Дата публикации: 09.04.2020
Энергию паразитных магнитных полей можно преобразовать
в полезное, удобное электричество
Везде, где есть электричество, существуют энергопотери в виде тепла и небольших магнитных полей, которые тоже являются энергией, буквально обволакивающей нас. Учёные разработали новый механизм, способный собирать эту потерянную энергию магнитного поля и преобразовывать её в достаточное количество электроэнергии для питания сенсорных сетей следующего поколения в так называемых умных домах.
«Магнитные поля точно так же, как солнечный свет, являются свободным источником энергии, которую мы пытаемся собирать», – поясняет Шашанк Прия, профессор материаловедения и инженерии, заместитель вице-президента по исследованиям в штате Пенсильвания. «Эта вездесущая энергия присутствует в наших домах, офисах, на рабочих местах и в автомобилях. Она повсюду, и у нас есть возможность собрать этот фоновый шум и преобразовать его в полезное электричество».
Команда, возглавляемая учёными из штата Пенсильвания, разработала преобразователь магнитных полей низкого уровня, встречающихся в наших домах и зданиях. Вообще-то назначение новинки само по себе не так уж ново, но большая победа заключается в том, что это устройство обеспечивает выходную мощность в 5 раз выше по сравнению с другими современными решениями. По словам учёных, эта технология окажется значимой для проектирования интеллектуальных зданий. Её возможности помогут снизить энергозатраты на питание беспроводных сенсорных сетей и восполнить пробелы автономности электроснабжения при мониторинге энергопотребления, режимов работы и систем дистанционного управления.
«В зданиях известно, что, если вы автоматизируете множество функций, вы действительно сможете значительно повысить энергоэффективность», – говорит Прия. «Здания являются одним из крупнейших потребителей электроэнергии в Соединенных Штатах. Таким образом, даже снижение энергопотребления на несколько процентов может означать или быть представлено в мегаваттах экономии. А сенсоры – как раз и есть то, что делает возможной автоматизацию элементов управления. И эта технология является реальным способом запитать эти датчики».
Исследователи разработали тонкие бумажные устройства длиной примерно полтора дюйма, которые можно размещать непосредственно на приборах или рядом с ними: в источниках света, тепла или на шнурах питания, – словом, там, где магнитные поля наиболее сильны. Эти поля быстро рассеиваются вдали от источника электрического тока. Например, когда устройство расположено в 4-х дюймах от нагревательного элемента, оно вырабатывает достаточно электроэнергии для питания 180 светодиодных матриц, а в 8-ми дюймах – для питания цифрового будильника. По словам профессора кафедры материаловедения и инженерии Мин Гю Канга, доцента и соавтора исследования, «эти результаты обеспечивают существенное продвижение к устойчивому питанию для интегрированных датчиков и систем беспроводной связи». Обнаруженные факты команда опубликовала в журнале, посвящённом вопросам энергии и окружающей среды Energy and Environmental Science.
Учёные использовали сложную структуру, соединяя два разных материала вместе. Один из этих материалов является магнитострикционным – его объём и размеры меняются при изменении состояния его намагниченности, благодаря чему происходит преобразование магнитного поля в напряжение. Другой же материал обладает пьезоэлектрическими свойствами для перевода энергии напряжения или вибрации в категорию электрического поля. Таким образом, их комбинация позволяет устройству превращать магнитное поле в электрический ток.
Устройство можно представить в виде балки с одним зажатым концом, в то время как другой её край свободно вибрирует в ответ на приложенное магнитное поле. Разработчики утверждают, что установка магнита на свободном конце балки усиливает колебательные движения и способствует повышению выработки электроэнергии.
«Красота этого исследования в том, что в нём используются известные материалы, но разрабатывается архитектура для максимизации преобразования магнитного поля в электричество», – говорит Прия. «Это позволяет достичь высокой плотности мощности в магнитных полях с малой амплитудой».
По материалам NWA