People-baterai: analisis teoritis nanogenerators berdasarkan efek triboelectric

Salah satu masalah paling mendesak di zaman kita adalah energi, atau lebih tepatnya kekurangannya. Sumber daya alam dari tanah habis seiring pertambahan populasi. Karena itu, orang beralih ke sumber energi terbarukan, yang penggunaannya dapat menyelesaikan krisis energi yang tak terhindarkan. Panas bumi, matahari, tenaga air - semua ini adalah sumber energi terbarukan, hampir tak terbatas (dalam skala kehidupan manusia). Tetapi ada sumber lain yang disebut penulis fiksi ilmiah daripada ilmuwan. Ini adalah pria itu sendiri. Tapi tidak ada yang akan menghubungkan banyak kabel ke tubuh manusia dan memasukkannya ke dalam kapsul dengan "jeli". Teori yang akan dibahas hari ini didasarkan pada eksploitasi efek triboelectric, yang akan memungkinkan seseorang menjadi sumber energi untuk perangkat yang dapat dipakai (jam tangan, telepon, dll.). Mari kita coba memahami apa inti dari penelitian ini. Ayo pergi.

Dasar teoretis

Seperti yang telah disebutkan, hanya beberapa baris yang lalu, efek triboelectric * adalah dasar dari studi teoritis ini.

Efek triboelectric * , dengan kata sederhana, adalah munculnya muatan listrik karena gesekan.

Keberadaan fenomena fisik ini dikenal di Yunani kuno. Thales of Miletus adalah penulis pengamatan triboelectricity dengan menggosok ambar dengan wol, karena yang pertama menerima kemampuan untuk menarik benda-benda kecil (rambut, kertas, dll). Selanjutnya, itu adalah versi Yunani dari kata "amber" (ἤλεκτρον - ēlektron) yang menjadi dasar untuk kata "listrik". Namun, pada masa itu mereka tidak tahu banyak tentang listrik, jenis dan propertinya. Berabad-abad telah berlalu sampai proses studi sistematis atas fenomena ini dimulai.


Prangko (1994, Yunani) dengan gambar Thales of Miletus and damar, menarik pena karena efek triboelectric.

Bagaimana efek triboelectric memanifestasikan dirinya dalam praktik? Semuanya sangat sederhana. Jika Anda menggosok dua benda satu sama lain, maka kita akan mendapatkan listrik statis karena efek ini. Segala sesuatu yang mengelilingi kita terdiri dari atom-atom, yang pusatnya adalah inti bermuatan positif yang dikelilingi oleh elektron. Karena interaksi interatomik, jika tarikan atom pada satu objek lebih kuat, maka elektron dari yang kedua mulai bergeser ke arah yang pertama. Dengan demikian, satu objek memperoleh elektron, dan yang lainnya kehilangan mereka, yang merupakan terjadinya muatan statis.


Video ini cukup jelas menjelaskan prinsip efek triboelectric, dan juga menunjukkan pengalaman yang bisa Anda ulangi di rumah.

Tentu, tidak semua bahan sama. Beberapa lebih baik mengumpulkan muatan positif, yang lain negatif. Oleh karena itu, bahan yang rentan terhadap manifestasi efek triboelectric ditempatkan dalam seri triboelectric yang disebut (dari positif ke negatif).

Tetapi efek triboelectric hanya bagian dari penelitian. Selain itu, peran penting dimainkan oleh nanogenerator - perangkat yang mampu mengubah energi mekanik atau termal menjadi listrik. Nanogenerator efek triboelectric (TENG) tidak setua pengalaman dengan Thales amber, dan pertama kali ditunjukkan pada 2012.

Pengumpulan energi menggunakan perangkat ajaib ini adalah industri yang sangat menjanjikan, oleh karena itu, banyak kelompok penelitian sedang mengembangkan cara-cara baru untuk menerapkan teknik ini. Bayangkan saja: Anda berjalan di sekitar kota, dan telepon Anda sedang diisi karena gerakan Anda. Kedengarannya sangat keren, tetapi ada sejumlah masalah yang belum kami temukan, jadi kami bahkan tidak melihat berbagai nanogenerator di rak-rak toko elektronik untuk setiap selera.

Dasar studi

Tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk mengidentifikasi sifat-sifat dan karakteristik nanogenerator berdasarkan efek triboelektrik, serta pembenaran teoretis dari masalah penerapan teknologi semacam itu.


Skema TENG.

Para peneliti menunjukkan bahwa setidaknya satu permukaan triboelektrik non-konduktif hadir di TENG, yang mengapa impedansi internal (impedans) cukup tinggi. Dan ketika lapisan triboelektrik bergerak, itu dapat meningkat lebih banyak lagi. Sebagai hasilnya, adalah mungkin untuk mengekstraksi daya yang dibutuhkan secara efektif dari TENG melalui beban eksternal hanya jika ada resistensi beban yang tinggi.

Sebagian besar perangkat tidak memenuhi persyaratan ini, itulah sebabnya bagian yang mengesankan dari daya potensial yang berguna akan hilang, karena ketidakcocokan impedansi.

Para ilmuwan berpendapat bahwa memahami karakteristik konversi energi dan transmisi daya berdasarkan perubahan impedansi adalah dasar untuk meningkatkan perangkat TENG.

Arsitektur Instalasi Eksperimental

Ada beberapa mekanisme untuk pengoperasian nanogenerators. Dalam penelitian ini, model pemisahan kontak vertikal digunakan.


Skema lapisan triboelektrik.

Dalam diagram di atas, kita melihat 2 lapisan TENG dengan muatan positif dan negatif. Setiap lapisan terdiri dari beberapa komponen: basis In ₂ O ₃ / Ag / Au (sublapisan biru), PET - polietilen tereftalat (sublapisan oranye) dan PDMS (PDMS) - polydimethylsiloxane (sublapisan hijau). Ukuran lapisan adalah 50 x 50 mm, dan ketebalan 0,22 mm dari lapisan pertama dan 0,2 mm dari lapisan kedua.

Kerapatan muatan triboelektrik adalah 40,7 μC / m ^-2 (μC - mikrokoulomb). Dan konstanta dielektrik sama dengan: 3.24ε ₀ untuk lapisan pertama dan 3.3ε ₀ untuk yang kedua, di mana ε ₀ adalah konstanta dielektrik ruang kosong.


Tampilan pengaturan eksperimental.

Instalasi yang ditunjukkan pada gambar di atas terdiri dari motor linier, basis bergerak, isolator, dua lapisan TENG, sensor beban, dan sambungan listrik.

Instalasi ini terletak di ruangan dengan suhu 20˚C dan kelembaban relatif 55% (semakin rendah kelembaban, semakin baik transfer biaya, seperti yang dinyatakan dalam video). Motor memungkinkan lapisan untuk bersentuhan dengan periodisitas tertentu. Semakin banyak kontak tersebut (gesekan), semakin tinggi indeks kerapatan muatan. Total 3.000 sentuhan lapisan dibuat dalam percobaan ini.

Analisis Hasil

Setelah percobaan, para ilmuwan mengumpulkan semua data dan, menganalisisnya, mengkategorikan sejumlah faktor yang mempengaruhi operasi perangkat TENG:

• Gerakan: frekuensi, mode amplitudo dan kontak / non-kontak dari gerakan;
• Perangkat: sifat material dan dimensi perangkat TENG.

Dan sekarang sedikit lebih banyak tentang masing-masing.

Frekuensi



Grafik di atas ( a ) adalah perbandingan indeks daya puncak model DDEF teoretis (medan listrik yang bergantung jarak) dan teori lapisan TENG pada frekuensi yang berbeda (dari 0,1 Hz hingga 1000 Hz). Pada gilirannya, grafik ( b ) menunjukkan perbandingan data model DDEF, teori lapisan TENG ditambah data eksperimental yang diperoleh secara eksperimental pada frekuensi 0,1 Hz hingga 10 Hz.

Terlihat jelas bahwa dengan meningkatnya frekuensi, daya output juga meningkat. Namun, frekuensi aktual dalam praktik dibatasi oleh fisiologi manusia (dengan kata lain, kita tidak bisa bergerak seperti setan Tasmania dari Looney Tunes). Namun, para peneliti tidak kesal, karena ada cara untuk mengubah frekuensi rendah ke frekuensi yang lebih tinggi. Misalnya, pengatur mekanis yang terdiri dari pegas koil, transmisi roda gigi, mekanisme cam, dan roda gila. Sederhananya, mengingat perincian di atas, perangkat ini mampu menghadirkan frekuensi 50 Hz. (Para peneliti mengutip karya Divij Bhatia, tersedia untuk diunduh di sini ).

Ternyata ada cara, sederhana dan efektif, untuk meningkatkan frekuensi, dan karenanya daya output. Namun, perlu dicatat bahwa frekuensi juga tidak bisa lebih besar dari level tertentu (10 GHz), yang dikaitkan dengan kerugian dielektrik yang terjadi pada frekuensi tinggi.

Amplitudo

Untuk memeriksa bagaimana amplitudo pergerakan mempengaruhi indikator daya output, level frekuensi ditetapkan ke 1 Hz, sebagai konstanta, sehingga parameter ini tidak mempengaruhi pengukuran pengaruh amplitudo eksklusif.



Dua grafik disajikan di atas: hasil teoretis dan eksperimental. Tren di awal mirip dengan peningkatan frekuensi, yaitu, daya output meningkat dengan peningkatan amplitudo. Namun, ketika level tertentu (1 mm) tercapai, ia mulai menurun. Dengan demikian, amplitudo gerak merupakan faktor yang sangat tidak stabil. Lebih tepatnya, ini adalah parameter dengan rentang sempit, karena dengan amplitudo terlalu rendah atau terlalu tinggi kita tidak akan mendapatkan hasil yang diinginkan. Para ilmuwan bermaksud untuk mempelajari lebih lanjut secara lebih rinci efek amplitudo pada pembangkit listrik output, serta menemukan cara untuk mengoptimalkan faktor ini.

Mode mengemudi kontak / non-kontak

Lapisan triboelektrik harus menyentuh selama siklus gerak, bukan? Hampir. Beberapa perangkat beroperasi dalam mode non-kontak ketika mereka terisi penuh. Dengan demikian, perlu untuk memeriksa bagaimana jarak antara lapisan mempengaruhi hasil perangkat TENG. Selama pengujian, frekuensinya adalah 1 Hz, dan amplitudo adalah 1 mm, lagi-lagi konstanta, sehingga tidak mengganggu verifikasi parameter yang diperlukan.



Dan kami mengamati dua grafik (teori dan eksperimen). Adalah logis bahwa peningkatan kesenjangan antara lapisan-lapisan daya keluaran mulai turun. Nilai jatuh dari 30430 ke ≈150 nA (nanoamperes) ketika jeda mencapai 500 μm. Dalam hal ini, resistansi meningkat dari 1 GOhm (gigaohm) pada break dari 0 hingga 5 GOhm pada break dari 500 μm.

Dan lagi, kenyataan pahit mencegah para ilmuwan membangun istana awan. Kesimpulannya sederhana - jarak antara lapisan TENG yang berfungsi adalah parameter kritis. Lebih tepatnya, tidak adanya ruang udara di antara mereka. Jelas bahwa dalam proses pemisahan lapisan "berbeda", sehingga untuk berbicara, tetapi seharusnya tidak ada udara di antara mereka. Masalah ini dapat diselesaikan, misalnya, dengan menggunakan polimer seperti polydimethylsiloxane dalam arsitektur TENG.

Sebagai kesimpulan, dapat dicatat bahwa amplitudo dan frekuensi tidak boleh lebih tinggi dari level batas, serta jarak antar lapisan, agar sistem dapat bekerja secara efisien. Sebenarnya ini adalah batasan yang cukup kuat. Namun, banyak kelompok penelitian, termasuk yang ini, bekerja untuk mengurangi dampak dari parameter ini pada kinerja perangkat TENG.

Sekarang mari kita beralih ke mempertimbangkan apa perangkat itu sendiri untuk mengambil keuntungan penuh dari semua manfaat teknologi TENG. Untuk peran penting dalam pengoperasian perangkat apa pun dimainkan tidak hanya oleh fenomena fisik, tetapi juga dari apa dan bagaimana perangkat dibuat. Seperti yang mereka katakan, tidak peduli berapa banyak Anda melemparkan tombak dari papier-mâché, itu tidak akan terbang jauh melampaui tombak normal.

Properti Bahan

Mari kita mengingatkan diri kita sendiri bahwa kerapatan muatan triboelektrik secara langsung tergantung pada beberapa faktor: deret triboelektrik (semakin jauh zat dari satu sama lain, semakin baik mereka berinteraksi, ini disebutkan dalam video di atas), penataan permukaan triboelektrik, area kontak di bawah pengaruh gaya yang diterapkan, dan faktor lingkungan. .

Untuk memeriksa apa dan bagaimana hal itu mempengaruhi apa, model DDEF digunakan dengan gerakan sinusoidal (frekuensi = 1 Hz, amplitudo = 1 mm), sedangkan parameter perangkat bertepatan dengan yang ada dalam percobaan praktis.

Analisis data menunjukkan bahwa indeks daya output meningkat dengan meningkatnya kepadatan muatan. Dalam hal ini, impedansi internal tidak berubah ketika densitas muatan berubah.

Tetapi perubahan dalam parameter lingkungan, seperti kelembaban, suhu dan tekanan, secara alami mempengaruhi kepadatan muatan, membuat indikator ini tidak stabil. Jika perangkat beroperasi di lingkungan yang terkendali, maka dimungkinkan untuk menjaga stabilitas indikator ini. Tentu saja, ini sangat menyedihkan, karena dalam praktiknya kita tidak akan menggunakan perangkat kita hanya dalam kondisi tertentu. Karena itu, momen ini juga dikirim oleh para ilmuwan untuk penyempurnaan dan penelitian lebih lanjut.

Para ilmuwan juga mencatat bahwa percobaan teoretis ini, meskipun menunjukkan hubungan yang jelas, sangat sulit untuk diterapkan dalam praktik, karena mengubah parameter material pada kenyataannya berarti mengganti material itu sendiri, yang berarti mengubah semua properti lainnya.

Dimensi fisik

Ketika datang ke perangkat portabel, kami memahami bahwa bagian-bagian komponen mereka harus sekecil mungkin (maaf untuk permainan kata-kata). Tetapi ada batas tertentu, satu garis, setelah menyeberang bahwa kita mengorbankan efisiensi demi ukuran kecil.



Dua grafik di atas mewakili hasil pengukuran daya keluaran ketika ketebalan lapisan PDMS berubah (teori di sebelah kiri dan percobaan di sebelah kanan). Dengan peningkatan ketebalan PDMS, indeks daya output menurun. Tren teoritis ini telah dikonfirmasi dalam praktiknya, seperti yang dapat dilihat jika kita membandingkan kedua grafik.

Medan listrik dengan permukaan bermuatan lapisan TENG harus meluas ke jarak yang lebih besar ketika ketebalan PDMS lebih besar untuk mencapai antarmuka elektroda-dielektrik, di mana terjadi induksi biaya output. Hal ini menyebabkan melemahnya medan listrik, yang kemudian mengarah pada penurunan daya output dan peningkatan impedansi. Jadi prinsip "semakin banyak semakin baik" tidak diterapkan di sini.



Ketika mengubah panjang situasi berbeda. Daya output meningkat ketika perangkat memanjang, jika Anda membandingkan angka di atas dengan panjang 50 mm dan 1000 mm. Ini bagus, karena lebih banyak area - lebih banyak kekuatan. Namun, untuk perangkat kompak, yang pada dasarnya ditujukan untuk mengisi daya perangkat TENG, hampir tidak bisa disebut demikian jika panjangnya satu meter.

Rincian penelitian (model teoretis, formula, perhitungan, dll.) Dapat ditemukan dalam laporan para ilmuwan dan di benua tambahan untuk itu.

Epilog

Penelitian ini bertujuan untuk menggambarkan karakteristik, faktor pengaruh penting dan fitur nanogenerator triboelectric. Para peneliti sendiri mengatakan bahwa pekerjaan mereka harus membantu dalam pengembangan perangkat TENG di masa depan, karena itu dengan jelas menunjukkan kelebihan dan kekurangan dari teknologi ini. Dan seperti yang kita lihat, masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan sehingga kita akhirnya berhenti khawatir bahwa perangkat yang dapat dikenakan kita akan habis saat berjalan.

Energi selalu menjadi nilai bagi kemanusiaan, terlepas dari jenisnya. Tetapi jika sebelumnya kita hanya membersihkan apa yang diberikan planet ini kepada kita, sekarang kita perlu mencari cara untuk menghasilkan energi, yang cukup untuk semua orang. Sangat disayangkan bahwa fakta bahwa kita secara praktis kehabisan sumber daya alam menjadi insentif untuk memulai pencarian semacam itu. Seperti yang dikatakan seseorang (saya tidak ingat siapa): Mengapa tidak berbagi segalanya di antara semua orang? Tetapi karena ada sedikit, tetapi banyak. Mari kita berharap bahwa dalam masalah energi ini akan berubah, cepat atau lambat.

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (pilihan tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga Desember secara gratis ketika membayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di sini .

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?