Sistem Teoritis dari Nanogenerator Triboelektrik Mode Kontak untuk Efisiensi Konversi Energi Tinggi

Hasil dan Diskusi

Sistem Non-Musim Semi

Pertama, kita hanya mempertimbangkan gaya tekan konstan F dan gravitasi lapisan atas. Persamaan gerak dapat diperoleh sebagai berikut (lihat File tambahan 1:Catatan 1 dan Gambar S1 dalam ESM). Pada kenyataannya, x (t ) selalu memiliki nilai maksimum x _maks dan minimal nol. Jadi persamaan gerak diberikan oleh

Persamaan. (6.1) dan (6.2) masing-masing mewakili proses pemisahan dan proses kontak.

Kemudian kita bisa mendapatkan biaya yang ditransfer. (Derivasi detailnya ada di File tambahan 1:Catatan 2 di ESM).

Dalam proses pemisahan:

di mana \( {t}_0=\sqrt{2{x}_{\mathrm{max}}m/\left(F- mg\right)} \), dan Q ₀ = T (t ₀ ) dalam Persamaan. (7.1).

Dalam proses kontak:

di mana \( {t}_0=\sqrt{2{x}_{\mathrm{max}}m/\left(F+ mg\right)} \), Q ₀ dapat dihitung dengan menetapkan t = t ₀ ke dalam Persamaan. (8.1).

Oleh karena itu, arus keluaran dapat diturunkan sebagai I (t ) = dQ /tt dan V (t ) = RI (t ).

Menurut parameter spesifik yang ditunjukkan pada Tabel 1, kita dapat memperoleh hasil perhitungan numerik.

Hubungan karakteristik-waktu pada R . yang berbeda di seluruh proses ditampilkan pada Gambar. 2. Muatan yang ditransfer, arus keluaran, dan hubungan tegangan keluaran pada beban yang berbeda dalam proses kontak ditunjukkan pada Gambar. 2a, c, e. Perilaku tersebut mirip dengan penelitian sebelumnya [25]. Namun proses pemisahannya jarang dipelajari. Asumsikan bahwa muatan permukaan ditransfer sepenuhnya ke TE dalam proses pemisahan setelah waktu yang lama. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b, pada kondisi hubung singkat (SC), muatan di TE dapat sepenuhnya mengalir kembali ke BE ketika lapisan atas berhenti bergerak (t = 2 md). Biaya tidak dapat dikurangi menjadi nol pada t = 2 md saat R lebih dari 1 MΩ. Padahal, hampir semua biaya ditransfer ke BE saat R kurang dari 10 MΩ dalam proses pemisahan. Muatan yang ditransfer dalam proses kontak jauh lebih sedikit daripada proses pemisahan. Ini berkontribusi pada kekuatan pendorong yang relatif kecil dalam proses kontak awal. Hubungan arus-waktu keluaran diplot pada Gambar. 2d. Pada kondisi SC, arus puncak hampir sama dengan pada proses pemisahan. Ketika R lebih besar, kurva arus-waktu memiliki dua nilai maksimum lokal, yaitu pada awal dan akhir pergerakan. Dan arus maksimum absolut turun secara dramatis seiring dengan meningkatnya resistensi. Dua nilai maksimum lokal pada awal dan akhir gerakan masing-masing disebabkan oleh elektron yang memadai dan gerakan kecepatan tinggi. Tegangan keluaran memiliki profil yang sama dengan arus, tetapi tren besarnya berbeda, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2f (lihat File tambahan 1:Gambar S2 untuk hubungan terperinci dalam ESM). Perlu dicatat nilai tegangan maksimum absolut jauh lebih kecil dibandingkan dengan pada proses pemisahan. Jelas, tegangan dan arus tidak simetris dalam proses pemisahan dan kontak. Menggabungkan proses pemisahan dan kontak, tegangan keluaran dan arus bolak-balik.

Karakteristik keluaran yang dihitung saat perangkat berada di bawah gaya tekan konstan F. Mentransfer hubungan biaya-waktu pada R . yang berbeda di a proses kontak dan b proses pemisahan. Hubungan saat ini-waktu di R . yang berbeda di c proses kontak dan d proses pemisahan. Hubungan tegangan-waktu pada R . yang berbeda di e proses kontak dan f proses pemisahan

Selain itu, pengaruh berbagai parameter pada hubungan antara daya maksimum P _maks dan resistansi yang sesuai diplot pada Gambar. 3. Parameter yang berbeda ini dapat dibagi menjadi material, struktur, dan kondisi eksperimen. Misalnya, parameter material termasuk dan ε _r . Parameter struktural terutama ukuran area S, x _maks dan d. Gaya tekan F adalah parameter percobaan. Orang dapat melihat bahwa , S , B , dan x _maks sangat mempengaruhi P _maks , seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a-d. P _maks meningkat secara dramatis sebagai , S , B , dan x _maks meningkat. Parameter dan S terutama memutuskan jumlah biaya yang dapat ditransfer. Parameter F dan x _maks terutama mempengaruhi persamaan gerak. Resistansi optimal yang sesuai berkurang dengan x _maks menurun sementara jarang terpengaruh oleh , S , dan F. Selain itu, parameter d dan ε _r jarang mempengaruhi P _maks dan resistansi yang sesuai, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3e, f. Itu adalah ketebalan efektif lapisan dielektrik d ₀ = d /ε _r yang memiliki pengaruh kecil pada kinerja TENGs. Kita dapat menyesuaikan parameter ini untuk mengontrol daya maksimum. Perlu dicatat bahwa resistansi yang sesuai biasanya adalah resistansi beban elektronik.

Efek parameter pada P _maks dan resistansi yang sesuai. Profil daya seketika dengan R di a . yang berbeda kerapatan muatan permukaan , b ukuran area S , c gaya tekan F , d jarak pemisahan maksimum x _maks , e ketebalan lapisan dielektrik d , dan f ε _r

Sistem Pegas

Untuk kondisi eksperimen yang lebih populer, sistem pegas disertakan. Gaya tekan F diterapkan secara berkala, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a. Dalam proses pemisahan (T = t ₁ ), hanya ada gaya pemulih pegas dan gravitasi, jadi F = 0. Saat dalam proses kontak (T = t ₂ + t ₃ ), gaya tekan F telah ditambahkan. Dan itu akan tetap bertahan lama setelah dua lapisan bersentuhan penuh. Kurva gerak ditunjukkan pada Gambar. 4b. Persamaan gerak yang dihitung dan kinerja keluaran diturunkan sebagai berikut. (File tambahan 1:Catatan 3 di ESM)

di mana \( {\omega}_0^2=k/m \). Dan Persamaan. (9.1) dan (9.2) masing-masing mewakili proses pemisahan dan proses kontak.

Karakteristik terhitung dari mode pemisahan kontak TENGs. a Gaya periodik F . b Gerakan periodik lapisan atas. c Mentransfer hubungan biaya-waktu pada R . yang berbeda dalam proses kontak dan pemisahan. d Hubungan saat ini-waktu di R . yang berbeda dalam proses kontak dan pemisahan. e Hubungan tegangan-waktu pada R . yang berbeda dalam proses kontak dan pemisahan. f Hubungan daya maksimum seketika dengan hambatan dalam kontak, pemisahan, dan seluruh proses

Dalam proses pemisahan:

Dalam proses kontak:

dimana q ₀ adalah biaya yang ditransfer dari BE ke TE dalam proses pemisahan.

Arus dan tegangan keluaran dapat dihitung sebagai I (t ) = dQ /tt dan V (t ) = RI (t ).

Hubungan biaya-waktu yang ditransfer pada R . yang berbeda dalam proses penuh diplot pada Gambar. 4c. Proses transfer muatan dibagi menjadi tiga wilayah, yang sesuai dengan gaya periodik. Wilayah I mewakili proses pemisahan dan proses kontak berisi wilayah II dan III. Di wilayah I, biaya ditransfer ke TE dari BE. Biaya di TE terus meningkat. Di wilayah II, arah aliran muatan berhubungan dengan resistansi. Muatan di TE terus meningkat ketika hambatannya besar (R  1 GΩ). Ini meningkat ke maksimum kemudian menurun ketika resistansi rendah (R  100 MΩ). Terutama, ketika R = 0, muatan akan terus berkurang di daerah II. Di wilayah III, pungutan di TE terus menurun. Arus keluaran yang sesuai di seluruh proses ditunjukkan pada Gambar. 4d. Arus dalam proses pemisahan dan kontak memiliki tanda yang berlawanan. Biasanya nilai arus maksimum pada proses pemisahan sedikit lebih besar dari pada proses kontak. Menariknya, dalam proses kontak, nilai arus maksimum absolut muncul di awal proses kontak atau saat mereka baru saja bersentuhan. Ketika resistansi besar, muncul di awal proses kontak, begitu juga sebaliknya. Tegangan keluaran meningkat dengan waktu kemudian menurun, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4e. Tegangan keluaran akan muncul sebagai nilai negatif dalam proses kontak. Dan nilai absolutnya jauh lebih kecil dari pada proses pemisahan. Angka-angka ini konsisten dengan grafik eksperimental terukur dalam literatur. Arus keluaran yang diukur bergantian dengan jelas, dan tegangan keluaran yang diukur biasanya tajam. Hubungan daya maksimum sesaat dengan resistansi dalam kontak, pemisahan, dan seluruh proses ditunjukkan pada Gambar. 4f. TENG mencapai kekuatan instan maksimum absolutnya sekitar 200 MΩ dalam proses pemisahan dan kontak. Sementara dalam proses kontak, ia memiliki nilai maksimum lokal tambahan sekitar 0,1 MΩ. Jadi dalam keseluruhan proses, daya sesaat mendapatkan nilai maksimumnya sekitar 200 MΩ. Kita dapat melihat bahwa kurva daya dari proses kontak tumpang tindih dengan proses pemisahan ketika hambatannya besar. Karena nilai arus maksimum muncul di persimpangan dua proses ketika R  200 MΩ.

Selain itu, hasil perhitungan P _maks dan resistansi optimal yang sesuai diplot pada Gambar. 5. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a-c, daya sesaat maksimum meningkat sebagai parameter x _maks , S , dan k meningkat. Ini dapat berkontribusi pada kecepatan transfer elektron yang lebih cepat. Pada saat yang sama, resistansi optimal yang sesuai juga berubah. Resistensi optimal berkurang dengan S dan k meningkat, tetapi tren sebaliknya dengan x _maks . Pengaruh parameter pada P _maks dan resistensi optimal ditunjukkan pada Gambar. 5d. P _maks meningkat pesat dengan meningkat, sementara resistensi optimal tetap konstan. Resistensi optimal juga tidak terpengaruh oleh ε _r . Tapi sebagai ε _r meningkat, daya sesaat maksimum meningkat dan kemudian menjadi jenuh. F hampir tidak memiliki pengaruh pada daya sesaat maksimum dan resistensi optimal. Dalam seluruh proses kontak dan pemisahan, F hanya mempengaruhi proses kontak. Jadi arus maksimum dalam proses pemisahan tetap sama. Seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 5f, daya sesaat maksimum tidak berubah. Ini berbeda dengan sistem non-pegas. Dalam sistem non-pegas, F langsung mempengaruhi proses pemisahan, sehingga mempengaruhi daya maksimum.

Pengaruh parameter pada P _maks dan resistansi yang sesuai dalam satu siklus. Hubungan P _maks dan resistansi yang sesuai dengan parameter a x _maks , b S , c k , d , e ε _r , dan f B

Singkatnya, P _maks dapat ditingkatkan dengan meningkatkan jarak pemisahan maksimum x _maks , daerah S , koefisien pegas k , permitivitas relatif lapisan dielektrik ε _r , dan terutama kerapatan muatan permukaan . Misalnya, parameter material seperti ε _r dan biasanya dioptimalkan untuk mendapatkan daya yang lebih tinggi [28, 29]. Sedangkan resistansi optimum dapat diatur dengan parameter x _maks , S , dan k . P _maks dan ketahanan optimal terutama bergantung pada material dan parameter struktural.

Efisiensi Konversi η dari TENG

Terkadang kita lebih peduli tentang P _maks bahwa kita mengabaikan η . Efisiensi merupakan parameter penting untuk mengevaluasi sumber daya. η didefinisikan sebagai perbandingan antara energi listrik keluaran dan energi mekanik masukan. Di sini, kami secara sistematis dan langsung meneliti pengaruh parameter ini terhadap efisiensi.

Energi listrik dan energi mekanik diperoleh sesuai dengan denyut nadi saat ini pada R . optimal . Energi listrik keluaran diberikan oleh

di mana rentang waktu antara t _mulai dan t _akhir mengekspresikan keseluruhan proses kontak dan pemisahan.

Energi mekanik yang dihitung adalah

Jadi η dihitung sebagai berikut

Hubungan η dengan x _maks ditunjukkan pada Gambar. 6a. Sebagai x _maks meningkat, efisiensi η meningkat dan kemudian menjadi jenuh secara bertahap. Kita tahu bahwa energi mekanik dan daya maksimum sebanding dengan x _maks . Namun, meningkatkan x _maks akan mengubah tajam kurva saat ini-waktu. Itu berarti tingkat pertumbuhan akan melambat ketika x _maks lebih besar. Pengaruh parameter S , k , dan di η ditunjukkan pada Gambar. 6b-d. Tren peningkatan efisiensi η dengan parameter ini mirip dengan daya maksimum. Efisiensi η secara bertahap meningkat dengan S dan k meningkat. Hebatnya, dapat sangat mempengaruhi efisiensi η . Parameter ε _r sulit untuk diubah, dan untungnya, itu hampir tidak mempengaruhi η seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6e. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 6f, efisiensi η menurun dengan cepat sebagai F meningkat. Hal ini terutama berkontribusi pada peningkatan energi mekanik. Jelas, efisiensinya relatif rendah. Untungnya, kami dapat sangat meningkatkan efisiensi dengan meningkatkan .

Efisiensi konversi η dari TENG. Hubungan efisiensi konversi yang dihitung dengan parameter a x _maks , b S , c k , d , e ε _r , dan f B

Namun, dalam situasi praktis, F dapat mempengaruhi parameter [30]. Di bawah F small kecil , kedua lapisan adalah kontak parsial. Kedua lapisan bisa mendapatkan kontak yang lebih baik sebagai F meningkat. Kemudian parameter F hampir dapat mempengaruhi kerapatan muatan permukaan . Itu adalah meningkat dengan F kemudian menjadi jenuh, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7a. Oleh karena itu, kami menghitung ulang hubungan antara kinerja keluaran dan gaya tekan F . Pengaruh F pada arus maksimum, tegangan, dan daya sesaat masing-masing ditunjukkan pada Gambar 7b-d. Mereka memiliki hubungan yang mirip dengan F . Misalnya, tegangan output meningkat dengan F meningkat dan kemudian tetap konstan, yang konsisten dengan data eksperimen dalam literatur [31, 32]. Pengaruh F pada energi listrik ditunjukkan pada Gambar. 7e. Perlu dicatat bahwa ada titik balik dalam kurva. Energi listrik keluaran meningkat dengan F meningkat dan kemudian menurun sedikit. Sedikit penurunan energi listrik keluaran disebabkan oleh proses kontak yang lebih pendek di bawah F . yang lebih besar . Di bawah gaya tekan kecil, F sebanding dengan , yang menghasilkan energi listrik keluaran yang lebih besar. Namun, di bawah gaya tekan yang besar, menjadi jenuh. Muatan yang ditransfer dalam proses pemisahan tetap konstan sementara penurunan dalam proses kontak di bawah gaya tekan yang lebih besar. Jadi energi listrik keluaran di seluruh proses pemisahan dan kontak turun sedikit. Hubungan η dan F disajikan pada Gambar. 7f. Menariknya, η -B kurva adalah puncak-tajam dan nilai maksimum muncul di F  50 N. Masukan E _mekanik sebanding dengan F , sementara E _mekanik jauh lebih besar dari keluaran E _listrik . Di bawah F small kecil , tingkat pertumbuhan E _listrik lebih cepat dari E _mekanik karena peningkatan yang cepat dalam . Namun, di bawah F . yang besar , penurunan E _listrik dan peningkatan E _mekanik menghasilkan efisiensi yang lebih rendah. Titik balik dalam hubungan antara efisiensi konversi energi dan gaya tekan penting dalam desain sumber daya yang efektif.

Hubungan kinerja keluaran dengan gaya tekan F dalam situasi praktis. a Pengaruh gaya tekan F pada a kerapatan muatan permukaan , b arus maksimum, c tegangan maksimum, d daya sesaat maksimum, e energi listrik, dan f efisiensi

Untuk mendapatkan kinerja keluaran yang lebih tinggi seperti daya saat ini dan sesaat, gaya tekan yang besar F biasanya diterapkan. Tapi itu bisa menyebabkan efisiensi konversi yang rendah. Menurut analisis di atas, kita dapat memilih F . yang rasional untuk mendapatkan daya tinggi serta efisiensi konversi.