طراحی و ساخت نانوژنراتورهای تریبوالکتریک
محور پژوهش
انرژی های نو
پژوهشکده/دانشکده
مهندسی مواد
حوزه پژوهش
برداشت و بازیابی انرژی های تجدیدپذیر
عنوان
طراحی و ساخت نانوژنراتورهای تریبوالکتریک
هدف از اجرای پژوهش، کاربردها، مزیت‌ها و ضرورت انجام پروژه
: با توجه به کمبود انرژی و نیز انتشار بی رویه ی گازهای گلخانه ای، توسعه انرژی های پاک امری ضروری است. یکی از مهم ترین ادوات تولید کننده انرژی پاک نانوژنراتورها هستند که انرژی های مکانیکی هدر رفته محیطی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. در میان انواع مختلف آن ها، نانوژنراتورهای تریبوالكتریك كه به تازگی معرفی شده اند، نسبت به همتایان خود عملكرد بهتری داشته اند. نانوژنراتورهای تریبوالكتریك به دلیل داشتن هزینه كم، وزن كم، ساخت آسان، راندمان تبدیل انرژی و توان خروجی مطلوبشان مورد توجه زیاد قرار گرفته اند. نانوژنراتور تریبوالکتریک از یک ساختار چند لایه تشکیل شده است که شامل دو لایه اصطکاکی مختلف و دو الکترود پشت این دو لایه است که در اغلب موارد انعطاف پذیری خوبی دارند. این دو لایه توسط یک فاصله دهنده از یکدیگر جدا می شوند. مکانیزم عملکرد این نانوژنراتورها بر اساس دو اصل برق رسانی ناشی از مالش (اثر تریبوالکتریک) و القای الکترواستاتیک استوار است، که باعث ایجاد بارهای مخالف در لایه های نانوژنراتور شده و با ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکی در طول الکترود منجر به انتقال الکترون ها از لایه الکترون دهنده به لایه الکترون گیرنده می شود. از میان کارهای انجام شده در حوزه نانوژنراتورهای تریبوالکتریک ، بیشترین توان خروجی مربوط به نانوژنراتورهایی است که با استفاده از روش های الکتروریسی یا پرینترهای سه بعدی و تجهیزات گران قیمت و پیشرفته لایه نشانی تولید شده اند و با محدودیت های اندازه و زمان زیاد تولید نیز همراه هستند. اما از میان روش های موجود، روش های لایه نشانی چرخشی و الکتروریسی روش هایی ساده با قابلیت تولید انبوه و هزینه منطقی می باشند. لایه های اصطکاکی تولید شده با این روش ها به دلیل داشتن نسبت سطح به حجم بالا ویژگی های مطلوبی داشته، و همچنین این روش ها برای انواع مواد از جمله سنتزی و طبیعی قابل استفاده هستند. از طرفی موادی که به عنوان لایه های تریبوالکتریک استفاده می شوند باید از موادی باشند که در دوام و ماندگاری خوبی داشته باشند. همچنین با توجه به اینکه ساختاری مورد نیاز است که در اثر اصطکاك دچار خمش می شود لذا موادی مورد نیاز است که انعطاف پذیری و مقامت سایشی خوبی داشته باشند. از این نانوژنراتورها به دو صورت مستقیم (برای شارژ موبایل) و غیر مستقیم (برای فرش و كفش و لباس و اینترنت اشیا) به كار برده می شود. با قرار گرفتن این نانوژنراتور در صفحه موبایل، انرژی مکانیکی حاصل از لمس کردن و اصطکاک ایجاد شده بین دست و صفحه موبایل به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. با قرار دادن این دستگاه در کف کفش هنگام پیاده روی، یا زیر کف پوش ها می توان از انرژی مکانیکی حاصل از راه رفتن، الکتریسیته تولید کرد. با قرار دادن این دستگاه در لباس (در بخش های مختلف که مفاصل وجود دارند) می توان از سایر حرکات بدن نیز انرژی الکتریکی تولید کرد. این نانوژنراتور کاربردهای متنوعی دارد از جمله استفاده در لباس، کف پوش و فرش، موبایل و لپ تاپ و تجهیزات الکترونیک، تایر خودرو، اینترنت اشیا، انواع کاربردهای پزشکی و درون تنی، صنایع هوافضا و... مهم ترین مزایای این طرح عبارتند از: در دسترس و فراوان در محیط، دامنه وسیع فرکانس، خروجی بالا، بازده بالا، هزینه کم و وزن کم، ساخت ساده، طول عمر مناسب، تنظیمات ساده و متنوع، توانایی ذخیره انرژی مکانیکی با فرکانس کم یا متفاوت و در تمامی جهت ها، مقیاس پذیری خوب و قابلیت تولید انبوه از این جهت در این پژوهش به طراحی و ساخت نانوژنراتور تریبوالکتریک پرداخته شد که قادر است لرزش های مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل کند. نتایج به دست آمده از این پژوهش، در طراحی و ساخت نانوژنراتورهای تریبوالکتریک جهت بومی سازی و استفاده از منابع انرژی های پاک در سیستم های بدون سیم قابل استفاده خواهد بود. گزارش و شرح زیرساخت‌ها، فعالیت‌ها، و دستاوردها: این پژوهش با همکاری صندوق حمایت از پژوهشگران و فناوران کشور انجام شده است. هدف از این طرح ساخت و مشخصه یابی نانوژنراتور تریبوالکتریک جهت ایجاد انرژی الکتریکی از انرژی مکانیکی بود. در این راستا مدل های مختلف نانوژنراتورهای تریبوالکتریک ساخته شد. برای انجام این تحقیق پس از مطالعه منابع موجود، جزئیات و مراحل دقیق انجام تحقیق تعیین می شود. با توجه به اطلاعات جمع آوری شده برای انجام پروژه فازهای مختلفی در نظر گرفته شد. در فاز اول فیلم نانوساختار مورد نظر تهیه شده و در فاز دوم ساخت لایه منفی نانوژنراتور با استفاده از آن انجام شد. در فاز سوم برای ساخت لایه مثبت نانوژنراتور از یک پلیمر طبیعی استفاده شد. در فاز چهارم نانوژنراتور ساخته شده تحت آزمایش های مختلف قرار گرفته و شدت جریان و ولتاژ تولیدی نانوژنراتور اندازه گیری شد. نتایج حاصل نشان داد از مدل تک الکترود که با مکانیزم تماس و جدایش عمودی کار می کند، در انواع کاربردهای پزشکی و برون تنی که با پوست تماس دارند استفاده می شود. بدین منظور برای ساخت این نانوژنراتور از پلیمرها و مواد زیست سازگار مانند انواع ساختارهای کربنی استفاده شد. انرژی الکتریکی به دست آمده از این نانوژنراتور قابلیت روشن کردن ۱۰۰ لامپ LED را دارد. مدل دو الکترودی نیز که با مکانیزم های تماس و جدایش عمودی و لغزش جانبی کار می کند، در انواع کاربردهای سنسورها و گجت های پوشیدنی و به طور کلی در حوزه اینترنت اشیا قابل استفاده است. در این مدل برای ساخت نانوژنراتور از پلیمرهای طبیعی مانند پیله ابریشم و انواع ساختارهای دو بعدی استفاده شد. انرژی الکتریکی به دست آمده از این نانوژنراتور بیشتر بود که یکی از مهم ترین دلایل آن استفاده از دو لایه اصطکاکی جداگانه به همراه دو الکترود بود. این نانوژنراتور قابلیت روشن کردن لامپ های LED بیشتری را دارد. از این نانوژنراتور برای شارژ کردن باتری ساعت مچی و تلفن همراه استفاده شد و نتایج جالب توجهی داشت. تصاویر و محتوای گرافیکی مرتبط


تصویر عملکرد نانو ژنراتور تریبو الکتریک حین شارژ کردن ساعت مچی