Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 33 – vyšlo 23. srpna, ročník 17 (2019) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

33/2019

Biomechanická energie a další aneb pohybem k nabitému telefonu

Pavel Galář

Triboelektrické nanogenerátory III

Ve dvou posledních bulletinech jsme se seznámili se základními principy triboelektrických nanogenerátorů (TENG, viz AB 31/2019) a s jejich využitím pro konverzi modré energie (viz AB 32/2019), které může mít zásadní globální dopad. V posledním bulletinu věnovanému této fascinující problematice se zaměříme na tři další oblasti: rekuperaci biomechanické energie, která je velmi významná z pohledu běžného života člověka, na energii různých vibrací a na získávání energie z obyčejného větru.

Obr. 1: Dva příklady využití biomechanické energie. a) Složený zdroj TENG určený k využívání biomechanické energie chůze umístěný v podrážce boty. Přiloženo je i schéma vertikálního nanogenerátoru [13]. b) Schéma možného umístění TENG zařízení pro využití biomechanické energie spojené s kontaktem s kůží [14].

Biomechanické energie aneb jak si napájet vlastní mobilní telefon

Cílem rekuperace biomechanické energie je využití energie spojené s pohybem člověka k napájení mobilních telefonů, nositelné elektroniky a v blízké budoucnosti senzorů neustále monitorujících náš zdravotní stav, či případně kardiostimulátorů. Tato zařízení by se poté stala naprosto nezávislá na nutnosti neustálého dobíjení – vznikly by tzv. samonabíjecí systémy. Biomechanické nanogenerátory můžeme rozdělit do několika skupin.

První skupinou jsou zařízení TENG, která využívají biomechanickou energii k tvorbě elektrické energie bez nutnosti kontaktu s kůží. Jedná se například o první navržené systémy v režimu vertikálního stlačování (Obr. 1a), které byly umísťovány především do podrážek bot. Pro zvýšení energetického výtěžku se často konstruovaly v soustavách – například v harmonikovém provedení (Obr. 1a). Takto upravený zdroj TENG vytvářel napětí až 700 voltů a byl schopen napájet síť světel LEDLED – Light Emitting Diode, světlo emitující dioda. LED je polovodičová optoelektronická součástka, která emituje nekoherentní monochromatické světlo při průchodu proudu v propustném směru. Emise světla vzniká na základě elektroluminiscence., případně mobilní telefon.

Plocha nohou je však omezená, a proto se rychle rozvinuly nanogenerátory využívají lidskou kůži jako triboelektrického materiálu – tzv. nanogenerátory iontové kůže (IS-TENG, z anglického ionic-skin), viz obrázky 1b, 2. Při vhodném nastavení se kůže při kontaktu s jiným materiálem nabíjí kladně, čehož využívá konstrukce IS-TENG (Obr. 2a, 2b). Stlačováním těchto nanogenerátorů umístěných na kůži blízko zařízení, které chcete nabíjet, lze vyrábět dostatek elektrického proudu pro jejich fungování (Obr. 2d). Při vhodné konstrukční modifikaci mohou tato zařízení využívat i biomechanickou energii spojenou s napínáním a stlačováním kůže během běžného pohybu. Pro snížení vlivu nanogenerátoru na lidskou kůži se konstruují zařízení TENG, která jsou pro viditelné vlnové délky průhledná (Obr. 2c).

Obr. 2: (a), (b) Znázornění struktury a funkce TENG určeného pro přímý kontakt
s kůží, (c) snímek IS-TENG, (d) ukázka funkce IS-TENG při napájení hodinek [15].

Poslední velkou skupinou biomechanických nanogenerátorů jsou zařízení TENG instalovaná v oděvu. Využívají buď tření oděvu o lidskou kůži anebo roztahování a stlačování oděvu během pohybu (Obr. 1b, Obr. 3). Velkou výhodou těchto nanogenerátorů je velká plocha, kterou mohou zaujímat, a také nízká opotřebitelnost, která je například u předchozího typu ve spojení s pocením a dalšími vlivy výrazně vyšší. Do oděvu, který by obsahoval TENG, by mohla být navíc integrovaná i nízkoodběrová elektronika, jako například dálková ovládání, různé elektronické senzory atd. (Obr. 3).

Přestože toto odvětví je stále na začátku svého vývoje, již současné technologie by při vhodné konstrukci byly schopny samostatně napájet několik desítek světel LED, mobilní telefon a chytré hodinky současně. Problémem však stále zůstává vysoká pořizovací hodnota a rychlá opotřebitelnost určitých částí zdrojů TENG.

Obr. 3: Příklad oděvu s integrovanými zdroji TENG na biomechanickou energii [16].

Vibrační nanogenerátory využívající všudypřítomnou energii

V současné době jsou možná neprávem opomíjeným typem zdrojů TENG nanogenerátory vytvářející elektrickou energii z vibrací. Různé typy otřesů jsou naprosto běžnou součástí našeho okolí a jejich využití ke vzniku elektrické energie není úplně intuitivní. Jedna z nejjednodušších konstrukcí vibračních nanogenerátorů je ukázána na Obrázku 4. Jedná se o kovovou destičku, na kterou je nanesena vodivá elektroda s dielektrikem. Destička je umístěna na pružinách tak, aby mohla přijímat vibrace z různých směrů, a tím kmitat nad pevnou (ideálně nanostrukturní) elektrodou, čímž dochází ke vzniku elektrického proudu mezi elektrodami. Takto konstruované zařízení nepotřebuje k tvorbě elektrické energie větrné ani vodní proudy a nemusí se ani pohybovat (jako celek). Stačí ho umístit do prostředí s libovolnými vibracemi, což je hlavní výhodou těchto nanogenerátorů. Mohou být navíc velmi pečlivě uzavřené, což výrazně zvyšuje jejich životnost. Experimentálně bylo prokázáno, že systémy vibračních zdrojů TENG s pružinovou konstrukcí mohou při vhodném nastavení dosahovat výkonu až 104 W/m² a mohly by být ideálními zdroji například pro zařízení infrastruktury (v blízkosti rušných ulic, staveb, v okolí železničních kolejí atd.).

Obr. 4: a) Schéma 3D vibračního nanogenerátoru, b) snímek nanostruktury
hliníkové elektrody, c) reálný snímek 3D vibračního zdroje TENG [17].

Efektivní využití vánků aneb větrné nanogenerátory

Poslední důležitou třídou zdrojů TENG jsou nanogenerátory vytvářející elektrickou energii pomocí větru. Obdobně jako tomu bylo u vodních nanogenerátorů, je hlavní výhodou těchto zařízení (na rozdíl od standardních EMG turbín), že při vhodném nastavení mohou využívat vítr proudící z libovolného směru a o libovolné frekvenci a síle. Nejběžněji bývají tato zařízení složená z větrného tunelu, který se zužuje před funkční částí nanogenerátoru, aby v tomto místě došlo k urychlení proudění. Samotný nanogenerátor je složen z polouchycené vlnité destičky (často dielektrikum nebo dielektrikum s elektrodou), která se při průchodu vzduchu pohybuje mezi jednou nebo i dvěma elektrodami, což vede ke vzniku elektrického proudu (Obr. 5).

V předchozím textu jsme ukázali nezanedbatelný energetický potenciál triboelektrických nanogenerátorů, které by v blízké budoucnosti mohly výrazně pomoci ekologicky řešit nejen významné energetické požadavky lidstva, ale i urychlit rozvoj plně autonomního systému navzájem komunikujících zařízení, které bývá označováno jako internet věcí. Jsme tedy zase o krok blíže Matrixu? Zase tak blízko ne. K výrazné průmyslové aplikaci zařízení TENG je nejprve nutno překonat mnoho překážek zahrnujících účinnou velkovýrobu těchto zařízení, zvýšení jejich životnosti a odolnosti, zvýšení jejich výstupního výkonu se současným zachováním jednoduché konstrukce, vyřešení otázky účinného ukládání vytvořené energie (vývoj malých a lehkých superkondenzátorů). Neméně důležité je konstrukčně zvládnout jejich sesíťování a transport elektrické energie z oceánů. Velkou výzvou je také otázka tzv. hybridních zdrojů TENG, které by byly schopny konvertovat několik typů mechanické energie současně, a tím sčítat svůj výstupní výkon.

Obr. 5: Struktura větrného generátoru TENG využívajícího polouchycenou
vlnitou dielektrickou vrstvu s elektrodou a větrný tunel [18].

Odkazy