برای قرن ها، تمدن ها انرژی را از آب به کار گرفته اند. با این حال برق آبی اغلب برای جابجایی ماشین آلات سنگین به حجم زیادی از آب نیاز دارد که استفاده از آن را به رودخانه ها محدود می کند. اما اگر برق مورد نیاز برای روشنایی خانه شما از برخورد قطرات باران به سقف شما تولید شود چه؟
برای دستیابی به این هدف، دانشمندان بر بارهای الکتریکی ایجاد شده در هنگام تماس مواد و سپس جدا شدن تکیه می کنند، پدیده ای به نام اثر تریبوالکتریک. به عنوان مثال، مالیدن یک بادکنک به موهای شما بارهای مخالفی به آنها می دهد و باعث می شود موهای شما بایستند و به بادکنک بچسبند. دانشمندان از همین اصل برای ساختن استفاده می کنند نانو ژنراتورهای تریبوالکتریک مبتنی بر قطرهیا D-TENGS، جایی که قطرات باران روی سطوح دارای بار منفی می لغزند. با حرکت قطرات، بارهای مثبت آنها در نزدیکی سطح جمع می شوند و بارهای منفی خود را آزاد می کنند. هنگامی که قطرات به یک نوار فلزی به نام an الکترود، این بارهای منفی در یک مدار جریان می یابند و برق تولید می کنند. با این حال، آب اغلب روی سطوح الکترود D-TENG باقی می ماند و قطرات بعدی را مسدود می کند و دستگاه را خورده می کند.
محققان دانشگاه Three Gorges چین و آکادمی علوم چین با اصلاح شکل الکترودهای مورد استفاده در D-TENG به این مشکل نزدیک شدند. آنها پیشنهاد کردند که یک سوزن، به جای یک نوار، به جدا شدن سریع قطرات کمک می کند و به شارژ اجازه می دهد تا به وسیله ای که از قطعات ارزان قیمت استفاده می کند، جریان یابد. آنها این طرح را a نانو ژنراتور تریبوالکتریک مبتنی بر قطرات با الکترودهای سوزنی، یا NED-TENG.
برای ساخت NED-TENG، محققان یک فیلم پلاستیکی با استفاده از یک پلیمر آب گریز به نام تهیه کردند. پلی تترا فلوئورواتیلن به عنوان یک سطح با بار منفی آنها یک سیم مسی را از وسط فیلم پلاستیکی وارد کردند که 3 میلی متر (0.1 اینچ) از جلو بیرون زده بود تا الکترود سوزنی مانندی را که در معرض قطرات باران قرار دارد تشکیل دهد. در همین حال، آنها فویل مسی را به عنوان الکترود دوم به پشت فویل پلاستیکی وصل کردند و مدار را تکمیل کردند. این تیم دو الکترود را به ابزاری متصل کردند که مشخصات الکتریکی را اندازه‌گیری می‌کرد و اجزای آن را روی یک ورق اکریلیک نصب کرد و آن را با نوار ضد آب مهر و موم کرد.
برای شبیه سازی قطرات باران، تیم NED-TENG را 50 درجه از روی میز کج کردند و آب لوله کشی را قطره قطره از 30 سانتی متر (12 اینچ) روی لایه پلاستیکی اسپری کردند. مانند D-TENG های معمولی، این دستگاه با سر خوردن قطرات روی فیلم و تماس با الکترود سوزن، برق تولید می کند. با این حال، از آنجایی که آب فقط قسمت کوچکی از سوزن را لمس کرد، به راحتی از NED-TENG سر خورد و از تجمع آب مانند D-TENG جلوگیری کرد.
محققان سپس دستگاه را با استفاده از 2 معیار ارزیابی و بهینه سازی کردند: نیروی محرکه بار از طریق مدار آن، یا تنش، و سرعت انتقال هزینه های آن، یا جاری. ابتدا NED-TENG را با D-TENG معمولی مقایسه کردند. NED-TENG حدود 564 ولت (V) و 5 میلی آمپر (mA) جریان تولید می کند که تقریباً دو برابر ولتاژ و 3 برابر جریان D-TENG است و برای تأمین انرژی الکترونیکی کوچک مانند چراغ های نشانگر کافی است.
سپس ارتفاع افت را تغییر می دهند تا تولید برق را به حداکثر برسانند. آنها دریافتند که افزایش ارتفاع رهاسازی از 10 به 30 سانتی متر (4 تا 12 اینچ) باعث افزایش ولتاژ و جریان می شود و در حدود 543 ولت و 4 میلی آمپر به اوج خود می رسد. در ارتفاعات بالاتر، قطرات در اثر برخورد به شدت پاشیده می‌شوند، آب را پراکنده می‌کنند و فرآیند شارژ را که در قطرات سرخورده مشاهده می‌کنند، مختل می‌کنند.
به طور مشابه، محققان زوایای مختلف شیب دستگاه را از 10 درجه تا 70 درجه آزمایش کردند. آزمایشات آنها نشان داد که عملکرد الکتریکی دستگاه در زوایای تندتر افزایش یافته و در 50 درجه به اوج می رسد و به 521 ولت و 3 میلی آمپر می رسد. در زوایای تندتر، قطرات زمان کمتری را در تماس با سطح می گذرانند و خروجی الکتریکی را کاهش می دهند. آنها توضیح دادند که از آنجایی که مواد تریبوالکتریک بسیار حساس هستند، نتایج ممکن است در بین آزمایش‌ها کمی متفاوت باشد و در نتیجه مقادیر پیک فردی کمتر از بالاترین نتایج کلی باشد.
سپس محققان نحوه عملکرد این فناوری را در یک نصب شبیه سازی شده روی پشت بام مطالعه کردند. برای کاهش نوسانات برق در طول برنامه های کاربردی دنیای واقعی، آنها چندین NED-TENG را متصل کردند. آنها مشاهده کردند که 10 دستگاه متصل می توانند یک را پر کنند جزء کوچک ذخیره انرژی در عرض 2 دقیقه و 200 چراغ LED را روشن می کند.
به طور کلی، NED-TENG ها آب را به طور موثر جدا می کنند و الکتریسیته بیشتری نسبت به D-TENG تولید می کنند در حالی که ساخت آن آسان است. این تیم خاطرنشان می کند که مطالعات گسترده آینده باید بررسی کند که چگونه سیستم های سقف می توانند آب باران را به دستگاه ها در ارتفاعات بهینه هدایت کنند و چگونه قطرات با سطوح آنها برای بهبود کارایی طولانی مدت تعامل دارند. با توسعه بیشتر، این سیستم های کم هزینه می توانند پشت بام ها را به ژنراتورهای عملی تبدیل کنند که با بارندگی روزانه نیرو می گیرند.
بررسی ها: 1,652
