Профессор Технологического института Джорджии Чжун Линь Ван использует трибоэлектрический эффект для получения электроэнергии, потерев два различных материала вместе. Он считает, что открытие может открыть новый путь в производстве энергии для мобильных устройств, таких как датчики и смартфоны, захватив иначе впустую механическую энергию от таких источников, как ходьба, вибрации, океанских волн или даже автомобилей, едущих по дороге.
Помимо выработки электроэнергии, технология может также обеспечить автономным питанием датчики, что позволяет обнаруживать вибрации, движение, утечки воды, взрывы - или даже капли дождя.
Исследования были поддержаны различными спонсорами, в том числе Национального научного фонда; Министерства энергетики США;, Национального института материалов в Японии, корейская корпорация Samsung и Китайской академии наук. Исследование было сообщено в журналах, включая ACS Nano , перспективных материалов , Angewandte Chemie , энергетики и экологии наук , Nano энергетики и Nano Letters . "Мы в состоянии поставить небольшое количество портативного устройства для современных мобильных и сенсорных приложений", сказал Ван, профессор Риджентс в Школе Технологии Джорджии. "Это открывает новый источник энергии, собирая энергию от всех видов работы."
В своей простейшей форме, трибоэлектрический генератор использует два листа разнородных материалов, один донор электронов, с другой акцептора электронов. Когда материалы находятся в контакте, поток электронов из одного материала на другой. Если листы затем отделяют, один лист имеет электрический заряд, изолированного по зазор между ними. Если электрическая нагрузка затем соединяется с двумя электродами, расположенными на внешних краев двух поверхностей, малый ток будет течь к выравниванию зарядов.
Непрерывно повторяя процесс, переменный ток может быть произведено. В одном из вариантов метода, материалы, наиболее часто - недорогие гибкие полимеры - производить ток, если они потер вместе перед разделением. Генераторы, производящие постоянного тока также были построены.
"Тот факт, что электрический заряд может быть получен через трением хорошо известно", пояснил Ван. "То, что мы ввели это техника разделения разрыв, который создает падение напряжения, что приводит к тока в внешней нагрузки, что позволяет заряд, который будет использоваться. Этот генератор может конвертировать случайное механическую энергию из окружающей среды в электрическую энергию."
С момента их первой публикации по исследованию, Ван и его исследовательская группа увеличили выходную мощность плотность их трибоэлектрического генератора с коэффициентом 100000 - сообщает, что квадратный метр однослойного материала теперь может производить столько, сколько 300 ватт. Они обнаружили, что плотность мощности объем достигает более 400 киловатт на кубический метр при КПД более 50 процентов. Исследователи расширили спектр методов энергии сбора из «рубашки силовых", содержащих очаги генерирующей материала стельки для обуви, свистки, педали, коврики, рюкзаки и плавает подпрыгивая на океанских волн.
Они научились увеличивать выходную мощность путем применения микронных шаблоны для полимерных листов. Структурирование эффективно увеличивает площадь контакта и тем самым повышает эффективность переноса заряда.
Ван с его командой случайно обнаружил у энергоблока потенциал трибоэлектрического эффекта во время работы на пьезоэлектрических генераторов, которые используют другую технологию. Выход из одного пьезоэлектрического устройства была намного больше, чем ожидалось, и причиной более высокой производительности была неправильная сборка, которая позволила две полимерные поверхности тереться друг о друга. Шесть месяцев развития привело к первому журнала бумаги на трибоэлектрического генератора в 2012 году.
"Когда два материала находятся в физическом контакте, происходит трение", говорит Ван. "Когда они раздвигаются, существует дистанция разрыв создан. Для выравнивания оплата услуг местной телефонной, электроны имеют течь. Мы получаем удивительно высокое напряжение и ток от этого. По состоянию на сейчас, мы обнаружили четыре основных режима трибоэлектрических генераторов ".
С момента своего первоначального реализации возможностей для этого эффекта, команда Ван расширила приложений. Они теперь могут производить ток от контакта между водой - морской воды, водопроводной воды и даже дистиллированной воды - и узорной поверхности полимера. Их последний документ, опубликованный в журнале ACS Nano , в ноябре, описывал сбор энергии от сенсорной панели портативного компьютера.
Они в настоящее время используют широкий спектр материалов, в том числе полимеров, тканей и даже бумаги. В материалы недороги и могут включать такие источники, как переработанных бутылок напитка. Генераторы могут быть изготовлены из почти-прозрачных полимеров, что позволяет использовать их в сенсорных панелей и экранов.
Помимо его использования в качестве источника питания, Ван также использует трибоэлектрический эффект для зондирования без внешнего источника питания. Поскольку генераторы производят ток, когда они возмущается, они могут быть использованы для измерения изменений в расходах, резкое движение, или даже падающих капель дождя.
"Если механическое усилие прикладывается к этих генераторов, они будут производить электрический ток и напряжение," сказал он. "Мы можем измерить, что ток и напряжение в виде электрических сигналов, чтобы определить степень механического перемешивания. Такие датчики могут быть использованы для мониторинга в пробке, безопасности, экологии, здравоохранения и инфраструктуры приложений."
В будущем, Ван и его план научно-исследовательская группа, чтобы продолжить обучение генераторы и датчики, чтобы улучшить их производительность и чувствительность. Размер материала может быть уменьшен, и многочисленные слои могут повысить выход мощности.
|
