نانوژنراتورهای مولد الکتریسیته با دریافت انرژی محیطی بر پایه فناوری نانو
محور پژوهش
مواد پیشرفته و محصولات مبتنی بر فناوری‌های شیمیایی
پژوهشکده/دانشکده
مهندسی مکانیک
حوزه پژوهش
مواد پیشرفته (پلیمرها و کامپوزیت‌ها)
عنوان
نانوژنراتورهای مولد الکتریسیته با دریافت انرژی محیطی بر پایه فناوری نانو هدف از اجرای پژوهش، کاربردها، مزیت‌ها و ضرورت انجام پروژه: مسئله توسعه منابع انرژی الکتریکی سبز با عدم نیاز به تعمیر آنچنانی با توانمندی در تولید انرژی دائمی و پایدار و مستقل و استفاده از انرژی های روزمره محیطی و یا حرکتی قهری و یا تعمدی انسان یک ضرورت بشمار می آید. هدف از این طرح، طراحی، انتخاب مواد و ساخت سلول های نانوژنراتور به منظور تولید جریان الکتریکی به منظور کاربرد های مختلف نظیر محصولات حرکتی، آموزشی و کاردستی با ایجاد روشنایی و یا ذخیره انرژی الکتریکی با هدف استفاده آتی در حرکت متحرک ها مانند موتورهای کوچک است. القاء الکترواستاتیک و پمپاژ الکترونی بین زوج لایه های مواد تریبوالکتریک بر اساس عملکرد الکترو-اصطکاکی در مالش، ضربه یا تماس های آنی و متناوب این لایه ها باعث تولید ولتاژ و جریان الکتریکی می شود. در این طرح از دو جنبه بر روی مواد و سازه لایه های تریبوالکتریک با هدف افزایش چگالی بار الکتریکی ساکن القائی تمرکز شده است. در این طرح، سلول مولد اختلاف پتانسیل با بهره گیری از دو خاصیت مهم و همزمان یعنی ایجاد سطح موثر بیشتر با استفاده از الگوهای میکرو با روش های مکانیکی و زبری میکرو ساختاری به همراه استفاده از مواد افزودنی اکسید فلزی و کامپوزیت سازی پلیمرهای خالص با هدف استفاده از خواص الکترومثبت ذرات و ایجاد خواص آنتی باکتری و خودتمیز شونده بر روی لایه های پلیمری سعی در تولید ولتاژ مدار باز بیشتر و افزایش راندمان مولد میکرو/نانو کامپوزیتی نسبت به نوع پلیمری خالص با کاربرد در ساخت باطری های تریبوالکتریک عملکرد دارد. در ساخت سلول ها به طور مشخص لایه های زوج تریبوالکتریک از روش غلتک کلندرینگ و اکستروژن به همراه پیش فرآیندهای دیسپارسیون ذرات استفاده می گردد. مزیت ها: -ایجاد سطوح پلیمری با بافت میکرو توسط روش ها با سرعت بالا، کم هزینه تر، و با قابلیت scale up -سطوح مولفه های تریبوالکتریک با قابلیت ضدباکتریایی و خودتمیزشوندگی -ایجاد خواص چندمنظوره با استفاده از افزودنی ها با قابلیت خودتمیزشوندگی و ضدباکتریایی و در عین حال بهبود خواص دی الکتریک و الکترومثبت لایه های پلیمری تریبوالکتریک در اثر تقویت با ذرات - استفاده از بازیافت مواد تریبوالکتریک ضایعاتی در ساخت لایه های پلیمری خالص و کامپوزیتی در راستای فناوری سبز کاربردهای صنعتی و تجاری: ساخت مولدهای تریبوالکتریک با جریان خروجی افزایش یافته حسگرهای لمسی بر اساس القاء الکترواستاتیک ساخت اسباب بازی ها با باطری های خودشارژ شونده تریبوالکتریک با وزن کم و با قابلیت تولید انرژی الکتریکی توسط دریافت انرژی جنبشی از محیط، جنبش دست و یا مالش تعبیه باطری های تریبوالکتریک به منظور برداشت انرژی از انرژی های سبز موجود مانند انرژی باد، راه رفتن انسان و یا ارتعاشات و موج دریا با تغییرات در تعداد صفحات تریبوالکتریک، سازه و چگونگی تماس صفحات (مسطح یا کروی و یا ...) و مکانیزم تماس (چگونگی اعمال تحریک، نیرو و ... به منظور القاء الکترواستاتیک و ایجاد فرآیند تریبوالکتریک و الکترو-اصطکاک گزارش و شرح زیرساخت‌ها، فعالیت‌ها، و دستاوردها در این طرح، با استفاده از مفهوم الکتریسیته ساکن ذخیره شده در یک منبع ذخیره مانند یک پلیمر با خواص الکترونگاتیو زیاد و مجاورت آن با مواد دیگر با خواص تریبوالکتریک مخالف، جریان الکترونی بین دو الکترود تولید شده و ایجاد توان الکتریکی می کند. شکل گیری جریان الکتریکی توسط الکترودها هنگام نزدیک شدن و یا مالش و حرکت نسبی جفت تریبوالکتریک به دلیل القاء الکتریسیته ساکن در تماس و یا دور و نزدیک شدن جفت لایه تریبوالکتریک و اصل توازن و تعادل بار الکتریکی بر روی سطوح دی الکتریک به دلیل تغییر در میدان الکتریکی صورت می گیرد. فعالیت های صورت گرفته تاکنون: 1-انتخاب مواد پلیمرهای ترموپلاستیک مورد نظر در این طرح با توجه به کاربرد محصول و نمایش خواص تریبوالکتریک حداکثری از آنها مورد استفاده قرار گرفته اند. همچنین با توجه به هدف کاربردی محصول و تجاری سازی آن ملاحظات اساسی دیگری نظیر در دسترس بودن این نوع پلیمرها و میکرومواد مورد استفاده و قابلیت تولید انبوه ورق ها و فیلم های تریبوالکتریک پلیمری و یا کامپوزیتی در نظر گرفته شده است. در این طرح، از بازیافت مواد تریبوالکتریک ضایعاتی در ساخت لایه های پلیمری خالص و کامپوزیت ها استفاده شده است. پلیمرهای الکترومنفی ترموپلاستیک می تواند از گروه پلیمرها و یا مشتقات آنها با خواص الکترومنفی زیاد از مواد بازیافت و مستعمل مانند پلی تترا فلئورو اتیلن یا تفلون (PTFE) و پلی اتیلین (PE) انتخاب شود. با توجه به کاربرد و مقدار توان خروجی مولد می توان بجای فیلم پلیمری الکترومثبت به طور منفرد از لایه رسانای آلومینیومی و یا مسی و یا گرافیتی و یا مواد تربیوالکتریک مابین مانند کاغذ و یا پارچه و پشم استفاده نمود. نانومواد و یا میکرومواد مورد استفاده عمدتاً ذرات با خواص الکترومثبت بیشتر بوده که به ترتیب می تواند شامل اکسیدهای فلزی تیتانیوم (TiO2) و آلومینیوم (Al2O3) همچنین اکسید سیلیس (SiO2) است بطوریکه این افزودنی ها در صورت استفاده نانو/میکروکامپوزیت های پلیمری تریبوالکتریک مثبت در سازه مولد، در ساخت فیلم های پلیمری الکترومثبت استفاده می گردد. 2- دیسپارسیون ذرات -دیسپارسیون و توزیع ذرات افزودنی در محلول الکل نظیر ایزوپروپیل - در این روش از توزیع و هموژن سازی مواد در محلول های آبی (عموماً الکل) صنعتی توسط سیستم های سونیکیتور (التراسوند) 1200 وات و یا میکسر مکانیکی و یا همزن مغناطیسی و یا همزن انرژی بالا استفاده شده است. -فیلتراسیون و حذف الکل توسط فیلتر خلاء با استفاده از فیلترهای بوخنر با فیلتر سرامیکی 3- ساخت ورق های (شیت ها) میکروکامپوزیت پایه پلیمری در خصوص ایجاد بافت میکرو ساختار علیرغم وجود روش هایی که این ساختار را ایجاد می کنند نظیر روش های لیتوگرافی و ماشینکاری یونی و اچینگ، در این طرح از روش برجسته سازی گرم به دلیل سرعت بالا و قابلیت انبوه سازی آن در کنار عملیات حرارتی لایه های تریبوالکتریک آلیاژشده با نوعی از پلیمر پلی الفین استفاده شده است. مراحل ساخت لایه های خالص و یا کامپوزیتی تریبوالکتریک شامل چند مرحله با استفاده از گرانول ها و یا مواد بازیافت پلیمرهای مورد نظر با استفاده از فرآیندهای ترکیب مذاب نظیر اکستروژن تک پیچ یا دو پیچ و غلتک ترکیب مذاب کلندرینگ بوده بطوریکه در روش ساخت میکروکامپوزیت های پلیمرهای تریبوالکتریک علاوه بر روش های ترکیب مذاب نظیر اکستروژن از پیش فرآیندها و پس فرآیندها به منظور هموژن سازی و توزیع مناسب ذرات استفاده می گردد. عملیات ترکیب مذاب دو غلتک یا کلندرینگ با ایجاد تنش برشی به منظور تهیه ورق ها و یا فیلم های پلیمری تریبو الکتریک استفاده گردیده است. دستگاه غلتک مورد استفاده به سبب ابعاد هندسی و طول و قطر غلتک ها، توان موتور غلتک ها و مقدار مواد قابل فرآوری، می تواند برای تهیه نمونه های فیلم پلیمری و مشتقات آنها با ابعاد کم و مصرف حجم مواد بسیار کم مورد استفاده قرار بگیرد. در این دستگاه، اساس کار در تهیه ورق های پلیمری اعمال تنش برشی شدید است که خود ناشی دوران غلتک ها با جهت مخالف و فاصله قابل تنظیم بین دو غلتک برای اعمال این تنش برشی و تحت حرارت است. در دستگاه مذکور، پنجره های فرآیند متفاوتی برای تهیه ورق های پلیمری به دلیل تفاوت در رفتار گرمایی آنها تعریف می گردد. مشخصات فنی غلتک مذاب کلندر مورد استفاده در جدول زیر بیان شده است. در این طرح قسمت های اصلی ساخت نمونه اولیه انجام شده است ولیکن تا رسیدن به مرحله محصول نهایی با آزمون های عملکردی مورد انتظار و نتایج مورد نظر مراحل زیر صورت خواهد گرفت: ایجاد ساختار میکرو/نانو با استفاده از فناوری تغییر فاز بلورین با استفاده از اشعه یو-وی تحت پرتودهی یو-وی ایجاد ساختارهای میکرو با استفاده از روش های مختلف مش بندی میکرو نظیر برجسته سازی گرم طراحی و ساخت ماژول ذخیره سازی جریان الکتریکی به منظور افزایش ولتاژ مدار بسته سلول تولید جریان الکتریکی تریبوالکتریک آزمون های الکتریکی و الکترونیکی در خصوص بررسی ولتاژ مدار باز و بسته بهینه سازی در خصوص انتخاب مواد و روش ساخت با هدف افزایش ولتاژ مدار باز و بسته و توان خروجی سلول طراحی کاربردهای سلول در اجزاء مختلف مورد کاربرد نظیر تکانه ای، مالش و ضربه و یا چرخشی در سازه های مختلف بهینه سازی مدارات موازی و سری تولید جریان الکتریکی با هدف کامپکت سازی و کوچک سازی و سبک سازی سلول ویژگی محصول نهایی و سطح عملکرد مورد انتظار: خروجی ولتاژ مدار باز بستگی با سطح مقطع ورق های تریبوالکتریک و مواد سازنده تا 100 کیلوولت ولتاژ مدار بسته با استفاده از ماژول های ذخیره سازی تا چند ولت و جریان چند میلی آمپر افزایش موارد کمی بندهای فوق با استفاده از فناوری بافت میکرو/نانو نسبت به ورق های پلیمری خالص تصاویر و محتوای گرافیکی مرتبط: نانوژنراتورهای مولد الکتریسیته با دریافت انرژی محیطی بر پایه فناوری نانو