Μια νέα τριβοηλεκτρική γεννήτρια βασισμένη στο PDMS για τη συλλογή μηχανικής ενέργειας

Οι τριβοηλεκτρικές γεννήτριες (TEG) και οι τριβοηλεκτρικές νανογεννήτριες (TENG) είναι οι φιλικές προς το περιβάλλον, αποτελεσματικές μηχανικές-ηλεκτρικές συσκευές μετατροπής ενέργειας [1-5]. Η αρχή βασίζεται στο τριβοηλεκτρικό φαινόμενο και στην ηλεκτροστατική επαγωγή. Οι συσκευές αποτελούνται συνήθως από δύο τριβοηλεκτρικά υλικά και παράγουν ηλεκτρική απόδοση στη λειτουργία διαχωρισμού επαφών με κύκλο. Τα τριβοηλεκτρικά υλικά είναι πολύ εύκολο να βρεθούν από μέταλλο, μη μεταλλικά με τη λειτουργία ηλεκτρικού φορτίου στη λειτουργία επαφής και τριβής με άλλα τριβο-υλικά.

Το PDMS (πολυδιμεθυλσιλοξάνιο) είναι το αποτελεσματικό τριβοηλεκτρικό, μη τοξικό υλικό και σχηματίζεται εύκολα με μια διαδικασία χύτευσης σε μικροκαλούπια. Σχετικά με τον μορφολογικό χαρακτηρισμό, η εισαγωγή μιας δομής στην επιφάνεια του πολυμερούς θα αυξήσει την τραχύτητα της επιφάνειάς του οδηγώντας σε αύξηση της τριβής και της επιφάνειας επαφής των τριβο-υλικών καθώς αντιμετωπίζει ώθηση και τρίψιμο με άλλα τριβο-υλικά. Τα κριτήρια ρόλου για τον χαρακτηρισμό των ηλεκτρικών επιδόσεων του TEG/TENG περιλαμβάνουν την τάση ανοιχτού κυκλώματος (V_OC ), ρεύμα βραχυκυκλώματος (I_SC ), πυκνότητα ρεύματος (J_SC ), ισχύς, αποθήκευση ενέργειας και εκπομπές φωτισμού για αξιολόγηση για τις πραγματικές εφαρμογές παραγωγής ενέργειας.

Το μυθιστόρημα Η δομή TEG που σχηματίζεται από τις κεκλιμένες συστοιχίες τοίχου με τριβοηλεκτρική γεννήτρια με βάση τη δομή PDMS (IWA-MT-PDMS-TEG) ​​με μικροεπάνω (IWA-MT) εμφανίζει εξαιρετικά χαρακτηριστικά βιώσιμης μηχανικής-ηλεκτρικής μετατροπής ενέργειας, αποθήκευσης ενέργειας, εκπομπής φωτισμού και εξόδου εκτέλεση. Επιπλέον, κατασκευάζονται με χρήση πράσινου, χαμηλού κόστους, εύκολης κατασκευής CO₂ μέθοδος αφαίρεσης λέιζερ στο καλούπι μεθακρυλικού πολυμεθυλεστέρα (PMMA) και διαδικασία χύτευσης πολυμερούς. Το βιώσιμο IWA-MT-PDMS-TEG αποτελείται από υλικά που μπορούν να βρεθούν εύκολα από φιλμ IWA-MT-PDMS και φύλλο αλουμινίου (Al), καθώς το Al παίζει δύο βασικούς ρόλους ως ηλεκτρόδιο και τριβικό υλικό.

Εισήχθησαν δύο ειδικά είδη IWA-MT για τη βελτίωση της ισχύος εξόδου:οι συστοιχίες κεκλιμένου τοίχου με τριβοηλεκτρική γεννήτρια με επικάλυψη μικροσωματιδίων PDMS (IWA-MP-PDMS-TEG) ​​και οι συστοιχίες κεκλιμένου τοίχου με μικροθόλο. τριβοηλεκτρική γεννήτρια με βάση φιλμ PDMS (IWA-SMD-PDMS-TEG).

Στην απλή κατάσταση λειτουργίας με χτύπημα με το χέρι με χαμηλή συχνότητα, το IWA-MP-PDMS-TEG παράγει υψηλή απόδοση του μέγιστου V_OC των 135,8 V, I_SC των 109,5 μΑ, J_SC 3,5 µA cm, η ισχύς των 29,7 mW σε εξωτερική αντίσταση 5 MΩ και η πυκνότητα ισχύος 9,6 W m. Και το IWA-SMD-PDMS-TEG δημιουργεί το μέγιστο V_OC των 112,6 V, I_SC 83,5 μΑ, J_SC 2,7 µA cm, ισχύς 13,8 mW και πυκνότητα ισχύος 4,4 W m. Και τα δύο IWA-MT-PDMS-TEG έδειξαν επίσης την καλή ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας και εφαρμογές εκπομπής ρύπων. Αναλυτικά, το IWA-MP-PDMS-TEG μπορεί να φορτίσει σε έναν πυκνωτή 0,22 μF με τη μέγιστη φορτισμένη τάση (V_C ) των 1,74 V στα 0,76 sec, σταθερή φόρτιση με χιλιάδες φορές σε πυκνωτή 0,1 μF και κίνηση 83 LED συνδεδεμένα σε σειρά ανάβει έντονα με το πάτημα του χεριού. Επίσης, το IWA-SMD-PDMS-TEG μπορεί να φορτίσει V_C 1,04 V στον ίδιο πυκνωτή στα 4,5 δευτερόλεπτα και ανάβει 65 LED.

Τα IWA-MT μπορούν να βελτιώσουν την απόδοση εξόδου του TEG λόγω της αύξησης της επιφάνειας επαφής και της τριβής μεταξύ του IWA-MT-PDMS και του Al στον κύκλο εργασίας χωριστής επαφής. Το IWA-MP-PDMS-TEG δείχνει επίσης τη σταθερή ικανότητα φόρτισης για αποθήκευση ενέργειας και φωτεινή εκπομπή, καθώς και άμεση ισχύ στις όμορφες πραγματικές διαφημιστικές σανίδες. Με εξαιρετικά χαρακτηριστικά πράσινου, χαμηλού κόστους, γρήγορης κατασκευής και υλικών εύκολης εύρεσης για υψηλή απόδοση ισχύος εξόδου, τα δύο IWA-MT-PDMS-TEG μπορούν να εφαρμοστούν απευθείας στη φόρτιση, την αποθήκευση και την εκπομπή φωτισμού, υπόσχεται επίσης να φέρει λαμπρές προοπτικές για πρακτικές εφαρμογές στο εγγύς μέλλον.

Το Σχήμα 1 δείχνει τη σύνοψη από την ιδέα του σχεδιασμού στις πραγματικές εφαρμογές του IWA-MT-PDMS-TEG. Οι κεντρικές εικόνες παρουσιάζουν τη νέα δομή του IWA-MT-PDMS-TEG προέρχονται από την απλή, χαμηλού κόστους και γρήγορης κατασκευής μέθοδο του CO₂ διαδικασία αφαίρεσης λέιζερ και χύτευσης πολυμερούς και μηχανισμός κυκλικής λειτουργίας του TEG. Η επάνω αριστερή γωνία της εικόνας δείχνει την υψηλή ισχύ του συλλέκτη ενέργειας. Η επάνω δεξιά γωνία της εικόνας δείχνει την εφαρμογή ηλεκτρικής φόρτισης. Η κάτω δεξιά γωνία δείχνει την εφαρμογή εκπομπής φωτισμού με δεκάδες έγχρωμα LED. Η κάτω αριστερή γωνία παρουσιάζει τη βιώσιμη λειτουργία της συσκευής. Οι εικόνες πάνω στο κέντρο και κάτω στο κέντρο δείχνουν την εφαρμογή διαφημιστικού πίνακα με τα γράμματα του λογότυπου του NCKU.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Συγκομιδή μηχανικής ενέργειας, αποθήκευσης και φωτισμού με χρήση μιας νέας τριβοηλεκτρικής γεννήτριας βασισμένης σε PDMS με κεκλιμένες συστοιχίες τοιχώματος και δομή μικροεπάνω, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Applied Energy . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους V. L. Trinh και C. K. Chung από το Εθνικό Πανεπιστήμιο Cheng Kung.

Αναφορές:

1. Wang ZL, Chen J, Lin L. Πρόοδος στις τριβοηλεκτρικές νανογεννήτριες ως νέα ενεργειακή τεχνολογία και αυτοτροφοδοτούμενοι αισθητήρες. Ενέργεια &Περιβαλλοντική Επιστήμη. 2015; 8:2250-82.
2. Liang QJ, Zhang Q, Yan XQ, Liao XQ, Han LH, Yi F, et al. Ανακυκλώσιμη και πράσινη τριβοηλεκτρική νανογεννήτρια. Προηγμένα Υλικά. 2017; 29:7.
3. Xu W, Huang LB, Wong MC, Chen L, Bai GX, Hao JH. Φιλικές προς το περιβάλλον τριβοηλεκτρικές νανογεννήτριες με βάση την υδρογέλη για ευέλικτη συλλογή ενέργειας και αυτοτροφοδοτούμενους αισθητήρες. Προηγμένα Ενεργειακά Υλικά. 2017; 7:8.
4. Trinh VL, Chung CK. Μια εύκολη μέθοδος και νέος μηχανισμός που χρησιμοποιεί PDMS δομημένο με μικροβελόνες για εφαρμογές τριβοηλεκτρικής γεννήτριας. Small 2017;13:1700373
5. Cheng XL, Miao LM, Song Y, Su ZM, Chen HT, Chen XX, et al. Στρατηγική διαχείρισης ενέργειας υψηλής απόδοσης και ενίσχυσης φόρτισης για μια τριβοηλεκτρική νανογεννήτρια. Νανοενέργεια. 2017; 38:448-56.