Baterías de personas: análisis teórico de nanogeneradores basados ​​en el efecto triboeléctrico

Uno de los problemas más acuciantes de nuestro tiempo es la energía, o más bien su falta. Los recursos naturales de la tierra se agotan a medida que crece la población. Por lo tanto, las personas recurrieron a las fuentes de energía renovables, cuyo uso puede resolver la inevitable crisis energética. Energía geotérmica, solar, hidroeléctrica: todas estas son fuentes de energía renovable, casi ilimitada (en la escala de la vida humana). Pero hay otra fuente que se llama escritores de ciencia ficción en lugar de científicos. Este es el hombre mismo. Pero nadie va a conectar un montón de cables al cuerpo humano y ponerlo en cápsulas con "gelatina". La teoría que se discutirá hoy se basa en la explotación del efecto triboeléctrico, que permitirá a una persona convertirse en una fuente de energía para dispositivos portátiles (relojes, teléfonos, etc.). Tratemos de descubrir cuál es la esencia de este estudio. Vamos

Base teórica

Como ya se mencionó, hace unas pocas líneas, el efecto triboeléctrico * es la base de este estudio teórico.

El efecto triboeléctrico * es, en palabras simples, la aparición de cargas eléctricas debido a la fricción.

La existencia de este fenómeno físico era conocida en la antigua Grecia. Tales de Mileto es el autor de la observación de la triboelectricidad frotando el ámbar con lana, por lo que el primero recibió la capacidad de atraer objetos pequeños (cabello, papel, etc.). Posteriormente, fue la versión griega de la palabra "ámbar" (ἤλεκτρον - ēlektron) la que sirvió de base para la palabra "electricidad". Sin embargo, en aquellos días sabían poco acerca de la electricidad, sus tipos y propiedades. Pasaron muchos siglos hasta que comenzó el proceso de estudio sistemático de este fenómeno.


Sello postal (1994, Grecia) con la imagen de Tales de Mileto y ámbar, atrayendo una pluma debido al efecto triboeléctrico.

¿Cómo se manifiesta el efecto triboeléctrico en la práctica? Todo es extremadamente simple. Si frota dos objetos uno contra el otro, obtendremos electricidad estática debido a este mismo efecto. Todo lo que nos rodea consta de átomos, en cuyo centro se encuentra un núcleo cargado positivamente rodeado de electrones. Debido a la interacción interatómica, si la atracción de átomos en un objeto es más poderosa, entonces los electrones del segundo comienzan a desplazarse hacia el primero. Por lo tanto, un objeto adquiere electrones y el otro los pierde, que es la aparición de cargas estáticas.


Este video explica claramente el principio del efecto triboeléctrico y también muestra la experiencia que puede repetir en casa.

Naturalmente, no todos los materiales son iguales. Algunos acumulan mejor una carga positiva, otros negativos. Por lo tanto, los materiales propensos a la manifestación del efecto triboeléctrico se colocan en la llamada serie triboeléctrica (de positiva a negativa).

Pero el efecto triboeléctrico es solo una parte del estudio. Además, los nanogeneradores desempeñan un papel importante: dispositivos capaces de convertir energía mecánica o térmica en electricidad. El nanogenerador de efecto triboeléctrico (TENG) no es tan antiguo como la experiencia con el ámbar de Thales, y se demostró por primera vez en 2012.

La recolección de energía usando este dispositivo milagroso es una industria muy prometedora, por lo tanto, muchos grupos de investigación están desarrollando nuevas formas de implementar esta técnica. Imagínese: está caminando por la ciudad y su teléfono se está cargando debido a su movimiento. Suena muy bien, pero hay una serie de problemas que aún no hemos resuelto, por lo que ni siquiera vemos una variedad de nanogeneradores en los estantes de las tiendas de electrónica para todos los gustos.

Base de estudio

El objetivo principal del estudio fue identificar las propiedades y características de los nanogeneradores basados ​​en el efecto triboeléctrico, así como la justificación teórica de los problemas de implementación de dicha tecnología.


Esquema TENG.

Los investigadores señalan que al menos una superficie triboeléctrica no conductora está presente en TENG, por lo que su impedancia interna (impedancia) es bastante alta. Y cuando las capas triboeléctricas se mueven, puede aumentar aún más. Como resultado, es posible extraer efectivamente la potencia requerida de TENG a través de una carga externa solo en caso de alta resistencia de carga.

La gran mayoría de los dispositivos no cumplen con estos requisitos, por lo que se perderá una parte impresionante de potencia potencialmente útil, debido a la falta de coincidencia de impedancia.

Los científicos argumentan que comprender las características de la conversión de energía y la transmisión de energía en función de los cambios en la impedancia es la base para mejorar los dispositivos TENG.

Arquitectura de instalación experimental

Existen varios mecanismos para la operación de nanogeneradores. En este estudio, se utilizó un modelo de separación de contacto vertical.


Esquema de capas triboeléctricas.

En el diagrama anterior, vemos 2 capas TENG con cargas positivas y negativas. Cada capa consta de varios componentes: una base de In ₂ O ₃ / Ag / Au (subcapa azul), PET - tereftalato de polietileno (subcapa naranja) y PDMS (PDMS) - polidimetilsiloxano (subcapa verde). El tamaño de las capas era de 50 x 50 mm, y el grosor era de 0,22 mm de la primera y 0,2 mm de la segunda capa.

La densidad de carga triboeléctrica fue de 40.7 μC / m ^-2 (μC - microcoulomb). Y la constante dieléctrica fue igual a: 3.24ε ₀ para la primera capa y 3.3ε ₀ para la segunda, donde ε ₀ es la constante dieléctrica del espacio vacío.


La aparición de la configuración experimental.

La instalación que se muestra en la imagen de arriba consiste en un motor lineal, una base móvil, aisladores, dos capas TENG, un sensor de carga y conexiones eléctricas.

Esta instalación se ubicó en una habitación con una temperatura de 20 ° C y una humedad relativa del 55% (cuanto menor sea la humedad, mejor será la transferencia de cargas, como se indica en el video). El motor permitió que las capas entraran en contacto con cierta periodicidad. Cuantos más contactos de este tipo (fricción), mayor será el índice de densidad de carga. Se realizaron un total de 3.000 toques de capa en este experimento.

Análisis de resultados

Después de los experimentos, los científicos recopilaron todos los datos y, analizándolos, clasificaron una serie de factores que afectan el funcionamiento de los dispositivos TENG:

• Movimiento: frecuencia, amplitud y modos de movimiento de contacto / sin contacto;
• Dispositivo: propiedades del material y dimensiones del dispositivo TENG.

Y ahora un poco más sobre cada uno.

Frecuencia



El gráfico anterior ( a ) es una comparación de los índices de potencia pico del modelo DDEF teórico (campo eléctrico dependiente de la distancia) y la teoría de las capas TENG a diferentes frecuencias (de 0.1 Hz a 1000 Hz). A su vez, el gráfico ( b ) muestra una comparación de los datos del modelo DDEF, la teoría de las capas TENG más los datos experimentales obtenidos experimentalmente a una frecuencia de 0.1 Hz a 10 Hz.

Se ve claramente que al aumentar la frecuencia, la potencia de salida también aumenta. Sin embargo, la frecuencia real en la práctica está limitada por la fisiología humana (en otras palabras, no podemos movernos como el demonio de Tasmania de Looney Tunes). Sin embargo, los investigadores no están molestos, ya que hay una manera de convertir las frecuencias bajas a las más altas. Por ejemplo, un regulador mecánico que consiste en un resorte helicoidal, una transmisión de engranajes, un mecanismo de levas y un volante. Tan simple, dados los detalles anteriores, el dispositivo es capaz de entregar una frecuencia de 50 Hz. (Los investigadores citan el trabajo de Divij Bhatia, disponible para descargar aquí ).

Resulta que hay formas, simples y efectivas, de aumentar la frecuencia y, por lo tanto, la potencia de salida. Sin embargo, vale la pena señalar que la frecuencia tampoco puede ser mayor que un cierto nivel (10 GHz), que está asociado con pérdidas dieléctricas que ocurren a altas frecuencias.

Amplitud

Para verificar cómo la amplitud de los movimientos afecta a los indicadores de potencia de salida, el nivel de frecuencia se ajustó a 1 Hz, como una constante, de modo que este parámetro no afecta la medición de la influencia de la amplitud exclusivamente.



Dos gráficos se presentan arriba: resultados teóricos y experimentales. La tendencia al principio es similar a un aumento en la frecuencia, es decir, la potencia de salida aumenta con un aumento en la amplitud. Sin embargo, cuando se alcanza un cierto nivel (1 mm), comienza a disminuir. Por lo tanto, la amplitud del movimiento es un factor muy inestable. Más precisamente, este es un parámetro con un rango estrecho, porque con una amplitud demasiado baja o demasiado alta no obtendremos el resultado deseado. Los científicos tienen la intención de seguir estudiando con más detalle el efecto de la amplitud en la generación de potencia de salida, así como encontrar formas de optimizar este factor.

Modos de conducción con / sin contacto

Las capas triboeléctricas deben tocarse durante los ciclos de movimiento, ¿verdad? Casi. Algunos dispositivos funcionan en modo sin contacto cuando están completamente cargados. Por lo tanto, es necesario verificar cómo la distancia entre las capas afecta el resultado del dispositivo TENG. Durante la prueba, la frecuencia fue de 1 Hz y la amplitud fue de 1 mm, nuevamente constantes, para no interferir con la verificación del parámetro requerido.



Y nuevamente observamos dos gráficos (teoría y experimento). Es lógico que el aumento en la brecha entre las capas de la potencia de salida comience a caer. Los valores cayeron de ≈430 a ≈150 nA (nanoamperios) cuando la brecha alcanzó 500 μm. En este caso, la resistencia aumentó de 1 GOhm (gigaohmio) a una ruptura de 0 a 5 GOhm a una ruptura de 500 μm.

Y nuevamente, la dura realidad impide que los científicos construyan castillos de nubes. La conclusión es simple: la distancia entre las capas TENG de trabajo es un parámetro crítico. Más precisamente, la ausencia de espacios aéreos entre ellos. Está claro que en el proceso de separación las capas "divergen", por así decirlo, pero no debe haber aire entre ellas. Este problema puede resolverse, por ejemplo, mediante el uso de polímeros como el polidimetilsiloxano en la arquitectura TENG.

En conclusión, se puede observar que la amplitud y la frecuencia no deben ser más altas que el nivel límite, así como la distancia entre las capas, para que el sistema funcione de manera eficiente. Estas son limitaciones bastante fuertes, en realidad. Sin embargo, muchos grupos de investigación, incluido este, están trabajando para reducir el impacto de estos parámetros en el rendimiento de los dispositivos TENG.

Ahora pasemos a considerar cuáles deberían ser los dispositivos mismos para aprovechar al máximo todos los beneficios de la tecnología TENG. Para un papel importante en el funcionamiento de cualquier dispositivo se juega no solo por fenómenos físicos, sino también de qué y cómo está hecho el dispositivo. Como dicen, no importa cuánto arrojes una lanza de papel maché, no volará más allá de una lanza normal.

Propiedades del material

Recordemos que la densidad de carga triboeléctrica depende directamente de varios factores: la serie triboeléctrica (cuanto más lejos están las sustancias entre sí, mejor interactúan, esto se menciona en el video anterior), la estructuración de las superficies triboeléctricas, el área de contacto bajo la influencia de la fuerza aplicada y los factores ambientales. .

Para verificar qué y cómo afecta a qué, el modelo DDEF se utilizó con movimiento sinusoidal (frecuencia = 1 Hz, amplitud = 1 mm), mientras que los parámetros del dispositivo coinciden con los del experimento práctico.

El análisis de datos muestra que el índice de potencia de salida aumenta al aumentar la densidad de carga. En este caso, la impedancia interna no cambia cuando cambia la densidad de carga.

Pero los cambios en los parámetros ambientales, como la humedad, la temperatura y la presión, afectan naturalmente la densidad de carga, lo que hace que este indicador sea inestable. Si el dispositivo funciona en un entorno controlado, entonces es posible mantener la estabilidad de este indicador. Por supuesto, esto es muy triste, porque en la práctica no usaremos nuestros dispositivos solo en ciertas condiciones. Por lo tanto, este momento también fue enviado por científicos para un mayor refinamiento e investigación.

Los científicos también señalan que este experimento teórico, aunque muestra relaciones vívidas, es extremadamente difícil de implementar en la práctica, ya que cambiar un parámetro material en realidad significa reemplazar el material en sí, lo que significa cambiar todas las demás propiedades.

Dimensiones físicas

Cuando se trata de dispositivos portátiles, entendemos que sus componentes deben ser lo más pequeños posible (perdón por el juego de palabras). Pero hay un cierto límite, una línea que se cruzó y que sacrificamos la eficiencia por el tamaño pequeño.



Los dos gráficos anteriores representan los resultados de medir la potencia de salida cuando cambia el grosor de la capa PDMS (teoría a la izquierda y experimento a la derecha). Con un aumento en el grosor del PDMS, el índice de potencia de salida disminuye. Esta tendencia teórica se ha confirmado en la práctica, como se puede ver si comparamos ambos gráficos.

Un campo eléctrico con una superficie cargada de la capa TENG debe extenderse a una distancia mayor cuando el grosor del PDMS es mayor para alcanzar la interfaz electrodo-dieléctrica, donde se produce la inducción de las cargas de salida. Esto conduce a un debilitamiento del campo eléctrico, que posteriormente conduce a una disminución de la potencia de salida y un aumento de la impedancia. Entonces el principio "cuanto más mejor" no se aplica aquí.



Al cambiar la duración de la situación es diferente. La potencia de salida aumenta cuando el dispositivo se alarga, si compara las cifras anteriores con una longitud de 50 mm y 1000 mm. Esto es bueno, porque más área - más poder. Sin embargo, para dispositivos compactos, cuyos dispositivos TENG están destinados básicamente a cargar, difícilmente podría llamarse así si tuvieran un metro de longitud.

Los detalles del estudio (modelos teóricos, fórmulas, cálculos, etc.) se pueden encontrar en el informe de los científicos y en continentes adicionales .

Epílogo

El objetivo de este estudio fue describir las características, los factores de influencia importantes y las características de los nanogeneradores triboeléctricos. Los propios investigadores dicen que su trabajo debería ayudar en futuros desarrollos de dispositivos TENG, ya que indica claramente las ventajas y desventajas de esta tecnología. Y como vemos, queda mucho trabajo por hacer para que finalmente dejemos de preocuparnos de que nuestros dispositivos portátiles se descarguen durante una caminata.

La energía siempre ha sido un valor para la humanidad, independientemente de su tipo. Pero si antes acabamos de limpiar lo que el planeta nos da, ahora tenemos que buscar formas de generar energía, que es suficiente para todos. Es una pena que el hecho de que simplemente agotáramos prácticamente los recursos naturales se convirtiera en un incentivo para comenzar una búsqueda de este tipo. Como alguien dijo (no recuerdo quién): ¿por qué no compartir todo entre todos? Pero porque hay pocos, pero muchos. Esperemos que en materia energética esto cambie, tarde o temprano.

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