यूटा विश्वविद्यालय में शोधकर्ता और विस्कोन के विश्वविद्यालय ने लगातार एक कदम-सोल में एक पावर मॉड्यूल उत्पन्न किया है।

उपभोक्ता पहनने योग्य के अलावा, गतिशील स्मार्ट जूते दूरस्थ क्षेत्रों में या क्षेत्र श्रमिकों के लिए व्यावहारिक उपयोग हैं, जिनकी शक्ति के लिए विश्वसनीय पहुंच की कमी है। स्व-चार्जिंग बूट्स का एक सेट लंबे समय तक बदलाव के दौरान चलने वाले वॉकी-टैल्की, फ्लैशलाइट या मेडिकल सेंसर को रख सकता है। कुछ कंपनियां खेल विश्लेषण में अनुप्रयोगों की खोज भी कर रही हैं: दबाव सेंसर के साथ कटाई करने वाले लोगों द्वारा, जूता स्वयं को शक्ति प्रदान कर सकता है और वास्तविक समय में एक कोच को डेटा प्रदान कर सकता है।

फुटवियर में काइनेटिक एनर्जी हार्वेस्ट के लाभ

• ]Sustainable, off-grid power – एकल उपयोग बैटरी पर निर्भरता को कम करता है और आउटलेट की तलाश करने की आवश्यकता होती है। दैनिक यात्रियों या hikers के लिए, एक जूता की सुविधा जो साधारण चरणों के दौरान उपकरणों को चार्ज करती है।
• ]Environmental effect[] – Fewer डिस्पोजेबल बैटरी का मतलब कम विषाक्त अपशिष्ट है। यदि व्यापक रूप से अपनाया गया है, तो गतिज जूते प्रति वर्ष लाखों क्षारीय बैटरी निपटान में कटौती कर सकता है। इसके अलावा, कटाई की गई ऊर्जा उत्पादन के दौरान कार्बन उत्सर्जन को नहीं जोड़ती है।
• स्वास्थ्य और गतिविधि प्रोत्साहन [ – उपयोगकर्ता जो अपने कदमों को अधिक चलने के लिए प्रेरित किया जा सकता है। कुछ शोध प्रोटोटाइप भी एक स्मार्टफोन ऐप पर "ऊर्जा काटा" प्रदर्शित करते हैं, भौतिक गतिविधि को गामीफाई करते हैं।
• ]अन्य पहनने योग्य के साथ एकीकरण - ऊर्जा-हार्वस्टिंग जूते शरीर-क्षेत्र नेटवर्क के लिए एक सतत शक्ति स्रोत के रूप में काम कर सकते हैं: स्मार्टवॉच, स्वास्थ्य पैच, एआर चश्मा, या एक चिकित्सा प्रत्यारोपण। यह एकाधिक चार्जिंग केबलों की आवश्यकता को समाप्त करता है और डिवाइस को डाउनटाइम को कम करता है।

चुनौतियां और सीमाएं

स्पष्ट वादा के बावजूद, जूते में गतिज ऊर्जा की कटाई कई बाधाओं का सामना करती है।

• Energy घनत्व - मानव गति यांत्रिक शक्ति के 1-10 डब्ल्यू प्रदान करता है, लेकिन हारवेस्टर केवल एक अंश पर कब्जा कर लेते हैं। एक दिन में एक स्मार्टफोन (10 Wh बैटरी) चार्ज करने के लिए, एक जूते को वर्तमान व्यावहारिक आउटपुट (10-50 mW) के ऊपर औसत-चाहे वितरित करने की आवश्यकता होगी। अब के लिए, कम बिजली उपकरणों या ट्रैपल-चार्जिंग के लिए सबसे उपयुक्त ऊर्जा का निर्माण किया गया है।
• Durability and comfort[ – जूते बार बार बार बार बार फ्लेक्सिंग, नमी, तापमान स्विंग और गंदगी से गुजरते हैं। हार्वेस्टर को विफलता के बिना 500,000 से 1 मिलियन चरणों तक जीवित रहना चाहिए, जबकि हल्के और असंख्य रहते हैं। प्रारंभिक पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक अक्सर टूट जाते हैं; नए लचीला पॉलिमर और सुरक्षात्मक encapsulation मदद लेकिन जटिलता जोड़ते हैं।
• Cost – बिजली प्रबंधन इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ कटाई करने वाले उत्पादन लागत को बढ़ाते हैं। वर्तमान प्रयोगात्मक जूते प्रति जोड़ी सैकड़ों डॉलर खर्च करते हैं। मास प्रोडक्शन और सरल डिजाइन मुख्यधारा के स्तर तक कीमतें कम ला सकते हैं, लेकिन उस बिंदु तक पहुंचने के लिए विनिर्माण पैमाने में निवेश की आवश्यकता होती है।
• User स्वीकृति - अतिरिक्त घटक जूते को थोड़ा भारी या कठोर बना सकते हैं, आराम को प्रभावित कर सकते हैं। कई पहनने योग्य उपयोगकर्ता चार्जिंग क्षमता के लिए प्राकृतिक चलने के अनुभव को बंद करने के लिए तैयार नहीं हैं। डिजाइनिंग हारवेस्टर जो लगभग अदृश्य हैं और वजन-पोषणीय एक चल लक्ष्य है।

भविष्य निर्देश

अनुसंधान और विकास इन बाधाओं को दूर करने के लिए कई मोर्चे पर जारी है।

• Advanced Materials[ – न्यू पीजोइलेक्ट्रिक पॉलिमर (जैसे, पॉलीयूरिया, पीवीडीएफ-टीआरएफई) लचीलापन और बेहतर थकान जीवन प्रदान करते हैं। उच्च शुल्क घनत्व और स्वयं-चिकित्सा गुणों के साथ त्रिबोइलेक्ट्रिक सामग्री का परीक्षण किया जा रहा है। ग्राफीन और अन्य 2 डी सामग्री निकट ट्रांसपेरेंट, सुपर-कुशल हारवेस्टर सक्षम कर सकती है।
• ]Energy प्रबंधन सर्किट - अनुकूली सुधारक और अधिकतम शक्ति बिंदु ट्रैकिंग एल्गोरिदम चर पैर हमलों से अधिक ऊर्जा निकाल सकते हैं। उभरते "ऊर्जा कटाई एकीकृत सर्किट" (EH-IC) अल्ट्रा-कम वोल्टेज संकेतों को 3 वी से ऊपर स्थिर आउटपुट में परिवर्तित करते हैं, जिससे उन्हें लिथियम आयन चार्ज के लिए व्यावहारिक बना दिया जाता है।
• ]]: ]: ]]]: ]: ]]]]] ]]]]]]]] ]]]]]]]]]]]: ]]]]]]]]]]: ]]]]] बिजली भविष्यवाणी के लिए कृत्रिम बुद्धिमत्ता [] - मशीन लर्निंग मॉडल जो गेट पैटर्न का विश्लेषण करते हैं जब उच्च ऊर्जा कदम आ रहा है (जैसे, चल रहा है, चल रहा है और दक्षता को अधिकतम गति को अधिकतम करने के लिए बिजली भंडारण को समायोजित करें।
• ]] स्मार्ट कपड़े और ऊर्जा भंडारण के साथ एकीकरण - स्मार्ट जूते की अगली पीढ़ी सीधे कपड़ा ऊपरी में कटाई बुन सकती है, प्रवाहकीय यार्न और लचीली सुपरकैप्टेटर का उपयोग करके जो संरचनात्मक परतों के रूप में दोगुनी हो सकती है। ऐसा दृष्टिकोण भारी मॉड्यूल को खत्म कर सकता है और ऊर्जा प्रणाली का पूरा जूता हिस्सा बना सकता है।
• ] मानकीकृत चार्जिंग प्रोटोकॉल [ - उद्योग संघ एक "सपने योग्य पावर बस" की खोज कर रहे हैं जो किसी भी तरह के भौतिक-सप्त जूता को वायरलेस रूप से चार्ज उपकरणों को एक सामान्य इंटरफ़ेस (Qi या एक नया लो-पावर स्टैंडर्ड) के माध्यम से अनुमति देता है। यह अंतर-संचालन और अपनाने में तेजी लाने में सक्षम होगा।

] से बाहरी अनुसंधान नेचर वैज्ञानिक रिपोर्ट और Science Advance दस्तावेज़ हाल ही में लचीले TENGs और हाइब्रिड जनरेटर में सफलता, जबकि उद्योग समूहों जैसे पहनने योग्य प्रौद्योगिकी ] पर उद्योग समूहों की रिपोर्ट व्यावसायिकीकरण समयसीमा ट्रैक करें। ] और Bionic Power]]] जैसे कंपनियां जैसे कि ]]]SolePower]]]]]]Bionic Power] जूते और प्रोटोटाइप के मामले अध्ययन प्रदान करते हैं।

निष्कर्ष

स्मार्ट जूते में काइनेटिक ऊर्जा कटाई निरंतर उपकरण चार्ज करने के लिए एक व्यवहार्य प्रौद्योगिकी में प्रयोगशाला की जिज्ञासा से परिपक्व हुई है। प्रत्येक चरण की यांत्रिक ऊर्जा को कैप्चर करके और इसे बिजली में परिवर्तित करके, ये जूते कम ऊर्जा पहनने योग्य शक्ति प्रदान कर सकते हैं, बैटरी अपशिष्ट को कम कर सकते हैं और अधिक सक्रिय जीवन शैली को प्रोत्साहित कर सकते हैं। जबकि वर्तमान ऊर्जा उत्पादन मामूली और स्थायित्व, लागत और आराम की चुनौतियों, सामग्री विज्ञान, सर्किट डिजाइन में तेजी से प्रगति, और विनिर्माण अंतर को बंद कर रहे हैं। अगले पांच से दस वर्षों के भीतर, हम स्वयं-चार्जिंग जूते की उम्मीद कर सकते हैं ताकि उपभोक्ताओं और पेशेवरों के लिए सुलभ, व्यावहारिक विकल्प बन सकें - एक ऐसा कदम जो दुनिया के करीब चलने वाला है।