Новое устройство собирает и хранит электроэнергию в удаленных настройках

Сегодня устройства с беспроводным подключением выполняют все более широкий спектр задач, таких как мониторинг состояния двигателей и оборудования, а также дистанционное зондирование в сельскохозяйственных условиях. Системы, известные как «Интернет вещей» (IoT), обладают большим потенциалом для повышения эффективности и безопасности оборудования.

Тем не менее, для Интернета вещей остаются камни преткновения, препятствующие реализации многих потенциальных приложений. Как питать эти устройства в ситуациях, когда надежные источники электроэнергии практически недоступны?

Исследования Инженерного колледжа Университета Юты указывают на возможное решение в виде нового типа батареи, называемого пироэлектрохимическим элементом (ПЭК).

Устройство было разработано и испытано в исследовательских лабораториях Розанны Уоррен и Шада Раунди, доцентов кафедры машиностроения.

«Это наша идея интегрированного устройства, которое могло бы собирать тепловую энергию окружающей среды и преобразовывать ее непосредственно в запасаемую электрохимическую энергию в форме суперконденсатора или батареи с приложениями для Интернета вещей и распределенными датчиками», — сказал Уоррен, старший автор исследования. новое исследование, которое демонстрирует подтверждение концепции.

«Мы говорим об очень низком уровне сбора энергии, но главным преимуществом является возможность иметь датчики, которые можно распределить и не нужно перезаряжать в полевых условиях», — добавила она. «Мы исследовали его основы физики и обнаружили, что он может генерировать заряд при повышении или понижении температуры».

Исследование размещено на обложке номера журнала от 21 марта. Энергетика и экологияопубликованное Королевским химическим обществом.

Устройство заряжается за счет изменения температуры окружающей среды, будь то внутри автомобиля или самолета или под землей в сельскохозяйственной среде. Теоретически PEC может питать датчики для приложений IoT, подзарядка которых в противном случае была бы непрактичной.

По словам Раунди, соавтора исследования, в некоторых ситуациях солнечный элемент будет работать нормально.

«Но во многих средах вы сталкиваетесь с двумя проблемами», — сказал Раунди. «Во-первых, они со временем загрязняются. Солнечные элементы необходимо содержать в чистоте. Поэтому в подобных случаях они загрязняются, и их мощность снижается. А есть множество применений, где солнечный свет просто отсутствует. … Например, мы работаем над датчиками почвы, которые размещаем прямо под верхней поверхностью почвы. Вы не получите солнечного света».

В качестве сепаратора в электрохимической ячейке в ФЭП используется пироэлектрический композиционный материал. Материал состоит из пористого поливинилиденфторида (ПВДФ) и наночастиц титаната бария. Электрические свойства этого материала изменяются при нагревании или охлаждении, что уменьшает или увеличивает поляризацию пироэлектрического сепаратора.

Изменение температуры создает электрическое поле внутри клетки, перемещая ионы и позволяя клетке накапливать энергию.

«Он хранит электричество в так называемом двойном электрическом слое, который сохраняет заряд в положительных и отрицательных слоях ионов. Это прославленный конденсатор», — сказал ведущий автор Тим Ковальчик, аспирант лаборатории Уоррена. «Когда вы нагреваете и охлаждаете систему и сохраняете электрохимическую энергию, вы меняете количество положительных или отрицательных ионов, находящихся в этих слоях».

Новое исследование проверило теорию лаборатории о том, как будет работать клетка.

«У нас была предсказанная модель функции, которая включала в себя то, что мы в статье назвали «эффектом ориентации», — сказал Ковальчик. «Если мы изменим ориентацию сепаратора в ячейке на обратную, он должен будет направлять ионы в другую сторону. Это изменение, которое мы можем внести в систему, будет показывать другой результат, который мы можем получить».

Эксперименты команды были поставлены для того, чтобы определить, будут ли клетки реагировать так, как они предсказывали. Помимо эффекта ориентации, наблюдался нагрев. против. охлаждающие эффекты, которые необходимо было проверить.

«Если вы нагреете предмет одним способом, что-то произойдет. Если вы сначала охладите его, что-то произойдет, и это должно проявиться по-другому», — сказал Ковальчик. «Мы сделали это с помощью процесса, называемого амперометрией. Вы подаете на него напряжение, поддерживаете это напряжение постоянным и измеряете ток. Ваша энергия в системе остается постоянной, если ничего не меняется; если в систему поступает энергия, ток меняется». “

Клетка действительно отреагировала так, как предполагала команда, но может ли она работать вне лаборатории? Это следующий вопрос, на который Уоррен пытается ответить. Один из ее учеников сейчас занимается схемотехническим моделированием, чтобы спроектировать ячейку и оптимизировать ее функцию.

«Теперь мы начинаем менять различные параметры», — сказал Уоррен. «Как мы можем улучшить сбор и хранение энергии, а также их комбинацию? А затем после этого будет проведена демонстрация в реальных условиях».

Согласно исследованию, элемент может производить до 100 микроджоулей на квадратный сантиметр за один цикл нагрева/охлаждения, что не так уж и много энергии, но достаточно, чтобы быть полезным для целей Интернета вещей.

«Вы хотите следить за состоянием вашего автомобиля, состоянием машин, состоянием растений и почвы и тому подобными вещами. Эти типы датчиков, как правило, будут иметь немного меньшую мощность, чем ваши умные часы или телефон, которые у них есть дисплей, и они передают много данных», — сказал Раунди. «Датчики, о которых мы говорим, могут просто периодически обновлять данные и работать автономно. У них нет интерфейса или экрана».

Исследование под названием «Прямое преобразование тепловой энергии в запасенную электрохимическую энергию» с помощью Самозаряжающийся пироэлектрохимический элемент» финансировался Национальным научным фондом. Внесли свой вклад также Фариха Хан и Даниэль Хорлахер. Хорлахер — студентка факультета искусств, которая работала в группе Уоррена над научными иллюстрациями. Она создала изображение выше, которое отображается на обложка журнала.

2024-04-09 21:17:32


1712701124
#Новое #устройство #собирает #хранит #электроэнергию #удаленных #настройках