People-batteries: analyse théorique des nanogénérateurs basée sur l'effet triboélectrique

L'un des problèmes les plus pressants de notre époque est l'énergie, ou plutôt son manque. Les ressources naturelles de la terre s'épuisent à mesure que la population augmente. Par conséquent, les gens se sont tournés vers les sources d'énergie renouvelables, dont l'utilisation peut résoudre l'inévitable crise énergétique. Géothermie, solaire, hydroélectricité - tout cela est une source d'énergie renouvelable, presque illimitée (à l'échelle de la vie humaine). Mais il existe une autre source qui s'appelle des écrivains de science-fiction plutôt que des scientifiques. Voici l'homme lui-même. Mais personne ne va connecter un tas de fils au corps humain et le mettre en capsules avec de la «gelée». La théorie qui sera discutée aujourd'hui est basée sur l'exploitation de l'effet triboélectrique, qui permettra à une personne de devenir une source d'énergie pour les appareils portables (montres, téléphones, etc.). Essayons de comprendre l’essence de cette étude. Allons-y.

Base théorique

Comme déjà mentionné, il y a quelques lignes, l' effet triboélectrique * est à la base de cette étude théorique.

L'effet triboélectrique * est, en termes simples, l'apparition de charges électriques dues au frottement.

L'existence de ce phénomène physique était connue dans la Grèce antique. Thales of Miletus est l'auteur de l'observation de la triboélectricité en frottant l'ambre avec de la laine, grâce à quoi le premier a reçu la capacité d'attirer de petits objets (cheveux, papier, etc.). Par la suite, c'est la version grecque du mot «ambre» (ἤλεκτρον - ēlektron) qui a servi de base au mot «électricité». Cependant, à cette époque, ils en savaient peu sur l'électricité, ses types et ses propriétés. Plusieurs siècles se sont écoulés jusqu'au début de l'étude systématique de ce phénomène.


Timbre-poste (1994, Grèce) avec l'image de Thales de Milet et d'ambre, attirant un stylo en raison de l'effet triboélectrique.

Comment l'effet triboélectrique se manifeste-t-il dans la pratique? Tout est extrêmement simple. Si vous frottez deux objets l'un contre l'autre, nous obtiendrons de l'électricité statique en raison de cet effet. Tout ce qui nous entoure est constitué d'atomes, au centre desquels se trouve un noyau chargé positivement entouré d'électrons. En raison de l'interaction interatomique, si l'attraction des atomes dans un objet est plus puissante, alors les électrons du second commencent à se déplacer vers le premier. Ainsi, un objet acquiert des électrons, et l'autre les perd, ce qui est l'occurrence de charges statiques.


Cette vidéo explique assez clairement le principe de l'effet triboélectrique et montre également l'expérience que vous pouvez répéter à la maison.

Naturellement, tous les matériaux ne sont pas identiques. Certains accumulent mieux une charge positive, d'autres négatifs. Par conséquent, les matériaux sujets à la manifestation de l'effet triboélectrique sont placés dans la série dite triboélectrique (du positif au négatif).

Mais l'effet triboélectrique n'est qu'une partie de l'étude. En plus de cela, un rôle important est joué par les nanogénérateurs - dispositifs capables de convertir l'énergie mécanique ou thermique en électricité. Le nanogénérateur à effet triboélectrique (TENG) n'est pas aussi ancien que l'expérience avec l'ambre Thales, et a été démontré pour la première fois en 2012.

La collecte d'énergie à l'aide de cet appareil miraculeux est une industrie très prometteuse, par conséquent, de nombreux groupes de recherche développent de nouvelles façons de mettre en œuvre cette technique. Imaginez: vous vous promenez dans la ville et votre téléphone se recharge à cause de vos mouvements. Cela semble très cool, mais il y a un certain nombre de problèmes que nous n'avons pas encore résolus, donc nous ne voyons même pas une variété de nanogénérateurs sur les étagères des magasins d'électronique pour tous les goûts.

Base d'étude

L'objectif principal de l'étude était d'identifier les propriétés et caractéristiques des nanogénérateurs en fonction de l'effet triboélectrique, ainsi que la justification théorique des problèmes de mise en œuvre d'une telle technologie.


Régime TENG.

Les chercheurs soulignent qu'au moins une surface triboélectrique non conductrice est présente dans le TENG, c'est pourquoi son impédance interne (impédance) est assez élevée. Et lorsque les couches triboélectriques se déplacent, elles peuvent augmenter encore plus. En conséquence, il est possible d'extraire efficacement la puissance requise de TENG via une charge externe uniquement en cas de résistance de charge élevée.

La grande majorité des appareils ne répondent pas à ces exigences, c'est pourquoi une part impressionnante de puissance potentiellement utile sera perdue, en raison de l'inadéquation de l'impédance.

Les scientifiques soutiennent que la compréhension des caractéristiques de la conversion d'énergie et de la transmission d'énergie basée sur les changements d'impédance est la base de l'amélioration des dispositifs TENG.

Architecture d'installation expérimentale

Il existe plusieurs mécanismes pour le fonctionnement des nanogénérateurs. Dans cette étude, un modèle de séparation par contact vertical a été utilisé.


Schéma des couches triboélectriques.

Dans le diagramme ci-dessus, nous voyons 2 couches TENG avec des charges positives et négatives. Chaque couche est constituée de plusieurs composants: une base In ₂ O ₃ / Ag / Au (sous-couche bleue), PET - polyéthylène téréphtalate (sous-couche orange) et PDMS (PDMS) - polydiméthylsiloxane (sous-couche verte). La taille des couches était de 50 x 50 mm et l'épaisseur était de 0,22 mm de la première et 0,2 mm de la deuxième couche.

La densité de charge triboélectrique était de 40,7 μC / m ^-2 (μC - microcoulomb). Et la constante diélectrique était égale à: 3,24ε ₀ pour la première couche et 3,3ε ₀ pour la seconde, où ε ₀ est la constante diélectrique de l'espace vide.


L'apparition de la configuration expérimentale.

L'installation montrée dans l'image ci-dessus se compose d'un moteur linéaire, d'une base mobile, d'isolateurs, de deux couches TENG, d'un capteur de charge et de connexions électriques.

Cette installation était située dans une pièce avec une température de 20˚C et une humidité relative de 55% (plus l'humidité est faible, meilleur est le transfert de charges, comme indiqué dans la vidéo). Le moteur a permis aux couches d'entrer en contact avec une certaine périodicité. Plus ces contacts (frottements) sont nombreux, plus l'indice de densité de charge est élevé. Au total, 3 000 couches ont été touchées dans cette expérience.

Analyse des résultats

Après les expériences, les scientifiques ont collecté toutes les données et, en les analysant, ont catégorisé un certain nombre de facteurs affectant le fonctionnement des appareils TENG:

• Mouvement: fréquence, amplitude et modes de mouvement avec ou sans contact;
• Appareil: propriétés des matériaux et dimensions de l'appareil TENG.

Et maintenant un peu plus sur chacun.

La fréquence



Le graphique ci-dessus ( a ) est une comparaison des indices de puissance de crête du modèle théorique DDEF (champ électrique dépendant de la distance) et de la théorie des couches TENG à différentes fréquences (de 0,1 Hz à 1000 Hz). À son tour, le graphique ( b ) montre une comparaison des données du modèle DDEF, la théorie des couches TENG plus les données expérimentales obtenues expérimentalement à une fréquence de 0,1 Hz à 10 Hz.

On voit clairement qu'avec l'augmentation de la fréquence, la puissance de sortie augmente également. Cependant, la fréquence réelle dans la pratique est limitée par la physiologie humaine (en d'autres termes, nous ne pouvons pas nous déplacer comme le diable de Tasmanie de Looney Tunes). Cependant, les chercheurs ne sont pas fâchés, car il existe un moyen de convertir les basses fréquences en fréquences plus élevées. Par exemple, un régulateur mécanique composé d'un ressort hélicoïdal, d'une transmission à engrenages, d'un mécanisme à came et d'un volant. Si simple, compte tenu des détails ci-dessus, l'appareil est capable de délivrer une fréquence de 50 Hz. (Les chercheurs citent le travail de Divij Bhatia, disponible en téléchargement ici ).

Il s'avère qu'il existe des moyens, simples et efficaces, d'augmenter la fréquence, et donc la puissance de sortie. Cependant, il convient de noter que la fréquence ne peut pas non plus être supérieure à un certain niveau (10 GHz), ce qui est associé aux pertes diélectriques qui se produisent à des fréquences élevées.

Amplitude

Afin de vérifier comment l'amplitude des mouvements affecte les indicateurs de puissance de sortie, le niveau de fréquence a été réglé à 1 Hz, en tant que constante, afin que ce paramètre n'affecte pas la mesure de l'influence de l'amplitude exclusive.



Deux graphiques sont présentés ci-dessus: résultats théoriques et expérimentaux. La tendance au début est similaire à une augmentation de la fréquence, c'est-à-dire que la puissance de sortie augmente avec une augmentation de l'amplitude. Cependant, lorsqu'un certain niveau (1 mm) est atteint, il commence à décliner. Ainsi, l'amplitude du mouvement est un facteur très instable. Plus précisément, il s'agit d'un paramètre avec une plage étroite, car avec une amplitude trop faible ou trop élevée, nous n'obtiendrons pas le résultat souhaité. Les scientifiques ont l'intention d'étudier plus en détail l'effet de l'amplitude sur la production d'énergie de sortie, ainsi que de trouver des moyens d'optimiser ce facteur.

Modes de conduite avec ou sans contact

Les couches triboélectriques devraient se toucher pendant les cycles de mouvement, non? Presque. Certains appareils fonctionnent en mode sans contact lorsqu'ils sont complètement chargés. Ainsi, il est nécessaire de vérifier comment la distance entre les couches affecte le résultat du dispositif TENG. Pendant le test, la fréquence était de 1 Hz, et l'amplitude était de 1 mm, là encore constantes, afin de ne pas gêner la vérification du paramètre requis.



Et encore une fois, nous observons deux graphiques (théorie et expérience). Il est logique que l'augmentation de l'écart entre les couches de la puissance de sortie commence à diminuer. Les valeurs sont passées de ≈430 à ≈150 nA (nanoampères) lorsque l'écart a atteint 500 μm. Dans ce cas, la résistance est passée de 1 GOhm (gigaohm) à une rupture de 0 à 5 GOhm à une rupture de 500 μm.

Et encore une fois, la dure réalité empêche les scientifiques de construire des châteaux de nuages. La conclusion est simple - la distance entre les couches TENG de travail est un paramètre critique. Plus précisément, l'absence d'espaces aériens entre eux. Il est clair que dans le processus de séparation, les couches «divergent» pour ainsi dire, mais il ne doit pas y avoir d'air entre elles. Ce problème peut être résolu, par exemple, en utilisant des polymères tels que le polydiméthylsiloxane dans l'architecture TENG.

En conclusion, on peut noter que l'amplitude et la fréquence ne doivent pas être supérieures au niveau limite, ainsi que la distance entre les couches, pour que le système fonctionne efficacement. Ce sont en fait des limitations assez fortes. Cependant, de nombreux groupes de recherche, dont celui-ci, s'efforcent de réduire l'impact de ces paramètres sur les performances des appareils TENG.

Passons maintenant à la définition des appareils eux-mêmes afin de profiter pleinement de tous les avantages de la technologie TENG. Pour un rôle important dans le fonctionnement de tout appareil est joué non seulement par des phénomènes physiques, mais aussi à partir de quoi et comment l'appareil est fabriqué. Comme on dit, peu importe combien vous lancez une lance en papier mâché, elle ne s'envolera pas au-delà d'une lance normale.

Propriétés du matériau

Rappelons-nous que la densité de charge triboélectrique dépend directement de plusieurs facteurs: les séries triboélectriques (plus les substances sont éloignées les unes des autres, mieux elles interagissent, cela est mentionné dans la vidéo ci-dessus), la structuration des surfaces triboélectriques, la zone de contact sous l'influence de la force appliquée, et les facteurs environnementaux .

Pour vérifier quoi et comment cela affecte quoi, le modèle DDEF a été utilisé avec un mouvement sinusoïdal (fréquence = 1 Hz, amplitude = 1 mm), tandis que les paramètres de l'appareil coïncident avec ceux de l'expérience pratique.

L'analyse des données montre que l'indice de puissance de sortie augmente avec l'augmentation de la densité de charge. Dans ce cas, l'impédance interne ne change pas lorsque la densité de charge change.

Mais les changements de paramètres environnementaux, tels que l'humidité, la température et la pression, affectent naturellement la densité de charge, ce qui rend cet indicateur instable. Si l'appareil fonctionne dans un environnement contrôlé, il est possible de maintenir la stabilité de cet indicateur. Bien sûr, c'est très triste, car dans la pratique, nous n'utiliserons nos appareils que dans certaines conditions. Par conséquent, ce moment a également été envoyé par des scientifiques pour plus de raffinement et de recherche.

Les scientifiques notent également que cette expérience théorique, bien qu'elle montre des relations vivantes, est extrêmement difficile à mettre en œuvre dans la pratique, car changer un paramètre matériel en réalité signifie remplacer le matériau lui-même, ce qui signifie changer toutes les autres propriétés.

Dimensions physiques

En ce qui concerne les appareils portables, nous comprenons que leurs composants doivent être aussi petits que possible (désolé pour le jeu de mots). Mais il y a une certaine limite, une ligne, après avoir franchi que l'on sacrifie l'efficacité au profit de la petite taille.



Les deux graphiques ci-dessus représentent les résultats de la mesure de la puissance de sortie lorsque l'épaisseur de la couche PDMS change (théorie à gauche et expérience à droite). Avec une augmentation de l'épaisseur du PDMS, l'indice de puissance de sortie diminue. Cette tendance théorique a été confirmée dans la pratique, comme on peut le voir si nous comparons les deux graphiques.

Un champ électrique avec une surface chargée de la couche TENG devrait s'étendre sur une plus grande distance lorsque l'épaisseur du PDMS est plus grande afin d'atteindre l'interface électrode-diélectrique, où l'induction des charges de sortie se produit. Cela conduit à un affaiblissement du champ électrique, ce qui entraîne par la suite une diminution de la puissance de sortie et une augmentation de l'impédance. Le principe "plus c'est mieux" n'est donc pas appliqué ici.



Lorsque vous changez la durée de la situation, c'est différent. La puissance de sortie augmente lorsque l'appareil est allongé, si vous comparez les chiffres ci-dessus avec une longueur de 50 mm et 1000 mm. C'est bien, car plus d'espace - plus de puissance. Cependant, pour les appareils compacts, que les appareils TENG visent essentiellement à charger, on pourrait difficilement les appeler tels s'ils avaient un mètre de longueur.

Les détails de l'étude (modèles théoriques, formules, calculs, etc.) peuvent être trouvés dans le rapport des scientifiques et dans d' autres continents .

Épilogue

Cette étude visait à décrire les caractéristiques, les facteurs d'influence importants et les caractéristiques des nanogénérateurs triboélectriques. Les chercheurs eux-mêmes disent que leur travail devrait aider dans les développements futurs des appareils TENG, car il indique clairement les avantages et les inconvénients de cette technologie. Et comme nous le voyons, beaucoup de travail reste à faire pour que nous arrêtions enfin de nous inquiéter que nos appareils portables soient déchargés lors d'une promenade.

L'énergie a toujours été une valeur pour l'humanité, quel que soit son type. Mais si auparavant nous venions de nettoyer ce que la planète nous donne, nous devons maintenant chercher des moyens de générer de l'énergie, ce qui est suffisant pour tout le monde. Il est seulement dommage que le fait que nous ayons simplement pratiquement épuisé les ressources naturelles soit devenu une incitation à entamer une telle recherche. Comme quelqu'un l'a dit (je ne me souviens plus de qui): Pourquoi ne pas tout partager entre tous? Mais parce qu'il y en a peu, mais beaucoup. Espérons qu'en matière d'énergie, cela changera tôt ou tard.

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