Досягнення надвисокої миттєвої щільності потужності 10 МВт/м2 за допомогою транзисторного трибоелектричного наногенератора з протилежним зарядом (OCT-TENG)
https://www.nature.com/articles/s41467-021-25753-7
Абстрактний
Перетворюючи різні види механічної енергії навколишнього середовища в електрику, трибоелектричний наногенератор (TENG) привернув увагу всього світу. Незважаючи на здатність досягати високої напруги холостого ходу до тисяч вольт, вихідна потужність TENG зазвичай мізерна через високий вихідний опір і низьку передачу заряду. Тут, використовуючи ефект протилежного посилення заряду та транзисторну конструкцію пристрою, ми обходимо ці обмеження та розробляємо TENG, який здатний забезпечити миттєву щільність потужності понад 10 МВт/м2 на низькій частоті ~ 1 Гц, що значно перевищує таку в попередніх звітах. При такій високій потужності комерційні лампи потужністю 180 Вт можуть освітлюватися пристроєм TENG. Автомобільна лампочка зі світлодіодами потужністю 30 Вт також має бездротове живлення та здатна освітлювати об'єкти на відстані понад 0,9 метра. Наші результати не тільки встановили рекорд високої потужності TENG, але й проклали шляхи для використання TENG для живлення широких практичних електроприладів.
Введення
Сьогодні наш світ стикається з безпрецедентними загрозами з боку енергетичної кризи, глобального потепління та забруднення навколишнього середовища через велику залежність від викопного палива1,2. Для оптимізації світової структури енергоспоживання увага приділяється величезним чистим і відновлюваним енергіям, що містяться в механічних рухах навколишнього середовища, таких як хвилі води, вітер, краплі дощу та біомеханічні рухи. Зокрема, з недавньою появою Інтернету речей ці всюдисущі механічні енергії навколишнього середовища можуть чудово служити джерелами енергії для численних датчиків, поширених по всьому світу. Можливість збирати ці механічні енергії навколишнього середовища3,4,5,6,7, трибоелектричний наногенератор (TENG), заснований на поєднанні трибоелектрифікації та електростатичної індукції, відразу ж привернув широкий інтерес своїми улюбленими перевагами, такими як простота виготовлення, легка, безмагнітна та низькочастотна здатність збирати механічну енергію8,9,10, оскільки він був запропонований у 2012 році8. Складаючись всього з декількох тонких плівок, TENG може перетворювати різні механічні джерела енергії в електрику і легко генерувати напругу холостого ходу рівня кВ11,12.
Однак TENG страждає від двох фундаментальних обмежень: передача низького заряду13,14,15,16 (~100 мкК/м2) і високий вихідний опір13,17 (в порядку МОм), що призводить до низької вихідної потужності. Вихід заряду ТЕНГ може бути збільшений за рахунок підвищення поверхневої щільності заряду трибоматеріалу18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, але він часто потребує додаткових процесів модифікації матеріалу26,27, зовнішні модулі збудження заряду24,25, або суворі умови навколишнього середовища21,28. З іншого боку, імпеданс можна зменшити, використовуючи схеми керування живленням (PM)13,29,30. Наприклад, з останньою сучасною схемою PM миттєва щільність потужності досягла 11,13 кВт/м2, а комерційні лампи потужністю 10 Вт можуть живитися з ефективною площею 100 см2 29. Проте, крім недоліків, пов'язаних з громіздкістю схем УП з декількома транзисторами, конденсаторами та іншими елементами, ці електронні компоненти також споживають значну частку вихідної потужності і тим самим перешкоджають потужності, що подається на навантажувальні пристрої. Таким чином, підвищення загальної передачі заряду та зменшення вихідного опору є ключовими факторами для того, щоб TENG служив високопродуктивним джерелом живлення.
У цій роботі ми розробляємо транзистороподібний TENG (OCT-TENG) з протилежним зарядом, який здатний забезпечувати надвисоку миттєву щільність потужності понад 10 МВт/м2. Досягнення обох протилежних зарядів (позитивних і негативних) за допомогою компланарних протилежних трибоповерхонь забезпечує значно посилений перенос заряду. У той же час конструкція транзисторної структури надає близький до нуля вихідний опір, тим самим дозволяючи посиленим зарядам ефективно вивільнятися через зовнішнє навантаження. Використання OCT-TENG з ефективною площею 25 см2, можна запалювати комерційні лампи потужністю до 180 Вт. Автомобільна лампочка, що містить потужні світлодіоди (30 Вт), також може живитися від бездротового зв'язку та яскраво освітлювати об'єкти на відстані понад 0,9 м. Перевершивши попередні звіти, в яких використовувалися світлодіоди рівня мВт для демонстрації продуктивності TENG, наші результати проклали шляхи для використання TENG для широкого практичного застосування.
Результатів
Висока продуктивність OCT-TENG
Як показано на рис. 1а та дод. 1, OCT-TENG складається з підкладки статора і повзунка. Статор містить компланарні трибоповерхні з поляризацією протилежного заряду (фторований етиленпропілен, позначається як FEP, і полікарбонати, позначаються як PC, обидва товщиною 100 мкм) і чотири електроди (\({E}_{1}\),\(\,{E}_{2}\), \({E}_{L}\) і \({E}_{R}\)). \({E}_{L}\) і \({E}_{R}\) - це два плаваючих електрода, розміщених з лівого і правого боку підкладки статора. \({E}_{1}\) і \({E}_{2}\) — це два листові електроди (Cu), розміщені під плівками FEP і PC. Повзунок містить листовий електрод \({E}_{3}\) під тонкою плівкою FEP (10 мкм). Весь пристрій є аналогом комплементарної транзисторної пари з двох конструктивно ідентичних транзистороподібних частин з протилежними трибоповерхнями. \({E}_{1}\) і \({E}_{2}\) можна розглядати як «джерело» (S) кожного «транзистора», а \({E}_{3}\) як динамічний «стік» (D). \({E}_{L}\) і \({E}_{R}\) є "воротами" (G). Коли \({E}_{3}\) торкається \({E}_{L}\) або \({E}_{R}\), «затвор» транзистора включається «ON», і відповідно, заряди можуть протікати між «джерелом» і «стоком». Для порівняння ми також виготовили звичайний режим ковзання TENG («управління-TENG», показане на рис. 1б і дод. 2) і TENG з односпрямованим перемикачем (TENG-UDS)31 (Доповнити рис. 3).
Схема поперечного перерізу транзисторноподібного трибоелектричного наногенератора з протилежним зарядом (OCT-TENG) і b пристрою керування звичайним ковзним режимом TENG. c Порівняння вихідного струму між OCT-TENG і пристроєм керування. (опір навантаження R 1 МОм) d Порівняння імпульсної потужності в залежності від опору навантаження між OCT-TENG і пристроєм управління. e Порівняння миттєвої щільності потужності, отриманої в даній роботі, з іншими звітами13,19,28,29,32,33. f, фотографія ламп потужністю 180 Вт, що живляться від OCT-TENG. Вставка показує фотографію OCT-TENG. Смужки шкали в f і вставці дорівнюють 5 см.
Виміряний піковий вихідний струм OCT-TENG на навантажувальному резисторі (R = 1 МОм) становить ~ 2,7 мА, що приблизно в 300 разів вище, ніж у керуючого-TENG за допомогою того ж повзунка, як показано на рис. 1 і дод. 4. Що ще цікавіше, при загальній передачі заряду приблизно в 2,5 рази від контрольно-TENG, наш OCT-TENG може видавати на кілька порядків більшу потужність, як показано на рис. 1д і дод. 5–6. Надвисокий струм 37 А може бути досягнутий при ефективній площі 25 см2 на опорі навантаження 22 Ω, що відповідає миттєвій щільності потужності ~30 кВт (12 МВт/м2), як показано на рис. 1д і дод. 7. У порівнянні з TENG-UDS, вихідні дані нашого OCT-TENG також набагато вищі. Імпульсна потужність і середня вихідна потужність TENG‐UDS становлять лише ~ 4% і 1,5% від потужності OCT-TENG відповідно (Додаткові рис. 4–6). При опорі навантаженню від 22 Ω до 120 Ω миттєва щільність потужності нашого OCT-TENG тримається вище 10 МВт/м2, перебуваючи далеко за межами такого в літературі13,19,28,29,32,33 (Рис. 1e). Крім того, при широкому діапазоні опору навантаження від 22 Ω до 10 МОм, середня щільність потужності нашого OCT-TENG перевищує 450 мВт·м−2· Гц−1, а максимальне значення досягає 790 мВт·м−2· Гц−1, що також вище, ніж у недавнього рекорду в 110 мВт·м−2· Гц−1 29(див. нижче і доповнити рис. 8). За допомогою нашого OCT-TENG можна запалити комерційні лампи потужністю 180 Вт, як показано на рис. 1 розд.
Механізм роботи OCT-TENG
Щоб наочно пояснити значне збільшення вихідної потужності нашого OCT-TENG у порівнянні зі звичайними пристроями TENG, ми розділили процес роботи та генерації електроенергії OCT-TENG на чотири етапи, як показано на рис. 2а. На етапі 1 повзунок знаходиться зверху поверхні ФЕП, а електрод {E}_{3} контактує з лівим плаваючим електродом {E}_{L}, що відповідає стану «ON» лівого «транзистора». На 2-му етапі повзунок переміщається в сторону ПК (перед контактом з {E}_{R}). На цьому етапі «транзистори» знаходяться в стані «ВИМКНЕНО». На 3-му етапі {E}_{3} контактує з {E}_{R}, що відповідає стану «ON» «транзистора» з правого боку. На 4-му етапі повзунок переміщається в сторону ПК, перш ніж {E}_{3} торкнеться {E}_{L}; «транзистори» знаходяться в стані «ВИМК.». На кожному етапі електрони переходять між відповідними електродами і врівноважують встановлену різницю потенціалів, як показано на рис. 2а. Схеми заміщення показані на додатковому рис. 9. У стані "ON" (етапи 1 і 3) заряди негайно переходять між відповідним "джерелом" ({\mathrm {E}}_1 або {\mathrm {E}}_2) до "стоку" ({\mathrm {E}}_3). У стані «ВИМК.» (етапи 2 і 4) заряди передаються між двома «джерелами» ({\mathrm {E}}_1 і {\mathrm {E}}_2) разом з рухом повзунка. За допомогою розумної схемотехніки на всіх цих чотирьох стадіях електричні заряди передаються між точкою «А» і точкою «В» в ланцюзі (позначено на рис. 2а) і подавати електричну енергію на зовнішнє навантаження.
Принципова схема принципу роботи ОКТ-ТЕНГ. Тракт передачі заряду в кожному ступені позначений червоним кольором. b Генерований струм і графік c U–Q OCT-TENG протягом одного циклу роботи (опір навантаження 4,7 МОм).
Ми розраховуємо суму перенесення нарахувань на основі запропонованого механізму (Примітка 1 у Додатковій інформації), і передача нарахувань на цих чотирьох етапах може бути виражена як:
де \({Q}_{1}\),\(\,{Q}_{2}\) і \({Q}_{3}\) — величини зарядів на поверхні ФЕП статора, поверхні ПК і поверхні ФЕП повзунка відповідно. \({\varepsilon }_{1}\), \({\varepsilon }_{2}\) і \({\varepsilon }_{3}\) є відповідними діелектричними проникними трибоматеріалів. \({d}_{1}\), \({d}_{2}\) і \({d}_{3}\) — товщина відповідності цих трибоматеріалів. За даними Eqs. (1)–(3), передача максимального заряду відбувається, коли \({d}_{1},{d}_{2}\gg {d}_{3}\), що є умовою, що використовується в даній роботі. Враховуючи, що \({Q}_{1} < 0\) і \({Q}_{2} > 0\) внаслідок поляризації ФЕП і ПК, екв. (1)–(3) можна спростити як \({Q}_{s1}={Q}_{s3}\approx {Q}_{2}-{Q}_{1}\), \({Q}_{s2}{\approx Q}_{1}\) та \({Q}_{s4}{\approx -Q}_{2}\), відповідно. Користуючись ефектом протилежного посилення заряду, в стані «ON» (стадії 1 або 3) велика кількість зарядів \(({Q}_{2}-{Q}_{1})\) тече в одному напрямку струму від «А» до «В». Разом з переведенням заряду в стан «ВИМК.» (етапи 2 і 4) з \(\left|{ Q}_{1}\right|\) (=\(-{Q}_{1}\)) і \(\left|{ Q}_{2}\right|\) (= \({Q}_{2}\)), сумарна передача заряду в нашому OCT-TENG за цикл становить 3(\(\left|{ Q}_{2}\right|\)+\(\left|{ Q}_{1}\right|\)), і це набагато вище, ніж у контрольних-TENG і TENG-UDS (Дод. 5 і 6).
Результати експерименту добре узгоджуються із запропонованим нами механізмом і моделлю. Користуючись ефектом протилежного посилення заряду і транзисторної структурою, в стані «ON» (1 і 3 стадії) велика кількість зарядів \(({Q}_{2}-{Q}_{1})\) швидко переходить від «джерела» до «стоку», приводячи до різких і високих піків струму, як показано на рис. 2б і дод. 10. Такий великий струм призводить до високої генерації енергії, як показано у вигляді площі під зубчастою кривою на графіку U-Q, показаному на рис. 2c. Цей процес може бути аналогічним генератору електроенергії на основі крапель (DEG)3,4,23,34,35 коли крапля торкається верхнього електрода, а також звичайного TENG-UDS31 в той момент, коли електроди на бігунку стикаються з нерухомими електродами. Перевершуючи DEG і TENG-UDS, генеруюча потужність нашого OCT-TENG набагато вища завдяки ефекту протилежного посилення заряду. У стані «ВИМКНЕНО» (2 і 4 стадії) передача заряду в OCT-TENG відбувається разом з рухом повзунка, в результаті чого утворюється відносно невеликий струм (рис. 9 і 10) і, таким чином, низька вихідна енергія (рис. 2c). Цей процес аналогічний процесу звичайного ковзання TENG. При кімнатній температурі і навколишньому середовищі сумарний перенос заряду OCT-TENG досягає ~ 3,7 мкС за цикл (рис. 2c), що відповідає 1,5 мК/м2. Швидкість зарядки конденсатора OCT-TENG у 2,7–3,0 рази вища, ніж контрольного-TENG (Дод. 11-13), що також підтверджує протилежний ефект посилення заряду.
Транзисторна конструкція дозволяє генерувати високий струм у стані «ON», а піковий струм обернено пропорційний опору в ланцюзі, як показано на рис. 3а–е, ж. В ідеалі внутрішній опір (вихідний опір) транзисторного TENG, \({R}_{{in}}\), дорівнює нулю. Але в реальному тестуванні з ланцюга можна виявити невеликий \({R}_{{in}}\), який може виходити від контактного опору. Зіставивши пікове значення виміряного струму з \({I}_{{\max }}\propto {({R}_{{in}}+R)}^{-1}\), де \({R}_{{in}}\) - внутрішній опір (вихідний опір), а \(R\) - опір навантаження, ми отримаємо \({R}_{{in}}\) схеми TENG всього 41 Ω (Додатковий рис. 14). На відміну від вихідного струму, генерована енергія (середня потужність) на каскаді «ON» повинна масштабуватися за допомогою \(\frac{{\left|{ Q}_{2}-{Q}_{1}\right|} ^{2}}{{C}_{{TENG}}}\), де \({C}_{{TENG}}\) - ємність ТЕНГ, на яку не впливає опір навантаження (рис. 3j). Графік U–Q у стані «ON» відображає зубчасту форму, а не ідеальну трикутну, через криву розщепленого струму, що виникає при пробої повітря (рис. 15). Запобігання ефекту поломки в майбутній роботі може ще більше підвищити продуктивність OCT-TENG. Тим не менш, вихідна енергія зберігається на однаковий порядок величини при великому діапазоні опору, як показано на рис. 3 г, ж.
Струм на виході на 1 каскаді з опором 120 Ω, b 39 кОм і c 560 кОм. d Графік U–Q OCT-TENG, згенерований зі стадії 1 з опором 120 Ω, 39 кОм і 560 кОм. Вихідні струми з включеного стану (ступені 1 і 3): e обернено пропорційні опору навантаження, і h, незалежні від частоти. Вихідні струми, що генеруються зі стану OFF (каскади 2 і 4): f не залежать від опору навантаження і пропорційні частоті. g Графік U–Q OCT-TENG з опором навантаження 1 МОм, 4,7 МОм і 10 МОм. j - середня густина потужності і пікова щільність струму в залежності від опору навантаження.
У стані «ВИМК.» вироблення електроенергії відбувається разом із рухом повзунка. Подібно до звичайного TENG, на струм, що генерується в стані «ВИМК.», не впливає опір навантаження (коли опір відносно невеликий), але сильно впливає частота ковзання, як показано на рис. 3f, i, і дод. 16. Враховуючи, що вся генерація електроенергії OCT-TENG залежить від виходу з каскадів «ON», для великого діапазону опору навантаження від 22 Ω до 10 МОм середня щільність потужності залишається приблизно постійною і все вище 450 мВт·м−2· Гц−1. Найбільше значення 790 мВт·м−2· Гц−1 (з опором навантаження 10 МОм) вище попереднього рекорду в 110 мВт·м−2· Гц−1 29. Також були проведені експерименти, засновані на різних параметрах (включаючи ефективну площу, відстань між \({E}_{L}\) і \({E}_{R}\), а також форму електрода на статорі), і всі результати підтверджують запропонований нами механізм (рис. 17–20).
Пряме спостереження ефекту протилежного посилення заряду
Щоб продемонструвати ефект протилежного посилення заряду, ми створили «чотирипортову» методологію для безпосереднього виявлення вихідного заряду з протилежним зарядом OCT-TENG. Як показано на рис. 4a, заземлюємо чотири електроди на статорі (\({E}_{L}\),\(\,{E}_{R}\), \({E}_{1}\) і \({E}_{2}\)) і контролюємо вихід заряду \({E}_{1}\). У випадку, коли \({d}_{1},{d}_{2}\gg {d}_{3}\), перенесення заряду з \({E}_{1}\) на землю під час етапу 1 на 4 становить \({Q}_{2}-{Q}_{1}\), \({-Q}_{2}\), 0 і \({Q}_{1}\) відповідно, як показано на додатковому рис. 21. Використовуючи цю методологію, ми чітко спостерігали накопичення заряду, як показано на рис. 4b, а \({Q}_{1}\) і \({Q}_{2}\) також можна визначити за результатами тестування, як показано на рис. 4c. Незважаючи на виявлення виходу заряду, цей метод «чотирьох портів» також є швидким і легким підходом для оцінки різних систем матеріалів для оптимізації пристрою з точки зору матеріалів. Змінюємо трибоматеріальні системи і перевіряємо значення \({Q}_{1}\) і \({Q}_{2}\) методом «чотирьох портів», як показано на рис. 4д і дод. 22. Високе значення \(({Q}_{2}-{Q}_{1})\) призводить до великих струмових і силових виходів OCT-TENG (рис. 4е, дод. 23 і 24).
Схема методики "чотирьохпортової" оцінки вихідного заряду OCT-TENG. b Накопичення заряду, виміряне методом «чотирьох портів». c заряд на поверхні ФЕП \({Q}_{1}\), заряд на поверхні ПК \({Q}_{2}\) і вихідний заряд OCT-TENG \({Q}_{2}-{Q}_{1}\), виміряний методом «чотирьохпортів». d Виміряні \({Q}_{1}\), \({Q}_{2}\) і \({Q}_{2}-{Q}_{1}\) з різними матеріальними системами. (A@B/C позначає трибоповерхню повзунка як А, а статора як В і С). e Вихідний струм OCT-TENG (повна схема, показана на рис.1a) з різними матеріальними системами (опір навантаженню: 4,7 МОм).
У зв'язку з корисністю потрійних матеріалів в нашому OCT-TENG, на \({Q}_{1}\) і \({Q}_{2}\) впливають три трибоматеріали. Для FEP@FEP/PC (див. трибоматеріал повзунка як FEP, а статора як FEP і PC) поверхня FEP на статорі також містить певну кількість негативних зарядів після тертя з ідентичним матеріалом (FEP) на повзунку. Це пов'язано зі збалансованим розподілом заряду після трибоелектризації між потрійними системами матеріалів36. За моделлю електрон-хмара-потенціал-яма37, додаткові електрони, що займають більш високі орбіти, генеруються на поверхні ФЕП повзунка після його контакту з ПК на статорі. Коли ФЕП на повзунку контактує з ФЕП на статорі, ці електрони, що займають більш високі орбіти, прагнуть переходити на порожні орбіти в ФЕП статора до тих пір, поки різниця в глибинах потенційної лунки між поверхнями не буде повністю врівноважена. Тому ФЕП на статорі також отримує негативні заряди, і цей процес проілюстрований на дод. 25. Зверніть увагу, що всі заряди на поверхнях матеріалів утворюються в результаті трибоелектризації, і ніякий інший процес поляризації в цій роботі не застосовується. Отже, у нашому пристрої не спостерігається проблеми згасання заряду. Пристрій OCT-TENG зберігався в нашій лабораторії в навколишньому середовищі протягом 6 місяців без очевидного погіршення продуктивності (Додатковий рис. 26). Але, як і всі інші пристрої TENG з фізичним контактом, тривала експлуатація також може спричинити зношування поверхонь матеріалів у нашому OCT-TENG, як показано на додаткових рис. 27 і 28.
Демонстрація високої продуктивності OCT-TENG
OCT-TENG може живити малопотужні пристрої, такі як годинники та термометри (Додатковий рис. 29 і Supplementary Video S5), а також пристрої великої потужності. Використовуючи надвисоку потужність, ми успішно запалюємо одну лампу потужністю 36 Вт і п'ять ламп потужністю 180 Вт за допомогою невеликого OCT-TENG з ефективною площею 25 см2. (Рис. 5a–c, додаткові відео s1 і s2). Крім того, враховуючи, що більша частина електроенергії виробляється в стані «ON» (ступінь 1 і етап 3), а струми, що генеруються в стані «ON», знаходяться в одному напрямку, немає необхідності в випрямлячі в ланцюзі. Така висока вихідна потужність також дозволяє живити різні електронні пристрої бездротовим способом. Використовуючи просту схему передачі потужності з двома котушками індуктивності (індуктивність: 50 мкГн, діаметр: 52 мм), ми досягаємо максимального ККД передачі потужності 75%, як показано на рис. 5д і дод. 30. Світлодіоди потужністю 825 мВт і автомобільна лампочка, що містить шість комерційних потужних світлодіодів (загальна потужність 30 Вт), освітлюються за допомогою OCT-TENG з ефективною площею 25 см2 (Рис. 5e, f, додаткові відео 3 і 4). За допомогою автомобільної лампи з бездротовим живленням можна яскраво освітлювати об'єкти, що знаходяться на відстані 0,9 метра, як показано на рис. 5 розд.
Схема безпосереднього живлення навантажувальних пристроїв за допомогою OCT-TENG. b Лампа 36 Вт і лампа c 180 Вт, що живляться від OCT-TENG. d ефективність бездротової передачі електроенергії в залежності від опору навантаження. Врізка являє собою схему бездротового живлення навантажувальних пристроїв. e 825 світлодіодів з бездротовим живленням від OCT-TENG. f Автомобільна лампа зі світлодіодами потужністю 30 Вт, що живиться від OCT-TENG і освітлює об'єкти на відстані 0,9 метра.
Обговорення
У цій роботі ми пропонуємо стратегію OCT-TENG для підвищення вихідної потужності TENG шляхом використання комбінованих ефектів синергії протилежного заряду та конструкції транзисторного пристрою. З одного боку, величина передачі заряду була посилена ефектом протилежного посилення заряду. З іншого боку, використовуючи транзисторну структуру, потужність може генеруватися на навантажувальних пристроях з імпедансом, близьким до нуля, що призводить до надвисокої потужності 12 МВт/м2 і середня питома потужність 790 мВт·м−2· Гц−1, що значно перевершує попередні рекорди. Користуючись такою високою потужністю, ми безпосередньо запалюємо комерційні лампи потужністю 180 Вт і бездротовим способом живлення автомобільної лампи потужністю 30 Вт. Наш OCT-TENG продемонстрував структуру архітектури пристроїв для потужних TENG і відкрив шляхи використання TENG для живлення електроприладів і бездротового живлення різних електричних пристроїв.
Методи
Виготовлення OCT-TENG
OCT-TENG містить статор і повзунок. У матеріальній системі A@B/С А є трибоповерхнею на повзуні; В і С - компланарні трибоповерхні на статорі. Трибоматеріали, що використовуються в цій роботі, включають FEP (фторований етиленпропілен), PC (полікарбонат), Kapton (поліімід) і PP (поліпропілен). Для статора в якості підкладки використовується каптонова стрічка (100 мкм). Поверх каптонової стрічки виготовляються дві стрічки Cu 5 см × 5 см в якості електродів \({E}_{1}\) і \({E}_{2}\). Плівка ~100 мкм матеріалу А розміщується поверх \({E}_{1}\), а плівка ~100 мкм матеріалу B розміщується поверх \({E}_{2}\). Струмопровідні тканини шириною 0,5 см наклеєні на два невеликих акрилових плоских кубика (2 см × 2 см × 0,3 см) у вигляді двох плаваючих електродів \({E}_{L}\) і \({E}_{R}\). Для бігунка в якості підкладки використовується губка. На губку кладуть струмопровідну тканину розміром 6 см × 5 см в якості електрода \({E}_{3}\). 5 см × 5 см плівка матеріалу С (10 мкм) розміщена на струмопровідній тканині як трибошар повзунка. Схема підключається так, як показано на рис. 1а з струмопровідними жилами (струмопровідні жили обмотані ізоляційними покриттями).
Характеристика
Електричний струм, менший за 5 мА, вимірюється підсилювачем струму (SR570, Stanford Research System), а для більш ніж 5 мА розраховується за напругою на опорі навантаження, виміряної цифровим запам'ятовуючим осцилографом (DSOX2014A, KEYSIGHT), оснащеним високоомним (100 МОм) зондом. Вихідний струм контрольного зразка показаний на рис. 1b також вимірюється програмованим електрометром (Keithley 6514), і результат тесту ідентичний з результатом, виміряним попереднім підсилювачем струму. Вихід заряду «чотирьохпортового» методу вимірюється програмованим електрометром (Keithley 6514). Криві U–Q базуються на даних виміряного струму з відомим опором \(R\) як навантаження. Випробувальна схема показана на додатковому рис. 31. U було обчислено з \({|U|} ={R|I}\left(t\right)|\), а Q обчислюється з \({|Q|} ={\int }_{{t}_{0}}^{t}{|I|dt}\), де \({t}_{0}\) — час початку кожного циклу.
Демонстрація продуктивності пристрою
Модель лампи високої потужності, яку ми використовуємо для демонстрації високої потужності OCT-TENG - MASTER PL-L 36 W/840/4 P (PHILIPS) номінальною потужністю 36 Вт, довжиною лампи 415 мм. Автомобільний ліхтар зібраний шістьма світлодіодами потужністю 5 Вт (в кольорі синього і зеленого). Малопотужні світлодіоди з номінальною потужністю 60 мВт з'єднані послідовно. Для бездротового живлення індуктивність на котушці індуктивності становить 50 мкГн, а діаметр котушки - 52 мм. Ефективність передачі потужності обчислюється як \(\eta ={E}_{T}/{E}_{0}\), де \({E}_{T}\) - енергія, що передається по бездротовому зв'язку на опір навантаження по схемі передачі потужності (врізка рис. 5d), а \({E}_{0}\) - енергія, що подається на опір навантаження шляхом безпосереднього з'єднання зовнішнього навантаження з OCT-TENG (рис. 5a). Енергія була обчислена як \(E=\int {I}^{2}{Rdt}\), де \(I\) — струм, \(R\) — опір навантаження, а \(t\) — час.
Доступність даних
Вихідні дані надаються разом з цією статтею. ( перейти до орігіналу)
Немає коментарів:
Дописати коментар