Opsamling af spildt elektricitet med triboelektriske generatorer

(Phys.org) – Med et tramp på foden, Zhong Lin Wang lyser tusindvis af LED-pærer – uden batterier eller strømledning. Strømmen kommer i det væsentlige fra den samme kilde som den lille gnist, der hopper fra en fingerspids til en dørhåndtag, når du går hen over gulvtæppet på forkølelse, tør dag. Wang og hans forskerhold har lært at høste denne kraft og sætte den i gang.

En professor ved Georgia Institute of Technology, Wang bruger det, der teknisk er kendt som den triboelektriske effekt til at skabe overraskende mængder elektrisk kraft ved at gnide eller røre to forskellige materialer sammen. Han mener, at opdagelsen kan give en ny måde at drive mobile enheder såsom sensorer og smartphones på ved at fange den ellers spildte mekaniske energi fra sådanne kilder som at gå, vinden blæser, vibrationer, havbølger eller endda biler, der kører forbi.

Ud over at generere strøm, teknologien kunne også give en ny type selvforsynende sensor, muliggør registrering af vibrationer, bevægelse, vandlækager, eksplosioner - eller endda regn, der falder. Forskningen er blevet støttet af en række sponsorer, herunder det nationale Videnskab Fundament; US Department of Energy; MANA, del af National Institute for Materials i Japan; Det koreanske selskab Samsung og det kinesiske videnskabsakademi. Forskningen er blevet rapporteret i tidsskrifter, bl.a ACS Nano , Avancerede materialer , Angewandte Chemie , Energi- og miljøvidenskab , Nano energi og Nano bogstaver .

"Vi er i stand til at levere små mængder bærbar strøm til nutidens mobil- og sensorapplikationer, " sagde Wang, en Regents-professor ved Georgia Tech's School of Materials Science and Engineering. "Dette åbner op for en energikilde ved at høste strøm fra aktiviteter af enhver art."

I sin enkleste form, den triboelektriske generator bruger to plader af forskellige materialer, en elektrondonor, den anden en elektronacceptor. Når materialerne er i kontakt, elektroner flyder fra det ene materiale til det andet. Hvis arkene derefter er adskilt, et ark har en elektrisk ladning isoleret af mellemrummet mellem dem. Hvis en elektrisk belastning derefter forbindes til to elektroder placeret ved de ydre kanter af de to overflader, en lille strøm vil flyde for at udligne ladningerne.

Ved løbende at gentage processen, der kan produceres en vekselstrøm. I en variation af teknikken, materialerne - oftest billige fleksible polymerer - producerer strøm, hvis de gnides sammen, før de adskilles. Der er også bygget generatorer, der producerer jævnstrøm.

"Det faktum, at en elektrisk ladning kan produceres gennem triboelektrificering er velkendt, " Wang forklarede. "Det, vi har introduceret, er en gap-separationsteknik, der producerer et spændingsfald, som fører til en strøm i den eksterne belastning, så ladningen kan bruges. Denne generator kan konvertere tilfældig mekanisk energi fra vores miljø til elektrisk energi."

Siden deres første udgivelse om forskningen, Wang og hans forskerhold har øget effekttætheden af ​​deres triboelektriske generator med en faktor på 100, 000 – rapporterer, at en kvadratmeter enkeltlagsmateriale nu kan producere så meget som 300 watt. De har fundet ud af, at volumeneffekttætheden når mere end 400 kilowatt pr. kubikmeter ved en effektivitet på mere end 50 procent. Forskerne har udvidet rækken af ​​energiindsamlingsteknikker fra "power shirts" indeholdende lommer af det genererende materiale til skoindsatser, fløjter, fodpedaler, gulvmåtter, rygsække og flydere, der dupper på havets bølger.

De har lært at øge udgangseffekten ved at anvende mikronskalamønstre på polymerpladerne. Mønstringen øger effektivt kontaktarealet og øger derved effektiviteten af ​​ladningsoverførslen.

Wang og hans team opdagede ved et uheld det strømgenererende potentiale af den triboelektriske effekt, mens de arbejdede på piezoelektriske generatorer, som bruger en anden teknologi. Outputtet fra en piezoelektrisk enhed var meget større end forventet, og årsagen til det højere output blev sporet til forkert samling, der gjorde det muligt for to polymeroverflader at gnide sammen. Seks måneders udvikling førte til det første journalpapir om den triboelektriske generator i 2012.

"Når to materialer er i fysisk kontakt, triboelektrificeringen finder sted, " sagde Wang, som besidder Hightower-stolen i Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Når de flyttes fra hinanden, der er skabt en spalteafstand. For at udligne den lokale afgift, elektroner skal strømme. Vi får overraskende høj spænding og strøm fra dette. Fra nu af, vi har opdaget fire grundlæggende tilstande for triboelektriske generatorer."

Siden deres første erkendelse af mulighederne for denne effekt, Wangs team har udvidet applikationer. De kan nu producere strøm fra kontakt mellem vand - havvand, postevand og endda destilleret vand – og en mønstret polymeroverflade. Deres seneste papir, offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano i november, beskrev at høste energi fra touchpad'en på en bærbar computer.

De bruger nu en bred vifte af materialer, inklusive polymerer, stoffer og endda papirer. Materialerne er billige, og kan omfatte sådanne kilder som genbrugsdrikflasker. Generatorerne kan fremstilles af næsten gennemsigtige polymerer, gør det muligt at bruge dem i touchpads og skærme.

Ud over dets brug som strømkilde, Wang bruger også den triboelektriske effekt til sansning uden en ekstern strømkilde. Fordi generatorerne producerer strøm, når de bliver forstyrret, de kan bruges til at måle ændringer i strømningshastigheder, pludselig bevægelse, eller endda faldende regndråber.

"Hvis en mekanisk kraft påføres disse generatorer, de vil producere en elektrisk strøm og spænding, " sagde han. "Vi kan måle den strøm og spænding som elektriske signaler for at bestemme omfanget af den mekaniske omrøring. Sådanne sensorer kan bruges til overvågning i trafikken, sikkerhed, Miljøvidenskab, sundhedspleje og infrastrukturapplikationer."

For fremtiden, Wang og hans forskerhold planlægger at fortsætte med at studere generatorer og sensorer for at forbedre deres output og følsomhed. Størrelsen af ​​materialet kan skaleres op, og flere lag kan øge strømudgangen.

"Alle har set denne effekt, men vi har været i stand til at finde praktiske anvendelser for det, " sagde Wang. "Det er meget enkelt, og der er meget mere, vi kan gøre med dette."