Современные устройства, такие как фитнес-трекеры, умная одежда и датчики интернета вещей (IoT), требуют компактных и устойчивых источников питания. В новом исследовании, опубликованном в Scientific Reports, учёные представили устройство для сбора энергии, работающее на основе горизонтально установленной колбы, наполовину заполненной биоразлагаемой феррожидкостью.
Принцип работы
При боковом движении феррожидкость колеблется в внешнем магнитном поле, а близлежащая катушка улавливает возникающее напряжение. Исследователи систематически варьировали конфигурации магнитов и концентрации наночастиц, чтобы определить, как геометрия магнитного поля и намагничивание феррожидкости влияют на выход энергии.
Результаты исследования
Группа под руководством доктора Михала Райняка в Институте экспериментальной физики SAS и Техническом университете Кошице продемонстрировала новый подход к сбору вибрационной энергии с помощью феррожидкостей. Эти жидкости, насыщенные магнитными наночастицами, могут помочь обеспечить питание носимой электроники и распределённых датчиков.
Эксперименты с пятью феррожидкостями с различной намагниченностью выявили чёткие тенденции. Собранная электрическая мощность линейно увеличивается с намагниченностью насыщения феррожидкости в оптимальной конфигурации. Наиболее эффективная установка использует один постоянный магнит, прикреплённый к боковой стенке колбы, создавая магнитное поле, перпендикулярное оси колебаний и гравитации.
Наибольшая измеренная мощность составила примерно 232,6 нВт для наиболее сильно намагниченной жидкости. Важно отметить, что в более сильных магнитных полях движение феррожидкости затруднено из-за магнитовязкого эффекта, что снижает индуцируемое напряжение. Это напоминает о том, что более сильные поля не всегда генерируют больше энергии.
Преимущества подхода
Лёгкий и гибкий подход к сбору энергии имеет преимущества перед традиционными электромагнитными сборщиками, которые обычно используют тяжёлые движущиеся магниты. Используемые здесь феррожидкости приготовлены на основе биоразлагаемого трансформаторного масла, что снижает риск для окружающей среды в случае утечки.
Кроме того, поскольку механизм колебаний реагирует на механические возбуждения с разных направлений относительно магнитного поля, метод хорошо подходит для нерегулярных или многоосевых вибраций, распространённых в носимых устройствах и структурных датчиках.
Как отмечает ведущий автор, «наши результаты показывают, что тщательно организованное магнитное поле в сочетании с правильным намагничиванием феррожидкости может преобразовывать повседневные механические вибрации в электрическую энергию. Это открывает путь к созданию действительно автономных устройств».
Хотя текущие уровни мощности остаются в диапазоне нано ватт, авторы предполагают, что в будущем масштабирование, массивы катушек и феррожидкостных модулей могут быть объединены для достижения более высоких выходов.
Потенциальные приложения включают в себя:
* автономные носимые датчики, которым не требуется батарея или требуется минимальная ёмкость;
* встроенные датчики вибрации в промышленном оборудовании, которые сами генерируют энергию;
* интеллектуальные системы мониторинга состояния конструкций, где замена батарей нецелесообразна.
Предоставлено Институтом экспериментальной физики SAS.