Un generatore di energia elettrica a pressione che sfrutta un micro

Nov 28, 2023

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 16827 (2022) Citare questo articolo

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Abbiamo dimostrato un dispositivo di raccolta di energia a pressione che utilizza acqua e che presenta un filtro di vetro con canali porosi. Abbiamo utilizzato la sinterizzazione delle polveri per fabbricare il filtro di vetro (2 cm di diametro, 3 mm di spessore) imballando una polvere di particelle di vetro borosilicato in uno stampo di carbonio e poi fondendolo termicamente a 700°C sotto pressione. Nell'esperimento a portata costante, il raggio medio ottimale dei pori del filtro per la generazione di energia era di 12 μm. Utilizzando questo filtro, è stata generata una potenza di 3,8 mW (27 V, 0,14 mA, 0,021% di efficienza energetica) ad una velocità del flusso d'acqua di 50 mm/s. Nell'esperimento a pressione costante, un generatore di corrente è stato dotato di un'unità di pressione a pedale con un peso di 60 kg (830 kPa) e 50 ml di acqua. Il raggio medio ottimale dei pori per la generazione di energia in questo esperimento era di 12 μm ed è stata generata una potenza di 4,8 mW (18 V, 0,26 mA, efficienza energetica 0,017%) con una durata di 1,7 s. Questa era energia sufficiente per l’illuminazione diretta a LED e i condensatori potevano immagazzinare energia sufficiente per far ruotare una ventola e far funzionare un comunicatore wireless. Il nostro dispositivo a pressione è adatto per la raccolta di energia da movimenti lenti come alcune funzioni fisiologiche umane, ad esempio camminare.

La raccolta di energia è una tecnologia promettente per alimentare numerosi piccoli dispositivi elettronici nella futura società dell’Internet delle cose (IoT)1. Le energie luminose, termiche e meccaniche vengono solitamente utilizzate per la raccolta di energia. Tra questi, l'energy Harvesting meccanico, che ottiene energia elettrica da movimenti meccanici di oscillazione e vibrazione, è abbastanza familiare a tutti e consente di ottenere grandi quantità di energia2,3. Ad esempio, sono stati sviluppati e utilizzati dispositivi di induzione elettromagnetica4,5,6, dispositivi piezoelettrici (materiali elettromeccanici)7,8,9,10,11 e dispositivi elettrostatici12,13,14. Tuttavia, i dispositivi miniaturizzati a induzione elettromagnetica hanno generalmente una bassa efficienza, il che è indesiderabile. I dispositivi piezoelettrici o elettrostatici possono essere miniaturizzati, ma l'efficienza di conversione diminuisce quando la frequenza di vibrazione è piccola (ad esempio, inferiore a 10 Hz). Pertanto è difficile per questi dispositivi sfruttare appieno i movimenti fisiologici lenti e regolari di un essere umano, ad esempio camminare.

In questo articolo, ci concentriamo sui fenomeni che si verificano in un dispositivo di generazione di energia elettrica azionato dalla pressione mediante l'interazione tra acqua pura e un solido caricato in superficie (un filtro di vetro). Il principio dettagliato è spiegato di seguito. Questo approccio è utile per le vibrazioni a bassa frequenza poiché la generazione di energia continua finché è presente acqua nel dispositivo. Sono stati riportati alcuni rapporti su dispositivi di generazione di energia basati su questo principio che utilizzano silicio rivestito di vetro15, compositi metallo-carbonio16 o cellulosa17. Tuttavia, è difficile applicare una pressione elevata a questi materiali a causa della loro fragilità, e quindi la potenza che possono generare non è così elevata.

D'altra parte, il vetro è duro e robusto e su di esso può essere applicata un'elevata pressione. Sono stati segnalati casi di generazione di energia alimentata dalla pressione dell'acqua utilizzando canali di vetro realizzati con metodi di micro o nano fabbricazione top-down18,19,20,21. Tuttavia, tali dispositivi di generazione di energia non sono sufficientemente potenti per la raccolta di energia perché la corrente generata per canale è generalmente molto piccola (nell'ordine dei picoampere).

Abbiamo utilizzato vetro poroso per aumentare il numero di canali dei pori sulla base di un'indagine e di un'ottimizzazione del processo di fabbricazione del dispositivo. Sebbene il vetro poroso fosse precedentemente utilizzato per la produzione di energia22, la potenza è ancora bassa perché la fabbricazione di un filtro di vetro poroso non è stata ottimizzata per la produzione di energia. Esistono numerose tecnologie per fabbricare molti tipi di dispositivi microfluidici a base di vetro23. Sulla base di questi concetti e tecnologie, il nostro obiettivo in questo studio era di indagare l'effetto della dimensione dei pori sulle prestazioni di generazione e di sviluppare un vero e proprio dispositivo di raccolta di energia costituito dal filtro di vetro poroso e dall'unità di pressatura del piede per trasferire la forza del piede di uno sperimentatore premendo al generatore di corrente per dimostrare l'effettiva raccolta di energia.