Ученые из Университета Ноттингема в Нинбо (Китай) представили исследование по напольным генераторам, преобразующим энергию человеческих шагов в электричество. Эти системы активно развиваются в последние 10-15 лет на фоне растущего интереса к автономным источникам питания и ограничений традиционных батарей. Пилотные проекты уже демонстрировались в лондонском аэропорту Хитроу, на технологических выставках в Дубае и других местах.
Согласно расчетам исследователей, механическая энергия одного человеческого шага может достигать десятков джоулей. Пешеходная активность практически непрерывна и представляет собой возобновляемый источник энергии, что делает шаги перспективным ресурсом для устройств с очень низким энергопотреблением на уровне милливатт.
Исследование рассматривает 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, генерируя переменное напряжение.
На практике эти генераторы используются не по отдельности, а объединяются в массивы плиток, которые укладываются в пешеходных зонах или внутри зданий. Как показали авторы, ключевая проблема возникает именно на уровне этих массивов: они вызывают значительные потери энергии. При последовательном соединении плиток электрический ток течет через каждый модуль, включая те, на которые в данный момент не наступают. Это приводит к падению напряжения и дополнительным потерям в диодах и внутренних сопротивлениях, снижая общую эффективность и стабильность системы.
Для решения этой проблемы команда предложила новую стратегию подключения плиток, позволяющую автоматически обходить неактивные компоненты. Ключевым элементом является полностью механический модуль переключения, не требующий внешнего питания или сложной электроники.
Каждая плитка оснащена блоком из трех механических переключателей, которые срабатывают непосредственно от давления ноги. Когда человек наступает на плитку, ее генератор автоматически подключается к общей цепи и отключается после завершения шага. В результате ток течет только через работающие плитки, минуя неактивные компоненты, а выход из строя одной плитки не приводит к отказу всей системы.
Эффективность этого решения подтверждена экспериментами. В трехплиточном прототипе с работающим только одним модулем новая схема обеспечила увеличение выходного напряжения на 33,3% по сравнению с традиционным последовательным соединением. В демонстрационном тесте массив достиг пикового постоянного напряжения около 20 В, что достаточно для питания обычного электрического потребителя.
С реальными пешеходами система смогла питать электронный термогигрометр в течение 22 секунд и беспроводной датчик с передачей данных по Bluetooth около 20 секунд за один проход.
В случае реализации такие системы могут быть полезны в зонах с постоянным пешеходным трафиком: на вокзалах, в аэропортах, торговых центрах и офисных комплексах, а также в городской инфраструктуре, где они будут питать датчики, осветительные приборы и другие маломощные электронные устройства без подключения к электросети.