Ученые из Университета Ноттингема в Нинбо представили исследование, посвященное напольным генераторам энергии – устройствам, которые преобразуют энергию человеческих шагов в электричество. Такие системы начали активно развиваться в последние 10-15 лет на фоне интереса к автономным источникам питания и ограничений традиционных батарей. Пилотные и демонстрационные установки в разное время появлялись, в частности, в отдельных зонах лондонского аэропорта Хитроу и на технологических выставках в Дубае.
По расчетам исследователей, механическая энергия одного шага человека может достигать десятков джоулей. Пешеходная активность при этом практически непрерывна и является возобновляемым источником энергии, что делает шаги перспективным ресурсом для питания устройств с очень малым энергопотреблением – на уровне милливатт.
В работе рассматриваются три основных типа напольных генераторов – электромагнитные, пьезоэлектрические и трибоэлектрические. Основное внимание уделено электромагнитным системам, работающим по закону электромагнитной индукции: при нажатии ноги магниты перемещаются относительно катушек, и в них возникает переменное напряжение. На практике такие генераторы используют не поодиночке, а объединяют в массивы плиток, которые укладывают в пешеходных зонах или внутри зданий.
Именно на уровне таких массивов, как показывают авторы, и возникает ключевая проблема – значительные потери энергии. При последовательном соединении плиток электрический ток проходит через все модули, включая те, на которые в данный момент никто не наступает. Это приводит к падению напряжения, дополнительным потерям на диодах и внутренних сопротивлениях и снижает общую эффективность и надежность системы.
Для решения этой задачи команда предложила новую стратегию объединения плиток, которая позволяет автоматически обходить неактивные элементы. Ключевым элементом стал полностью механический коммутационный модуль, не требующий внешнего питания или сложной электроники. Каждая плитка оснащается блоком с тремя механическими переключателями, которые срабатывают напрямую от давления ноги. Когда человек наступает на плитку, ее генератор автоматически подключается к общей цепи, а после завершения шага – отключается. В результате ток проходит только через реально работающие плитки и не расходуется на бездействующие элементы, при этом отказ одной плитки не выводит из строя всю систему.
Эффективность разработки подтверждена экспериментами. В прототипе из трех плиток при работе только одного модуля новая схема обеспечила рост выходного напряжения на 33,3% по сравнению с классическим последовательным соединением. В демонстрационном тесте массив достиг пикового постоянного напряжения около 20 В. Этого достаточно для питания резистивной нагрузки, то есть простейшего электрического потребителя. В условиях реальной ходьбы система могла питать электронный термогигрометр в течение 22 секунд и беспроводной датчик с передачей данных по Bluetooth около 20 секунд за один проход человека.
В случае практического внедрения такие установки могут быть востребованы в местах с постоянным пешеходным потоком – на вокзалах и в аэропортах, в торговых и офисных центрах, а также в городской инфраструктуре, где они способны обеспечивать автономное питание датчиков, элементов освещения и других маломощных электронных устройств без подключения к электросети.
