توصيفگر ها :
نانو ژنراتور ترايبوالكتريك , نانو الياف كامپوزيتي , الكترود , نخ مغزي غلاف نانو ليفي , نايلون , نانو ذرات اكسيد روي
چكيده فارسي :
بحران‌هاي انرژي و زيست‌محيطي در سال‌هاي اخير، حركت به سمت انرژي‌هاي پاك، تجديدپذير و پايدار در مقياس و كاربردهاي گوناگون را به امري اجتناب‌ناپذير تبديل نموده است. در حال حاضر باتري‌ها متداول‌ترين ابزار براي تأمين انرژي مورد نياز اين نوع سامانه‌ها هستند. عمر محدود، لزوم دسترسي جهت تعويض، ابعاد بزرگ، وزن بالا و صدمه‌هاي زيست‌محيطي ناشي از دفع آن‌ها از مشكلات بزرگ باتري‌ها به شمار مي‌روند. استفاده از نانو ژنراتورها يك راه‌حل جديد براي حل بحران انرژي است كه از مزاياي آن‌ها مي¬توان به سبك‌وزن بودن و طراحي مقرون‌به‌صرفه اشاره نمود.هدف از پژوهش حاضر، ساخت و توسعه‌ي نانو ژنراتور تريبوالكتريك (TENG) دو الكترودي به‌منظور تبديل انرژي مكانيكي به انرژي الكتريكي است. بدين منظور با در نظر گرفتن پارامترها و عوامل مؤثر در توان خروجي سيستم، انتخاب موادي همچون لايه‌ي پلي تترا فلوئورواتيلن (PTFE) و پارچه بافته‌شده از نخ‌هاي نايلون پوشش داده شده با نانوذرات اكسيد روي (ZnO) به‌عنوان لايه‌هاي تريبوالكتريك پيشنهاد گرديد. جهت بهبود خواص تريبوالكتريك، فرايندهاي اصلاح‌سازي شامل پوشش‌دهي با نانوذرات اكسيد روي و ايجاد زبري‌هاي متفاوت بر روي سطوح PTFE انجام شد. در اين راستا ابتدا نانو الياف كامپوزيتي نايلون/اكسيد روي بر روي نخ فيلامنت كربن پوشش داده شد. از نخ تهيه شده به‌عنوان نخ پود براي بافت پارچه‌ي تاري پودي كه نخ تار آن از نايلون است، استفاده شد. سپس، پارچه‌ي تهيه شده به‌عنوان يكي از الكترودها استفاده شد و الكترود ديگر از ورق‌هاي PTFE باضخامت‌ها و زبري‌هاي متفاوت انتخاب‌شد. نايلون و PTFE با توجه به سري تريبوالكتريك، مستعد ايجاد اختلاف‌پتانسيل الكتريكي بالايي هستند. سپس تأثير درصد نانو ذرات اكسيد روي، فركانس ضربه، ضخامت لايه‌ها و مورفولوژي سطح بر روي ولتاژ و جريان خروجي، بررسي شد. نتايج به‌دست‌آمده نشان داد كه خروجي با افزايش درصد نانو ذرات اكسيد روي تا مقدار بهينه افزايش و پس‌ازآن كاهش يافت. همچنين خروجي با افزايش زبري سطح، افزايش و با افزايش ضخامت لايه‌ها، كاهش يافت. درنهايت با افزايش فركانس، پارامترهاي خروجي افزايش يافتند. بهترين نمونه‌ي ساخته شده باضخامت 5 درصد نانو ذرات اكسيد روي و فركانس 10 هرتز با ورق PTFE باضخامت 2 ميلي‌متر و زبري متوسط 5 ميكرون حاصل شد كه ولتاژي حدود 200 ولت و جريان 14 ميكرو آمپر با توان حداكثر 1687 ميلي وات در مترمربع (معادل 7/2 ميلي وات در خروجي) ايجاد نمود. با خروجي حاصل، تعداد 27 لامپ LED 2/3 ولتي روشن خواهد شد.
كلمات كليدي: نانو ژنراتور ترايبوالكتريك، نانو الياف كامپوزيتي، الكترود، نخ مغزي غلاف نانو ليفي، نايلون، نانو ذرات اكسيد روي.
چكيده انگليسي :
Energy and environmental crises in recent years have made it inevitable to move towards clean, renewable and sustainable energy in various scales and applications. At present, batteries are the most common equipment to supply the energy required for these types of systems. Limited life, the need for access for replacement, large dimensions and high weight, and environmental damage caused by their disposal are among the major problems of batteries. The use of nanogenerators would be a new solution to solve the energy crisis, whose advantages include light weight and cost-effective design.
The purpose of this research is the construction and development of a two-electrode triboelectric nanogenerator in order to convert mechanical energy into electrical energy. For this purpose, considering the parameters and effective factors in the output power of the system, it is suggested to choose materials such as PTFE layer and fabric woven from nylon threads coated with ZnO nanoparticles as triboelectric layers. In order to improve triboelectric properties, modification processes including coating with zinc oxide nanoparticles and creating different roughnesses on PTFE surfaces were carried out. In this regard, nylon/zinc oxide composite nanofibers (ZnO) were coated on carbon filament yarn. This thread was used as a weft thread for the weave of the weft fabric whose warp thread is made of nylon. This fabric was used as one of the electrodes and the other electrode, PTFE sheets with different thicknesses and roughness were selected. According to the triboelectric series, nylon and PTFE are prone to create a high electric potential difference. And then the effect of the percentage of zinc oxide nanoparticles (ZnO), impact frequency, layer thickness and surface morphology on output voltage and current was investigated. The obtained results showed that by increasing the percentage of zinc oxide nanoparticles, the output increased to the optimum value, and then the output decreased. It is also increased by increasing the output surface roughness. But with the increase in the thickness of the layers, the output has decreased, and finally, with the increase in frequency, the output parameters have increased. The best sample made with a thickness of 5% of zinc oxide nanoparticles and a frequency of 10 Hz was obtained with a PTFE sheet with a thickness of 2 mm and an average roughness of 5 µm (m) with a voltage of about 400 (v) and a current of 14 (μA) with a maximum power of 1687 µw/m2. (Equivalent to 2.7µw/m2 in output). With this output, 27 LED lamps (2.3 (v)) were lit.
Keywords: triboelectric nanogenerator-composite nanofiber-electrod- core-sheath nanofiber yarn- nylon66- zinc oxide nanoparticles.
