Исследователи из института микро и инженерных технологий (HSG-IMIT—Institute of Micromachining and Information Technology, Villingen-Schwenningen, Germany) и департамента микросистемной инженерии (Department of Microsystems Engineering—IMTEK, Freiburg, Germany) опубликовали работу[1], в которой они представили и исследовали разработанные ими миниатюрные электромеханические генераторы электричества.
Авторы работы [1] представили генераторы двух типов: маятниковый и ударного возбуждения. Оба типа генератора используют эффект появления электрического тока в результате электромагнитной индукции, когда магнит двигается внутри катушки из намотанной проволоки. Генераторы миниатюризированы настолько, что они встраиваются в обувную подошву. Маятниковый генератор генерирует электричество тогда, когда человек передвигает ногой во время ходьбы. Ударного возбуждения — тогда, когда человек наступает на ногу [1-4].
Маятниковый генератор
В этом генераторе, 14 магнитов двигаются через группу катушек тогда, когда нога и обувь человека ускоряются во время движения. При ширине этого генератора в 41 мм и его длине в 70 мм, он способен генерировать череду импульсов со средней мощностью до 0.84 мВт (пиковой — до 50 мВт). Зависимость мощности во времени при скорости 6 км/ч имеет характерные группы импульсов для каждого шага. Длительность этой группы на уровне половины максимума мощности — 0.04 с, импульсы полностью затухают через 0.1 с. При скоростях, меньших этой, мощность сгенерированного сигнала падает, при больших — остаётся приблизительно на этом же уровне.
Генератор ударного возбуждения
Этот генератор помещается в пятке обувной подошвы, он 40 мм шириной и 60 мм длиной. Способен генерировать последовательность импульсов средней мощностью до 4.13 мВт (пиковой — до 45 мВт), когда человек двигается со скоростью 5 км/ч по твёрдой поверхности [3]. Уменьшение скорости движения выражается в падении мощности генерируемого сигнала. Колебания мощности сгенерированного сигнала длятся почти 0.25 с (на уровне половины мощности серии импульсов) при скорости бега 6 км/ч после каждого шага. Они полностью затухают через 0.5 с.
Область применения
Температурный датчик, подключенный к генератору и встроенный в обувь, показан на иллюстрации ниже. Во время проведения экспериментов, генераторы были способны питать датчики для последующей передачи данных о температуре внутри обуви на расстояние до 10 м. Они оказались способны передавать данные до семи раз на каждый сделанный шаг.
Интересным моментом является и то, что авторы моделировали величину мощности сгенерированного сигнала в зависимости от скорости шага. При этом они достигли неплохого совпадения между результатами их модели и результатами экспериментов.
В интервью BBC [4], ведущий разработчик Клевис Йли (англ. Klevis Ylli) отметил, что изначально такие генераторы разрабатывались для использования в само-зашнуровывающейся обуви для старых людей. Но есть и другая область использования таких генераторов. Если разместить сенсоры ускорения и угловой скорости внутри обуви, то по данным измерений сенсоров, они могли бы рассчитать как далеко и в каком направлении шёл человек в этой обуви и найти этого человека в случае поисковой операции.
Существует и аналогичные работы [5,6], в которых авторы представили специальные обувные стельки, так же работающие как генераторы электричества.
p.s. Спасибо REU, который ниже написал о другой стельке-генераторе [6].
Ссылки
[1] K. Ylli, D Hoffmann, A. Willmann, P. Becker, B. Folkmer and Y. Manoli, "Energy harvesting from human motion: exploiting swing and shock excitations," Smart Mater. Struct. 24 025029, 2015, doi:10.1088/0964-1726/24/2/025029
[2] Im Gehen Strom erzeugen
[3] Аннонс статьи на сайте IOP Smart shoe devices capture the power of walking
[4] Новость и интервью разработчика на сайте новостей BBC Smart shoe devices generate power from walking
[5] Te-Chien Houa, Ya Yanga, Hulin Zhanga, Jun Chena, Lih-Juann Chenb, Zhong Lin Wang, "Triboelectric nanogenerator built inside shoe insole for harvesting walking energy," Nano Energy, 2013, dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2013.03.001
[6] Стелька-генератор
Комментарии (11)
KOLANICH
30.03.2015 23:38+1У большинства таких генераторов есть фатальный недостаток — они мешают ходить. Хочу генератор, который преобразует в электрическую только ту энергию, которая бы иначе пошла в тепло (что-то вроде рекуперации, но «рекуперация» должна включаться только когда надо затормозить, а устройство должно понимать, когда носитель хочет затормозить, анализируя показания сенсоров)
Raegdan
31.03.2015 08:50+1А что при ходьбе превращается в тепло? Упругая деформация подошвы? Так там энергии кот наплакал, имхо.
Rumlin
31.03.2015 13:41+1вертикальный вектор скорости движения — это потерянная энергия. Человек при ходьбе поднимает опускает свой центр тяжести. Поэтому наилучшая обувь для бега с пружинистой подошвой — немного энергии возвращается, подталкивая/приподнимая человека при шаге.
KOLANICH
31.03.2015 19:28+1Спасибо за коммент, но одеть jolly jumperы я пока не готов. Проблема «энергосборщиков» в том, что когда вы будете отталкиваться ногой, они это отталкивание будут преобразовывать в энергию, и ходить будет так же трудно, как и по песку или снегу. Нужно же, чтобы конструкция
«энергосборщика» поглощала только не запасаемую часть энергии и только на приземлении, а на отталкивании становилась жёсткой, и при убирании нагрузки возвращалась в исходное состояние. Этим требованиям даже пьезокерамика не удовлетворит. Возможно, эти проблемы можно как-то решить с помощью ангармонического (чтобы можно было подстраивать частоту и фазу) осциллятора, который будет синхронизирован с шагом так, чтобы возбуждение (приземление) его «раскачивало» только на первом «четвертьпериоде».Rumlin
31.03.2015 19:46+1«Раскачивание» — это «часы с автозаводом». Амплитуда большая, частота стабильна.
TheVS
Всё это замечательно, но выглядит не очень практично, а обслуживание подобного чуда может доставить больше неудобст, чем пользы даже без учёта цены.
dom1n1k
Много лет назад то ли в ЮТ, то ли в ТМ описывали патент на обувь со встроенным пылесосом. В подошве были эластичные полости, в которых при ходьбе создавались перепады давления, отчего внутрь должны были (теоретически) засасываться пылинки. Вот так вот походил день, тапки стали на полкило тяжелее каждый… Вот это практичность.
Rumlin
С другой стороны это метод для увеличения нагрузки на тренировках
SunX
Рассыпать тонны свинцовой пыли перед спортзалом? :)