توصيفگر ها :
برداشت انرژي , نانوژنراتور ترايبوالكتريك , انرژي آبي , منسوجات الكترونيك , الكتريسيته دار شدن تماسي , پارچهي رسانا , Energy harvesting , Triboelectric Nanogenerator , Electronic Textile , Triboelectrification , Blue Energy , Conductive Fabric
چكيده فارسي :
برداشت كننده‌ي انرژي مبتني بر قطره‌ي آب يك فناوري درحال رشد براي برداشت انرژي از منابع آبي است. اين نوع از برداشت كنندههاي انرژي، انرژي مكانيكي را از قطرات آب به طور مؤثر برداشت مي‌كنند. چنين افزارهايي به‌عنوان وسايل خود تغذيه شونده در كاربردهاي مختلف، مانند نظارت بر محيط‌زيست، كشاورزي هوشمند، و لوازم الكترونيكي پوشيدني، توجه زيادي به خود جلب كرده‌اند. عملكرد نانوژنراتورهاي ترايبوالكتريك (TENG) بر اساس فرايند الكتريسيته دار شدن تماسي است، به‌گونه‌اي كه در اثر تماس قطره‌ي آب با ماده‌ي ترايبوالكتريك، يك اختلاف پتانسيل بين دو الكترود موجود در ساختار ايجاد مي‌شود. انواع TENGهاي مبتني بر قطرات آب وجود دارد كه در اين پژوهش حالت الهام گرفته از ترانزيستورهاي اثر ميدان مورد بررسي قرار گرفته است. هدف اين پژوهش معرفي نوع جديدي از برداشت كنندههاي انرژي بر اساس اثر ترايبوالكتريك از قطرات باران مبتني بر نساجي و بررسي عملكرد و متغيرهاي مربوط به آن است. اجزاء اين برداشت كننده‌ي انرژي چسب آلومينيوم، پارچهي تاري-پودي نقره (رسانا) و فيلم اتيلن پروبيلن فلوئوردار (FEP) به ترتيب به‌عنوان الكترود بالايي، الكترود پاييني و ماده‌ي ترايبوالكتريك ساختار است. همچنين تأثير عوامل مختلف مانند مشخصات مربوط به قطره، ساختار پارچهي رسانا (طرح بافت و تراكم پودي) و ديگر عوامل و شرايط محيطي و ساختاري بر عملكرد خروجي TENG مورد بحث قرار مي‌گيرد. با توجه به متغيرهاي بررسي شده، نتايج نشان داد كه زاويه سطح، ارتفاع، عرض الكترود بالايي، فركانس و حجم قطره تأثير قابل‌توجهي بر ولتاژ خروجي دستگاه دارد. مقادير بهينه‌ي اين پارامترها براي ساختار معرفي شده در اين پژوهش به ترتيب 30 درجه، 30 سانتي‌متر، 4 ميلي‌متر، 5/14 هرتز و 54 ميكروليتر تعيين شد. علاوه بر اين، با تكميل سطح فيلم FEP و بهبود خواص آبگريزي آن، مشكل گسستگي قطرات و باقي ماندن آن‌ها بر سطح را مي‌توان كاهش داد، بنابراين TENG خروجي پايداري حتي در فركانس‌هاي بالاتر قطرات آب خواهد داشت. اين مطالعه همچنين تأثير ساختار الكترود پاييني را بر عملكرد برداشت كننده انرژي مورد بررسي قرار داده است. سه نوع پارچهي رساناي تاري-پودي با طرح‌هاي تافته و سرژه 3/1 با دو تراكم پودي 18 و 22 بر سانتي‌متر براي طرح تافته و 26 بر سانتي‌متر براي طرح سرژه 3/1 توليد شد. با توجه به مطالعات انجام شده، براي بهبود عملكرد TENG، الكترود پاييني بايد مقاومت كمتري در برابر تبادل بار داشته باشد. مقاومت الكتريكي سطحي پارچه‌هاي رسانا اندازه‌گيري شد و تفاوت چنداني از اين نقطه نظر نداشتند. از طرف ديگر در اثر عبور قطره بر سطح فيلم FEP و الكتريسيته دار شدن تماسي، بين فيلم و پارچهي رسانا القاي الكترواستاتيك رخ مي‌دهد؛ بنابراين ميزان تماس آن‌ها با فيلم FEP اهميت ويژه‌اي پيدا مي‌كند كه نتايج بررسي آن نشان داد پارچهي رسانا با طرح بافت تافته و تراكم پودي 18 بالاترين ميزان ولتاژ خروجي را با اختلاف 67/11 درصدي بين اين سه پارچه داشته است. براي بررسي محل برخورد قطره با سطح TENG نسبت به الكترود بالايي، سه موقعيت دور، نزديك و ميان‌راه در نظر گرفته شد. موقعيت ميان‌راه به دليل تماس مؤثر يا سطح فيلم FEP و الكترود بالايي بهترين خروجي را داشت. مقاومت بار معادل بهينه براي اين ساختار 16/9 مگااهم است كه توان الكتريكي در اين مقاومت 64/21 ميلي‌وات به دست آمد. به‌ازاي ريزش هر قطره هم‌زمان 12 LED آبي رنگ روشن شد و براي اين حالت ميزان انرژي توليد شده در هر برخورد قطره معادل 5/0 ميكرو ژول بوده است.
چكيده انگليسي :
[2:12 PM] Zahra Shahbaz
Water droplet-based triboelectric nanogenerators (TENGs) have emerged as a promising technology for harvesting energy from ambient water sources. They are devices that can harvest mechanical energy from water droplets. They have attracted great interest as self-powered electronics for various applications, such as environmental monitoring, smart agriculture, and wearable electronics. These TENGs are based on the process of contact electrification, where a potential difference is generated between the electrodes of structure as the water droplet charged positively by contacting to the triboelectric material. There are different types of water droplet TENGs, including single-electrode TENGs, bi-electrode freestanding mode TENGs, and transistor-inspired ones which the last one was investigated in this work. In this research, a textile-based rain drop triboelectric nanogenerator was designed, fabricated, and investigated. The components of the structure are aluminum tape as the top electrode, conductive fabric woven with silver-coated yarns as rear electrode, and fluorinated ethylene propylene (FEP) film as the triboelectric layer. The content of this thesis is as follows: First, working principle and performance parameters of droplet-based TENG are introduced. Next, effects of various factors such as droplet properties, electrode material, fabric parameters (weft density and weave design), device structure, and environmental conditions on the output performance are discussed. Finally, we highlight the current challenges and future opportunities for the development of droplet-based TENGs. Regarding to investigated variables, the results showed that the tilt angle, height, top electrode’s width, frequency, and volume of the droplet had significant impacts on the output voltage of the device. Moreover, by treating the surface of FEP film and improving the contact angle of the device, the problem of droplet breakup and residue could be minimized, so TENG has a stable output even in higher frequencies of water droplets. This study also examined the influence of the rear electrode structure on the performance of the energy harvester. Three types of fabrics woven with silver-coated yarns, with different weave designs of plain in two weft densities were investigated. Optimal equivalent resistance was obtained 9.16 MΩ, which produces 21.64 mW of electric power under this condition: drop frequency, surface angle, and height were 14.5 Hz, 40 degrees, and 60 cm, respectively, and the FEP film surface was not super-hydrophobic, and the rear electrode was plain conductive fabric with weft density of 18 cm-1. Each drop could light up 12 blue LEDs simultaneously. The energy generated in this case was 0.5 µJ for each impinging droplet.
