पीपल-बैटरियां: ट्राइबोइलेक्ट्रिक प्रभाव के आधार पर नैनोजेनरेटर्स का सैद्धांतिक विश्लेषण

हमारे समय की सबसे प्रमुख समस्याओं में से एक ऊर्जा है, या इसकी कमी है। जनसंख्या बढ़ने के साथ भूमि के प्राकृतिक संसाधनों का ह्रास होता है। इसलिए, लोगों ने अक्षय ऊर्जा स्रोतों की ओर रुख किया, जिनके उपयोग से अपरिहार्य ऊर्जा संकट को हल किया जा सकता है। भूतापीय, सौर, जल-विद्युत - ये सभी नवीकरणीय स्रोत हैं, लगभग असीमित (मानव जीवन के पैमाने पर) ऊर्जा। लेकिन एक और स्रोत है जिसे वैज्ञानिकों के बजाय विज्ञान कथा लेखक कहा जाता है। यह आदमी खुद है। लेकिन कोई भी मानव शरीर में तारों के एक गुच्छा को जोड़ने और "जेली" के साथ कैप्सूल में डालने वाला नहीं है। आज जिस सिद्धांत पर चर्चा की जाएगी, वह ट्राइबोइलेक्ट्रिक प्रभाव के शोषण पर आधारित है, जो किसी व्यक्ति को पहनने योग्य उपकरणों (घड़ियों, फोन आदि) के लिए ऊर्जा स्रोत बनने की अनुमति देगा। आइए जानने की कोशिश करें कि इस अध्ययन का सार क्या है। चलो चलते हैं।

सैद्धांतिक आधार

जैसा कि पहले ही उल्लेख किया गया है, कुछ ही समय पहले त्रिकोणीय प्रभाव * इस सैद्धांतिक अध्ययन का आधार है।

ट्राइबोइलेक्ट्रिक प्रभाव * , सरल शब्दों में, घर्षण के कारण विद्युत आवेशों की उपस्थिति है।

इस भौतिक घटना का अस्तित्व प्राचीन ग्रीस में जाना जाता था। थेल्स ऑफ मिलिटस ऊन के साथ एम्बर को रगड़कर ट्राइबोइलेक्ट्रिकता के अवलोकन का लेखक है, जिसके कारण पहले को छोटी वस्तुओं (बाल, कागज, आदि) को आकर्षित करने की क्षमता प्राप्त हुई। इसके बाद, यह शब्द "एम्बर" (εκτλορον - thatlektron) का ग्रीक संस्करण था, जिसने "बिजली" शब्द के आधार के रूप में कार्य किया। हालांकि, उन दिनों वे बिजली, इसके प्रकार और गुणों के बारे में बहुत कम जानते थे। इस घटना के व्यवस्थित अध्ययन की प्रक्रिया शुरू होने तक कई सदियां बीत गईं।


डाक टिकट (1994, ग्रीस) थेल्स ऑफ मिलेटस और एम्बर की छवि के साथ, एक त्रिकोणीय प्रभाव के कारण कलम को आकर्षित करना।

ट्राइबोइलेक्ट्रिक प्रभाव कैसे अभ्यास में प्रकट होता है? सब कुछ बेहद सरल है। यदि आप दो वस्तुओं को एक दूसरे के खिलाफ रगड़ते हैं, तो हमें इसके बहुत प्रभाव के कारण स्थैतिक बिजली मिलेगी। हमारे चारों ओर जो कुछ भी है, उसमें परमाणुओं का समावेश है, जिसके केंद्र में इलेक्ट्रॉनों से घिरा एक सकारात्मक रूप से चार्ज किया गया नाभिक है। अंतर-परमाणु संपर्क के कारण, यदि किसी वस्तु में परमाणुओं का आकर्षण अधिक शक्तिशाली है, तो दूसरे के इलेक्ट्रॉनों को पहले की ओर स्थानांतरित करना शुरू हो जाता है। इस प्रकार, एक वस्तु इलेक्ट्रॉनों का अधिग्रहण करती है, और दूसरा उन्हें खो देता है, जो स्थिर प्रभार की घटना है।


यह वीडियो स्पष्ट रूप से त्रिकोणीय प्रभाव के सिद्धांत की व्याख्या करता है, और यह भी अनुभव बताता है कि आप घर पर दोहरा सकते हैं।

स्वाभाविक रूप से, सभी सामग्री समान नहीं हैं। कुछ बेहतर सकारात्मक चार्ज जमा करते हैं, अन्य नकारात्मक। इसलिए, ट्राइबोइलेक्ट्रिक प्रभाव के प्रकट होने की संभावना वाली सामग्रियों को तथाकथित ट्राइबोइलेक्ट्रिक श्रृंखला (सकारात्मक से नकारात्मक तक) में रखा जाता है।

लेकिन triboelectric प्रभाव अध्ययन का केवल एक हिस्सा है। इसके अलावा, एक महत्वपूर्ण भूमिका नैनो - जेनरेटर द्वारा निभाई जाती है - यांत्रिक या थर्मल ऊर्जा को बिजली में परिवर्तित करने में सक्षम उपकरण। ट्राइबोइलेक्ट्रिक प्रभाव (TENG) नैनोजेनरेटर थेल्स एम्बर के साथ अनुभव के रूप में प्राचीन नहीं है, और पहली बार 2012 में प्रदर्शित किया गया था।

इस चमत्कारी उपकरण का उपयोग कर ऊर्जा का संग्रह बहुत ही आशाजनक उद्योग है, इसलिए, कई अनुसंधान समूह इस तकनीक को लागू करने के लिए नए तरीके विकसित कर रहे हैं। जरा कल्पना करें: आप शहर के चारों ओर घूम रहे हैं, और आपका फोन आपके आंदोलन के कारण चार्ज हो रहा है। यह बहुत अच्छा लगता है, लेकिन ऐसी कई समस्याएं हैं जिनका अभी तक हमें पता नहीं चला है, इसलिए हम हर स्वाद के लिए इलेक्ट्रॉनिक्स स्टोरों की अलमारियों पर विभिन्न प्रकार के नैनोगेनर भी नहीं देखते हैं।

अध्ययन का आधार

अध्ययन का मुख्य उद्देश्य ट्राइबोइलेक्ट्रिक प्रभाव के आधार पर नैनोगेनेरेटर के गुणों और विशेषताओं की पहचान करना था, साथ ही ऐसी तकनीक को लागू करने की समस्याओं का सैद्धांतिक औचित्य भी था।


TENG योजना।

शोधकर्ता बताते हैं कि TENG में कम से कम एक गैर-प्रवाहकीय त्रिविमीय सतह मौजूद है, यही वजह है कि इसका आंतरिक प्रतिबाधा (प्रतिबाधा) काफी अधिक है। और जब ट्राइबोइलेक्ट्रिक परतें चलती हैं, तो यह और भी अधिक बढ़ सकती है। नतीजतन, उच्च भार प्रतिरोध के मामले में केवल बाहरी लोड के माध्यम से TENG से आवश्यक शक्ति को प्रभावी रूप से निकालना संभव है।

अधिकांश उपकरण इन आवश्यकताओं को पूरा नहीं करते हैं, यही वजह है कि प्रतिबाधा के कारण संभावित उपयोगी शक्ति का एक प्रभावशाली हिस्सा खो जाएगा।

वैज्ञानिकों का तर्क है कि प्रतिबाधा में परिवर्तन के आधार पर ऊर्जा रूपांतरण और बिजली संचरण की विशेषताओं को समझना TENG उपकरणों में सुधार का आधार है।

प्रायोगिक स्थापना वास्तुकला

नैनोजेनरेटर्स के संचालन के लिए कई तंत्र हैं। इस अध्ययन में, एक ऊर्ध्वाधर संपर्क पृथक्करण मॉडल का उपयोग किया गया था।


ट्राइबोइलेक्ट्रिक परतों की योजना।

ऊपर दिए गए आरेख में, हम सकारात्मक और नकारात्मक आरोपों के साथ 2 TENG परतों को देखते हैं। प्रत्येक परत में कई घटक होते हैं: इन ₂ ओ ₃ / एजी / एयू (ब्लू सबलेयर), पीईटी - पॉलीइथाइलीन टेरेफ्थेलेट (नारंगी उपलेयर) और पीडीएमएस (पीडीएमएस) - पॉलीडिमिथाइलसॉक्सोक्सेन (ग्रीन सबलेयर) का एक आधार। परतों का आकार 50 x 50 मिमी था, और मोटाई पहले की 0.22 मिमी और दूसरी परत की 0.2 मिमी थी।

ट्राइबोइलेक्ट्रिक चार्ज घनत्व 40.7 μC / m ^-2 (μC - microcoulomb) था। और ढांकता हुआ निरंतर बराबर था: पहली परत के लिए 3.24 die ₀ और दूसरे के लिए 3.3 for ₀ , जहां where ₀ खाली स्थान का ढांकता हुआ निरंतर है।


प्रयोगात्मक सेटअप की उपस्थिति।

ऊपर दी गई तस्वीर में दिखाए गए इंस्टॉलेशन में एक लीनियर मोटर, एक मूविंग बेस, इंसुलेटर, दो TENG लेयर, एक लोड सेंसर और इलेक्ट्रिकल कनेक्शन शामिल हैं।

यह इंस्टॉलेशन 20 andC के तापमान और 55% के सापेक्ष आर्द्रता वाले कमरे में स्थित था (कम आर्द्रता, वीडियो में कहा गया, शुल्क का हस्तांतरण, बेहतर)। मोटर ने परतों को एक निश्चित आवधिकता के संपर्क में आने की अनुमति दी। अधिक ऐसे संपर्क (घर्षण), उच्च घनत्व घनत्व सूचकांक। इस प्रयोग में कुल 3,000 लेयर टच बनाए गए थे।

परिणाम विश्लेषण

प्रयोगों के बाद, वैज्ञानिकों ने सभी डेटा एकत्र किए और उनका विश्लेषण करते हुए TENG उपकरणों के संचालन को प्रभावित करने वाले कई कारकों को वर्गीकृत किया:

• आंदोलन: आवृत्ति, आयाम और संपर्क / आंदोलन के गैर-संपर्क मोड;
• डिवाइस: TENG डिवाइस के भौतिक गुण और आयाम।

और अब प्रत्येक के बारे में थोड़ा और।

आवृत्ति



ऊपर दिया गया ग्राफ़ ( ए ) सैद्धांतिक DDEF मॉडल (दूरी पर निर्भर विद्युत क्षेत्र) के शिखर शक्ति सूचकांकों और TENG परतों के सिद्धांत की तुलना विभिन्न आवृत्तियों पर (0.1 हर्ट्ज से 1000 हर्ट्ज तक) है। बदले में, ग्राफ ( b ) DDEF मॉडल के डेटा की तुलना दिखाता है, TENG लेयर्स का सिद्धांत और प्रयोगात्मक डेटा 0.1 Hz से 10 Hz की आवृत्ति पर प्रयोगात्मक रूप से प्राप्त होता है।

यह स्पष्ट रूप से देखा जाता है कि बढ़ती आवृत्ति के साथ, उत्पादन शक्ति भी बढ़ती है। हालांकि, व्यवहार में वास्तविक आवृत्ति मानव शरीर क्रिया विज्ञान द्वारा सीमित है (दूसरे शब्दों में, हम तूनीनी शैतान से लोनी ट्यून्स की तरह नहीं बढ़ सकते हैं)। हालांकि, शोधकर्ता परेशान नहीं हैं, क्योंकि कम आवृत्तियों को उच्चतर में बदलने का एक तरीका है। उदाहरण के लिए, एक यांत्रिक नियामक जिसमें एक कॉइल स्प्रिंग, एक गियर ट्रांसमिशन, एक कैम मैकेनिज्म और एक फ्लाईव्हील शामिल हैं। इतना सरल, उपरोक्त विवरण को देखते हुए, डिवाइस 50 हर्ट्ज की आवृत्ति देने में सक्षम है। (शोधकर्ता डिवाज भाटिया के काम का हवाला देते हैं, यहां डाउनलोड के लिए उपलब्ध है )।

यह पता चला है कि आवृत्ति बढ़ाने के तरीके, सरल और प्रभावी हैं, और इसलिए आउटपुट पावर। हालांकि, यह ध्यान देने योग्य है कि आवृत्ति भी एक निश्चित स्तर (10 गीगाहर्ट्ज) से अधिक नहीं हो सकती है, जो उच्च आवृत्तियों पर होने वाले ढांकता हुआ नुकसान से जुड़ा हुआ है।

आयाम

आंदोलनों के आयाम आउटपुट पावर संकेतकों को कैसे प्रभावित करते हैं, यह जांचने के लिए, आवृत्ति स्तर 1 हर्ट्ज पर एक स्थिर के रूप में सेट किया गया था, ताकि यह पैरामीटर विशेष रूप से आयाम के प्रभाव की माप को प्रभावित न करे।



दो रेखांकन ऊपर प्रस्तुत किए गए हैं: सैद्धांतिक परिणाम और प्रयोगात्मक। शुरुआत में प्रवृत्ति आवृत्ति में वृद्धि के समान है, अर्थात्, आउटपुट शक्ति आयाम में वृद्धि के साथ बढ़ जाती है। हालांकि, जब एक निश्चित स्तर (1 मिमी) तक पहुंच जाता है, तो यह गिरावट शुरू हो जाती है। इस प्रकार, गति का आयाम एक बहुत अस्थिर कारक है। अधिक सटीक रूप से, यह एक संकीर्ण सीमा के साथ एक पैरामीटर है, क्योंकि बहुत कम या बहुत अधिक आयाम के साथ हमें वांछित परिणाम नहीं मिलेगा। वैज्ञानिक आगे विस्तार से अध्ययन करने का इरादा रखते हैं ताकि उत्पादन बिजली उत्पादन पर आयाम के प्रभाव के साथ-साथ इस कारक को अनुकूलित करने के तरीके मिल सकें।

संपर्क / गैर-संपर्क ड्राइविंग मोड

मोशन साइकिल के दौरान ट्राइबोइलेक्ट्रिक परतों को छूना चाहिए, है ना? लगभग। कुछ डिवाइस गैर-संपर्क मोड में काम करते हैं जब वे पूरी तरह से चार्ज हो जाते हैं। इस प्रकार, यह जांचना आवश्यक है कि परतों के बीच की दूरी TENG डिवाइस के परिणाम को कैसे प्रभावित करती है। परीक्षण के दौरान, आवृत्ति 1 हर्ट्ज थी, और आयाम 1 मिमी, फिर से स्थिरांक था, ताकि आवश्यक पैरामीटर के सत्यापन में हस्तक्षेप न करें।



और फिर से हम दो रेखांकन (सिद्धांत और प्रयोग) का निरीक्षण करते हैं। यह तर्कसंगत है कि आउटपुट पावर की परतों के बीच की खाई में वृद्धि शुरू होती है। मान m430 से ≈150 एनए (नैनोमीटर) तक गिर गया, जब अंतर 500 माइक्रोन तक पहुंच गया। इस मामले में, प्रतिरोध 500 ग्राम के ब्रेक पर 0 से 5 GOhm के ब्रेक पर 1 GOhm (gigaohm) से बढ़ा।

और फिर, कठोर वास्तविकता वैज्ञानिकों को बादल महल बनाने से रोकती है। निष्कर्ष सरल है - कार्यशील TENG परतों के बीच की दूरी एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है। अधिक सटीक रूप से, उनके बीच वायु रिक्त स्थान की अनुपस्थिति। यह स्पष्ट है कि परतों को अलग करने की प्रक्रिया में "डायवर्ज" होता है, इसलिए बोलने के लिए, लेकिन उनके बीच हवा नहीं होनी चाहिए। इस समस्या को हल किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, TENG आर्किटेक्चर में polydimethylsiloxane जैसे पॉलिमर का उपयोग करके।

निष्कर्ष में, यह ध्यान दिया जा सकता है कि आयाम और आवृत्ति सीमा स्तर से अधिक नहीं होनी चाहिए, साथ ही सिस्टम के कुशलतापूर्वक काम करने के लिए, परतों के बीच की दूरी। ये वास्तव में बहुत मजबूत सीमाएँ हैं। हालांकि, यह एक सहित कई शोध समूह, TENG उपकरणों के प्रदर्शन पर इन मापदंडों के प्रभाव को कम करने के लिए काम कर रहे हैं।

अब चलो इस बात पर विचार करते हैं कि TENG प्रौद्योगिकी के सभी लाभों का पूरा लाभ उठाने के लिए उपकरणों को स्वयं क्या होना चाहिए। किसी भी उपकरण के संचालन में एक महत्वपूर्ण भूमिका के लिए न केवल भौतिक घटनाओं द्वारा खेला जाता है, बल्कि यह भी बताया जाता है कि डिवाइस क्या और कैसे बनाया गया है। जैसा कि वे कहते हैं, चाहे आप पपीयर-मैचे से कितना भाला फेंकें, यह एक सामान्य भाले से परे नहीं उड़ जाएगा।

सामग्री के गुण

हम खुद को याद दिलाते हैं कि ट्राइबोइलेक्ट्रिक चार्ज घनत्व सीधे कई कारकों पर निर्भर करता है: ट्राइबोइलेक्ट्रिक सीरीज़ (पदार्थ एक दूसरे से दूर होते हैं, बेहतर बातचीत करते हैं, यह ऊपर दिए गए वीडियो में उल्लिखित है), ट्राइबोइलेक्ट्रिक सतहों की संरचना, लागू बल के प्रभाव के तहत संपर्क क्षेत्र, और पर्यावरणीय कारक ।

यह जांचने के लिए कि यह क्या और कैसे प्रभावित करता है, DDEF मॉडल का उपयोग साइनसोइडल मोशन (आवृत्ति = 1 हर्ट्ज, आयाम = 1 मिमी) के साथ किया गया था, जबकि डिवाइस पैरामीटर व्यावहारिक प्रयोग में उन लोगों के साथ मेल खाते हैं।

डेटा विश्लेषण से पता चलता है कि चार्ज घनत्व बढ़ने के साथ आउटपुट पावर इंडेक्स बढ़ता है। इस मामले में, आंतरिक घनत्व तब नहीं बदलता है जब चार्ज घनत्व में परिवर्तन होता है।

लेकिन आर्द्रता, तापमान और दबाव जैसे पर्यावरणीय मापदंडों में बदलाव, स्वाभाविक रूप से चार्ज घनत्व को प्रभावित करते हैं, जिससे यह संकेतक अस्थिर हो जाता है। यदि उपकरण एक नियंत्रित वातावरण में संचालित होता है, तो इस सूचक की स्थिरता को बनाए रखना संभव है। बेशक, यह बहुत दुखद है, क्योंकि व्यवहार में हम केवल कुछ स्थितियों में अपने उपकरणों का उपयोग नहीं करेंगे। इसलिए, इस क्षण को वैज्ञानिकों द्वारा आगे शोधन और अनुसंधान के लिए भी भेजा गया था।

वैज्ञानिकों ने यह भी ध्यान दिया कि यह सैद्धांतिक प्रयोग, हालांकि यह ज्वलंत रिश्तों को दर्शाता है, व्यवहार में लागू करना बेहद मुश्किल है, क्योंकि वास्तविकता में एक भौतिक पैरामीटर को बदलने का मतलब है कि सामग्री को स्वयं प्रतिस्थापित करना, जिसका अर्थ है अन्य सभी गुणों को बदलना।

भौतिक आयाम

जब पोर्टेबल उपकरणों की बात आती है, तो हम समझते हैं कि उनके घटक भागों को यथासंभव छोटा होना चाहिए (सजा के लिए खेद है)। लेकिन एक निश्चित सीमा है, एक रेखा, जिसे पार करते हुए हम छोटे आकार के लिए दक्षता का त्याग करते हैं।



ऊपर दिए गए दो रेखांकन आउटपुट पावर को मापने के परिणामों का प्रतिनिधित्व करते हैं जब पीडीएमएस परत की मोटाई बदलती है (बाईं ओर सिद्धांत और दाईं ओर प्रयोग करें)। पीडीएमएस मोटाई में वृद्धि के साथ, आउटपुट पावर इंडेक्स कम हो जाता है। व्यवहार में इस सैद्धांतिक प्रवृत्ति की पुष्टि की गई है, जैसा कि देखा जा सकता है कि हम दोनों ग्राफ की तुलना करते हैं।

TENG परत की आवेशित सतह वाला एक विद्युत क्षेत्र इलेक्ट्रोड-डाइइलेक्ट्रिक इंटरफेस तक पहुंचने के लिए PDMS की मोटाई अधिक होने पर अधिक दूरी तक विस्तार करना चाहिए, जहां आउटपुट चार्ज का प्रेरण होता है। यह विद्युत क्षेत्र को कमजोर करने की ओर जाता है, जो बाद में उत्पादन शक्ति में कमी और प्रतिबाधा में वृद्धि की ओर जाता है। तो सिद्धांत "अधिक बेहतर" यहां लागू नहीं होता है।



स्थिति की लंबाई बदलते समय अलग है। डिवाइस के लम्बी होने पर आउटपुट पावर बढ़ जाती है, यदि आप ऊपर दिए गए आंकड़ों की तुलना 50 मिमी और 1000 मिमी की लंबाई के साथ करते हैं। यह अच्छा है, क्योंकि अधिक क्षेत्र - अधिक शक्ति। हालांकि, कॉम्पैक्ट उपकरणों के लिए, जो TENG उपकरणों को मूल रूप से चार्ज करने के उद्देश्य से हैं, यह शायद ही ऐसा कहा जा सकता है यदि वे लंबाई में मीटर थे।

अध्ययन का विवरण (सैद्धांतिक मॉडल, सूत्र, गणना, आदि) वैज्ञानिकों की रिपोर्ट में और इसके लिए अतिरिक्त महाद्वीपों में पाया जा सकता है।

उपसंहार

यह अध्ययन triboelectric nanogenerators की विशेषताओं, महत्वपूर्ण प्रभाव कारकों और विशेषताओं का वर्णन करने के उद्देश्य से किया गया था। शोधकर्ताओं ने खुद कहा कि उनके काम को TENG उपकरणों के भविष्य के विकास में मदद करनी चाहिए, क्योंकि यह स्पष्ट रूप से इस तकनीक के फायदे और नुकसान का संकेत देता है। और जैसा कि हम देखते हैं, बहुत सारे काम किए जाने बाकी हैं ताकि हम अंत में यह चिंता करना छोड़ दें कि हमारे पहनने योग्य उपकरणों को सैर के दौरान छुट्टी दे दी जाएगी।

ऊर्जा हमेशा मानवता के लिए एक मूल्य रही है, इसके प्रकार की परवाह किए बिना। लेकिन अगर पहले हम सिर्फ सफाई करते हैं कि ग्रह हमें क्या देता है, अब हमें ऊर्जा उत्पन्न करने के तरीकों की तलाश करने की आवश्यकता है, जो सभी के लिए पर्याप्त है। यह केवल एक अफ़सोस की बात है कि इस तरह की खोज को शुरू करने के लिए हम वास्तव में व्यावहारिक रूप से समाप्त हो चुके प्राकृतिक संसाधनों को प्रोत्साहित कर रहे हैं। जैसा कि किसी ने कहा (मुझे याद नहीं है कि कौन है): सभी के बीच सब कुछ साझा क्यों नहीं? लेकिन क्योंकि वहाँ कुछ है, लेकिन कई हैं। चलो आशा करते हैं कि ऊर्जा के मामलों में यह जल्द ही या बाद में बदल जाएगा।

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