Wetenschappers hebben de afgelopen jaren intensief gewerkt om milieu-energie om te zetten in elektriciteit om te voldoen aan de voortdurende vraag naar een schonere en duurzamere energiebron. Het oogsten van mechanische milieu-energie als een milieuvriendelijke methode is een veelbelovende oplossing en speelt een belangrijke rol bij het bouwen van draagbare elektronica en sensornetwerken in het Internet of Things (IoTs). Een tribo-elektrische nanogenerator (TENG) is een zelfaangedreven, haalbare oplossing om mechanische energie om te zetten in elektriciteit en specifiek te voldoen aan de toenemende vraag van het internet der dingen (IoT's).

In het huidige werk, Di Liu en medewerkers van de afdelingen Nano-energie en Nanosystemen, Materiaalkunde en techniek, en nanowetenschap en technologie in China en de VS, ontwikkelde een TENG van de volgende generatie om een ​​constante stroomoutput te realiseren door het tribo-elektrificatie-effect en elektrostatische doorslag te koppelen. Ze verkregen een tribo-elektrische ladingsdichtheid (430 µC m ^-2 ), veel hoger dan die met conventionele TENG - die werden beperkt door elektrostatische doorslag. De bevindingen van het onderzoek zijn nu gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang, om de miniaturisering van zelfaangedreven systemen voor gebruik in IoT's te bevorderen en een paradigmaverschuivingstechniek te bieden om mechanische energie te oogsten.

Lichtgewicht en draagbare voedingsmodules met hoge energieopslagprestaties zijn wenselijk voor draagbare technologie in de materiaalkunde. Ze kunnen conventioneel worden bereikt door een oplaadbaar energieopslagapparaat rechtstreeks te integreren, dat wil zeggen een batterij of supercondensator in stoffen. Het oogsten van mechanische energie heeft veel aandacht getrokken, zoals onderzocht door de technieken van elektromagnetische generatoren (EMG's), piëzo-elektrische nanogeneratoren (PENG's) en tribo-elektrische nanogeneratoren (TENG's).

Terwijl EMG's zijn gebaseerd op de wet van Faraday van elektromagnetische inductie, geschikt voor grootschalige stroomopwekking, PENG's kunnen kleine fysieke vervormingen omzetten in elektriciteit in zelfaangedreven, kleinschalige apparaten. Conventionele TENG's zijn kosteneffectief gebleken, schone en duurzame functies, op basis van tribo-elektrische effecten en elektrostatische inductie om energie om te zetten in elektriciteit. De TENG's bieden ook lichtgewicht, kleine maat, een ruime keuze aan materialen en een hoog rendement, zelfs bij lage frequenties.

Conventionele TENG's worden onthouden vanwege de vereisten van een gelijkrichter (corrector), zoals een roterende gelijkrichterbrug om een ​​DC-uitgang te genereren, wat de draagbaarheid beperkt. In aanvulling, AC-aangedreven TENG's vereisen elektromagnetische afscherming door sensorintegratie, die de mate van accommodatie in een geminiaturiseerd apparaat kan verminderen. De gepulseerde output kan aanleiding geven tot een zeer hoge crestfactor, wat een belangrijke maatstaf is voor outputinstabiliteit die de prestaties van energieopslag en elektronica beïnvloedt, waar constante input de voorkeur heeft. Hoewel zeer recent een constante DC-uitgang werd gerealiseerd met behulp van de glijdende Schottky-nanocontacttechniek, de uitgangsspanning was te laag om de elektronica direct aan te drijven. In het huidige werk, Liu et al. daarom DC-TENG uitgevonden, om deze problemen aan te pakken en constante gelijkstroom te genereren door het tribo-elektrificatie-effect en elektrostatische afbraak direct te koppelen als een paradigmaverschuivende techniek.

Het werkingsprincipe van DC-TENG was gebaseerd op tribo-elektrificatie of ladingsoverdracht tussen twee oppervlakken in contact in omgevingen, lijkt op hetzelfde natuurlijke principe achter het ambereffect en bliksem. Voor deze, Liu et al. geïnduceerde kunstmatige bliksem met een lading-verzamelende elektrode (CCE), wrijvingselektrode (FE) en tribo-elektrische laag in de volgende generatie DC-TENG-opstelling. In het experiment, de wetenschappers gebruikten koperelektroden voor zowel CCE als FE, en een polytetrafluorethyleen (PTFE) film bevestigd aan een acrylplaat als de tribo-elektrische laag.

Gebaseerd op de initiële uitlijning tussen de elektroden en de PTFE-film, Liu et al. genereerde een quasi-permanente elektrische lading op de PTFE-film. Ze verplaatsten een schuif in het medium om een ​​zeer hoog elektrostatisch veld op te bouwen tussen de CCE en de negatief geladen PTFE-film. Wanneer het elektrostatische veld de diëlektrische sterkte tussen hen overschreed bij een geschatte waarde van 3 kV / mm, de nabijgelegen lucht werd gedeeltelijk geïoniseerd om te gaan geleiden. Deze techniek resulteerde in de stroom van elektronen van de PTFE naar CCE in het experiment om rationeel luchtafbraak te induceren en kunstmatige bliksem te creëren.

In tegenstelling tot conventionele TENG's die de energie van luchtafbraak niet gebruikten, Liu et al. de CCE gebruikt om deze kosten effectief te innen. In het kort, in hun experimentele opstelling, de elektronen op de FE overgebracht naar PTFE via tribo-elektrificatie, vervolgens via elektrostatische doorslag naar de CCE getransporteerd en uiteindelijk via een extern circuit naar de FE. Toen de schuifregelaar in het experiment terugkeerde naar de oorspronkelijke staat, er was geen stroom in het externe circuit vanwege de afwezigheid van een potentiaalverschil over de CCE- en PTFE-film.

Op deze manier, de wetenschappers produceerden cyclische gelijkstroom door de schuif regelmatig te verplaatsen, ze maten de gelijkstroom die het gevolg was van de unidirectionele diëlektrische doorslag van de condensator om een ​​aanhoudende geleidingsstroom te produceren. Liu et al. toonde aan dat de ladingshoeveelheid die door de DC-TENG via diëlektrische afbraak werd geoogst, groter was dan die geoogst door conventionele TENG met behulp van elektrostatische inductie en was bedoeld om dit nieuwe paradigma te gebruiken als een prototype om bliksemenergie te oogsten. Ze zijn van plan het gedetailleerde mechanisme van het proces te onderzoeken en in de toekomst een nauwkeurig theoretisch model te vormen.

In de huidige studie, Liu et al. ontwierp twee modi van DC-TENG:een glijdende modus en een roterende modus. Om het glijdende proces te implementeren, gebruikten de wetenschappers een lineaire motor en een commerciële motor om het roterende proces aan te drijven. Ze gebruikten scanning-elektronenmicroscopie (SEM) -beelden om de nanodraadelektroden (CCE en FE) op het PTFE-oppervlak te bekijken. Toen ze de glijbaan langs de geëlektrificeerde laag bewogen, de wetenschappers legden het fenomeen corona-ontlading vast als een groene gloed tijdens luchtafbraak tussen PTFE en CCE als solide bewijs van luchtafbraak tijdens de werking van het apparaat.

Ze maten het oppervlaktepotentieel van PTFE om elektrostatische ladingsontlading door elektrostatische doorslag aan te tonen met behulp van een Isoprobe elektrostatische voltmeter, gevolgd door de meting van kortsluitstroom en overgedragen ladingen van de DC-TENG, met behulp van een programmeerbare elektrometer. Om de nullastspanning van de glijdende modus DC-TENG te meten, ze gebruikten een oscilloscoop met gemengd domein - alle resultaten vertoonden kenmerken van een goede DC-uitvoer.

Liu et al. toonde aan dat de initiële ladingsdichtheid van de DC-TENG hoger was (330 µC m ^-2 ) dan conventionele TENG (~ 70 µC m ^-2 ). Om de ladingsdichtheid te verbeteren, de wetenschappers introduceerden nanostructuren op de PTFE-oppervlakken met behulp van inductief gekoppelde plasmaprocessen om het materiaal te modificeren en een zesvoudige verhoging van de ladingsdichtheid te bereiken bij 430 µC m ^-2 . Het werk toonde aan dat de uitvoerprestaties van het systeem kunnen worden verbeterd door eenvoudige structurele optimalisatie van het PTFE-filmoppervlak. Wanneer Liu et al. de langdurige uitgangsstroom van de DC-TENG gemeten na 3000 cycli, de DC-uitgangsstroom bleef nagenoeg stabiel, bevestiging van uitstekende stabiliteit van de opstelling.

parallel, de wetenschappers maten op dezelfde manier de uitvoerprestaties van DC-TENG met roterende modus. De structuur van de opstelling bevatte een stator en een rotator, en net als de glijdende modus DC-TENG waren de Fes en CCE's verbonden. Zoals eerder, de wetenschappers voerden metingen uit om te laten zien hoe elektriciteitsopwekking afhankelijk was van de relatieve rotatie tussen de rotator en de stator voor betere prestaties in vergelijking met conventionele DC-TENG.

Vanwege hun continue DC-uitgangsgeneratie, Liu et al. gedemonstreerde toepassingen van nieuwe DC-TENG's om elektronische apparaten aan te sturen zonder een gelijkrichter te gebruiken. Voor apparaatfunctionaliteit, de zelfaangedreven DC-TENG's waren in staat om elektronica rechtstreeks aan te drijven door mechanische energie om te zetten. Als een proof-of-principle, de wetenschappers vormden een elektronisch horloge dat rechtstreeks werd aangedreven door een DC-TENG met glijdende modus en een wetenschappelijke rekenmachine aangedreven door een roterende DC-TENG. In aanvulling, ze vormden een light-emitting diode (LED) lamparray, die kan worden verlicht door de roterende modus van DC-TENG, en in tegenstelling tot LED aangedreven via conventionele TENG, deze LED-lampen bleven zonder flikkering op een constante luminescentie.

Op deze manier, Liu et al. heeft de omzetting van mechanische energie in constante uitgangsstroom bereikt door DC-TENG's van de volgende generatie te ontwerpen op basis van het gekoppelde effect van tribo-elektrificatie en elektrostatische afbraak. Ze gebruikten een glijdende modus DC-TENG en roterende modus DC-TENG om het mechanisme te demonstreren, wat resulteert in een ladingsdichtheidswaarde die veel hoger is (430 µC m ^-2 ) dan die van het conventionele apparaat. De topfactor van roterende TENG was bijna één, geeft een constante stroomuitgang aan.

De nieuwe DC-TENG is een effectieve strategie om mechanische energie en vermogenselektronica te oogsten of een energieopslageenheid rechtstreeks op te laden zonder gelijkrichter. De paradigmaverschuiving bij het omzetten van mechanische energie in elektriciteit kan ook de miniaturisering van zelfaangedreven systemen in draagbare elektronica en sensornetwerken in de IoT's bevorderen. Liu et al. zie het apparaat verder als een prototype om in de toekomst bliksemenergie te oogsten.

© 2019 Wetenschap X Netwerk