Чтобы предоставить средства как для сравнения, так и для выбора этих энергосберегающих наногенераторов для конкретных применений, исследовательская группа Технологического института Джорджии, которая стала пионером технологии TENG, теперь предложила набор стандартов для количественной оценки производительности устройств. В предложении оцениваются как конструктивные, так и материальные характеристики четырех основных типов устройств TENG.«Трибоэлектрические наногенераторы — это новая энергетическая технология, которая продемонстрировала феноменальный потенциал», — сказал Чжун Линь Ван, профессор Regents в Технологической школе материаловедения и инженерии Джорджии. «Здесь мы предложили стандарты, с помощью которых можно количественно оценить и сравнить характеристики этих устройств.
Эти стандарты будут полезны академическим исследователям, разрабатывающим устройства, и для будущего промышленного применения наногенераторов».Предлагаемые стандарты описаны в статье, опубликованной 25 сентября в журнале Nature Communications.Трибоэлектрические наногенераторы используют комбинацию трибоэлектрического эффекта и электростатической индукции для выработки небольшого количества электроэнергии от механического движения, такого как вращение, скольжение или вибрация.
Трибоэлектрический эффект основан на том факте, что некоторые материалы становятся электрически заряженными после того, как они вступают в движущийся контакт с поверхностью, сделанной из другого материала. Электроэнергия, вырабатываемая устройствами TENG, может заменять или дополнять батареи для широкого круга потенциальных применений.Эта технология, разработанная за последние несколько лет, достигла такой степени, что может питать небольшие электронные устройства, потенциально обеспечивая широкое распространение сенсорных и инфраструктурных систем, а также питая носимые потребительские устройства.«Из-за большого количества разрабатываемых устройств людям нужен стандарт для оценки производительности этих наногенераторов», — сказал Ван.
Он отметил, что стандарты позволили развиваться таким технологиям, как фотоэлектрические и термоэлектрические устройства, хотя характеристики устройств TENG труднее измерить количественно из-за различных вариантов конструкции и материалов.В своей статье команда Вана предлагает общий показатель качества, который можно использовать для количественной оценки потенциальной выходной энергии устройств TENG. Общая добротность состоит из информации из двух других источников: возможностей конкретной используемой структуры TENG и плотности поверхностного заряда, обеспечиваемой конкретными материалами, выбранными для создания устройства. Выход сравнивается с затратами механической энергии для сравнения эффективности.
Эти измерения основаны на графиках нарастания напряжения и общих переданных электрических зарядов от каждого устройства. Структурные показатели качества получены на основе теоретических расчетов для каждого из четырех основных режимов наногенератора, а также экспериментальных результатов, полученных с помощью устройств TENG, включенных в цепь с переключателем и электрической нагрузкой.
Показатель качества материалов зависит от экспериментальных измерений плотности поверхностного заряда, выполненных с помощью экспериментальной установки, в которой для сбора поверхностного заряда используется жидкий металл.Различия в конструкциях TENG позволяют использовать их в различных областях в зависимости от источника механической энергии. Четыре основные группы включают (1) режим вертикального разделения контактов, (2) режим бокового скольжения, (3) одноэлектронный режим и (4) режим автономного трибоэлектрического слоя.
Существуют также гибридные комбинации этих основных структурных модификаций.Режим разделения контактов, например, приводится в действие периодической движущей силой, которая вызывает повторяющийся контакт, а затем разделение между двумя разнородными материалами, которые имеют покрытые электроды на верхней и нижней поверхностях.
Модель бокового скольжения использует две поверхности, которые на короткое время скользят вместе, а затем разделяются, создавая заряд.«Для четырех режимов мы можем рассчитать наилучшие размеры и формы, а также наилучшую выходную мощность, которую вы можете ожидать для конкретного конструктивного качества», — пояснил Ван.Проверенные варианты материалов включают фторированный этиленпропилен, каптон, поляризованный поливинилиденфторид, полиэтилен, натуральный каучук и целлюлозу.Методы измерения и теоретические методы были разработаны докторантом Юньлуном Цзы и аспирантом Симиао Ню, членами исследовательской группы Вана.
При разработке предлагаемых стандартов исследователи учли то, что уже было сделано для установления стандартов для тепловых двигателей и других технологий.«Для трибоэлектрических генераторов, поскольку механическая мощность варьируется, у вас есть разные виды измерений для оценки производительности», — сказал Зи. «Эти показатели качества значительно сложнее, чем, например, для характеристики характеристик солнечных элементов».Публикация предлагаемых стандартов — это первый шаг в долгом, по мнению Ванга, процессе их принятия.
В следующие несколько месяцев он планирует разъяснить стандарты другим исследовательским группам, разрабатывающим устройства TENG.По его оценкам, над устройствами TENG может работать 60 исследовательских групп по всему миру, и он ожидает, что это число будет расти по мере того, как наногенераторы станут более сложными и мощными.
«По мере того, как носимая электроника становится все более популярной и модной, нам понадобится лучший способ ее питания, — сказал Ван. «Трибоэлектрические наногенераторы могут сыграть в этом большую роль. Мы потратили много времени на повышение энергоэффективности, и область применения быстро расширяется».
В конечном итоге, сказал он, стандарты также могут быть изменены для пьезоэлектрических генераторов и других систем, предназначенных для производства электричества за счет механического движения.