Um gerador de energia elétrica acionado por pressão que explora um micro

Nov 28, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 16827 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Demonstramos um dispositivo de coleta de energia acionado por pressão usando água e que possui um filtro de vidro com canais porosos. Empregamos sinterização de pó para fabricar o filtro de vidro (2 cm de diâmetro, 3 mm de espessura) empacotando um pó de partículas de vidro borosilicato em um molde de carbono e depois fundindo-o termicamente a 700°C sob pressão. No experimento de taxa de fluxo constante, o raio de poro médio ideal do filtro para geração de energia foi de 12 μm. Usando este filtro, uma potência de 3,8 mW (27 V, 0,14 mA, 0,021% de eficiência energética) foi gerada a uma velocidade de fluxo de água de 50 mm/s. No experimento de pressão constante, um gerador de energia foi equipado com uma unidade de prensa de pé com peso de 60 kg (830 kPa) e 50 mL de água. O raio de poro médio ideal para geração de energia neste experimento foi de 12 μm e a potência de 4,8 mW (18 V, 0,26 mA, 0,017% de eficiência energética) foi gerada com 1,7 s de duração. Isso era energia suficiente para iluminação direta de LED e os capacitores podiam armazenar energia suficiente para girar um ventilador e operar um comunicador sem fio. Nosso dispositivo acionado por pressão é adequado para coleta de energia de movimentos lentos, como certas funções fisiológicas humanas, por exemplo, caminhar.

A coleta de energia é uma tecnologia promissora para alimentar vários pequenos dispositivos eletrônicos na futura sociedade da Internet das coisas (IoT)1. As energias luminosa, térmica e mecânica são geralmente usadas para captação de energia. Dentre eles, a captação de energia mecânica que obtém energia elétrica a partir de movimentos mecânicos de oscilação e vibração é bastante familiar a todos e grandes quantidades de energia podem ser obtidas2,3. Por exemplo, dispositivos de indução eletromagnética4,5,6, dispositivos piezoelétricos (material eletromecânico)7,8,9,10,11 e dispositivos eletrostáticos12,13,14 foram desenvolvidos e utilizados. No entanto, os dispositivos de indução eletromagnética miniaturizados geralmente têm baixa eficiência, o que é indesejável. Dispositivos piezoelétricos ou dispositivos eletrostáticos podem ser miniaturizados, mas a eficiência de conversão diminui quando a frequência de vibração é pequena (por exemplo, menos de 10 Hz). Portanto, é difícil para esses dispositivos explorar totalmente os movimentos fisiológicos lentos regulares de um ser humano, por exemplo, caminhar.

Neste artigo, focamos nos fenômenos que ocorrem em um dispositivo de geração de energia elétrica acionado por pressão pela interação entre água pura e um sólido carregado na superfície (um filtro de vidro). O princípio detalhado é explicado abaixo. Essa abordagem é útil para vibrações de baixa frequência porque a geração de energia continua enquanto houver água no dispositivo. Existem alguns relatos sobre dispositivos de geração de energia baseados neste princípio que usam silício revestido de vidro15, composto de metal-carbono16 ou celulose17. No entanto, é difícil aplicar uma alta pressão a esses materiais devido à sua fragilidade e, portanto, a potência que eles podem gerar não é tão alta.

Por outro lado, o vidro é duro e robusto e uma alta pressão pode ser aplicada a ele. Há relatos de geração de energia impulsionada pela pressão da água usando canais de vidro feitos por métodos de fabricação de micro ou nano de cima para baixo18,19,20,21. No entanto, tais dispositivos de geração de energia não são poderosos o suficiente para captação de energia porque a corrente gerada por canal é geralmente muito pequena (ordem de picoampere).

Usamos vidro poroso para aumentar o número de canais de poros com base em uma investigação e otimização do processo de fabricação do dispositivo. Embora o vidro poroso tenha sido usado anteriormente para geração de energia22, a energia ainda é baixa porque a fabricação de um filtro de vidro poroso não foi otimizada para geração de energia. Existem inúmeras tecnologias para fabricar muitos tipos de dispositivos microfluídicos baseados em vidro23. Com base nesses conceitos e tecnologias, nosso objetivo neste estudo foi investigar o efeito do tamanho dos poros no desempenho da geração e desenvolver um dispositivo real de coleta de energia que consiste no filtro de vidro poroso e na unidade de pressão do pé para transferir a força do pé de um experimentador pressionando o gerador de energia para demonstrar a coleta de energia real.