고에너지 변환 효율을 위한 접촉 모드 마찰 전기 나노 발전기의 이론 시스템

초록

차세대 전자 제품의 급속한 확장으로 휴대 가능하고 효율적인 에너지원은 시장 발전을 방해하는 가장 중요한 요소 중 하나가 되었습니다. 마찰전기 나노발전기(TENGs)는 탁월한 기능을 위한 잠재적인 후보입니다. 여기에서 우리는 전체 에너지 변환 프로세스를 고려하여 접촉 모드 TENG의 전력 및 변환 효율을 심층 분석했습니다. 첫째, 기존의 분석을 넘어서 압축력이 도입되어 접촉 분리 프로세스의 작동 원리에 대한 더 나은 이해를 제공하는 보다 다양한 모션 프로파일을 도출했습니다. 그런 다음 다양한 매개변수가 성능에 미치는 영향을 심층 분석했습니다. 특히, 최적의 힘에서 최대 효율 TENG를 얻을 수 있습니다. 보다 효율적인 TENG에 현실적이고 유용합니다. 또한, 이 연구는 TENG 기술의 추가 산업화 및 다기능화의 기반을 마련하는 TENG의 효율성을 정량화하기 위한 표준을 수립할 좋은 기회를 제공합니다.

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배경

인공 지능과 클라우드 네트워크는 스마트 홈, 건강 모니터링, 엔터테인먼트 및 환경 모니터링을 위한 차세대 전자 장치의 급속한 발전으로 현대 생활의 질을 점차 향상시키고 있습니다[1,2,3]. 이러한 대용량 전자 장치에 전원을 공급하는 것은 큰 크기, 짧은 수명, 특히 급속 충전 문제를 고려할 때 기존 배터리 기술을 활용하여 불가능한 임무가 되었습니다. 웨어러블 전자 제품에 적합한 지속 가능한 전원을 개발하는 데 가장 중요한 장벽 중 하나가 되었습니다[4,5,6].

현재, 마찰전기화에 기반한 마찰전기 나노발전기(TENGs)는 기계적 에너지를 수확하기 위한 매력적인 기술로 입증되었습니다. 유연성[7], 비용 효율성[8], 간단한 제조 공정[9], 환경 보호[10] 및 다양성[11]을 포함한 수많은 장점으로 인해 웨어러블 전자 장치의 유망한 후보입니다. 주변 기계 에너지에서 에너지를 수확하는 데 널리 사용되었습니다. 또한 자체 전원 애플리케이션을 위한 웨어러블 장치와 통합하는 데 사용할 수 있습니다[12,13,14]. 현재, 표면 형태[15, 16], 재료 최적화[17, 18], 전하 주입[19, 20], 구조 최적화[21, 22] 및 다중 나노발전기를 포함하여 전력을 증가시키기 위해 많은 방법이 활용되었습니다. [23, 24]. 출력 성능의 급속한 발전에도 불구하고 에너지 변환 효율을 분석하기 위한 결정적인 모델은 없습니다. TENG의 다양한 모드에 대해 많은 이론적 설명이 발표되었습니다[25,26,27]. 그러나 대부분의 분석은 전체 에너지 변환 프로세스에 대해 논의하지 않고 출력 전력에만 중점을 둡니다. 더 중요한 것은, 더 높은 출력 전력이 더 높은 에너지 변환 효율을 의미하지 않으며 심지어 역효과를 낳을 수도 있다는 것입니다. 이는 에너지 변환 효율에 대한 직접적인 연구가 부족하여 보다 효율적인 TENG의 개발을 다소 방해했습니다.

이 작업에서 우리는 전체 프로세스를 고려하여 접촉 모드 TENG의 전력 및 변환 효율을 체계적이고 직접적으로 분석했습니다. 첫째, 기존의 분석을 넘어서 압축력이 도입되어 접촉 분리 프로세스의 작동 원리에 대한 더 나은 이해를 제공하는 보다 다양한 모션 프로파일을 도출했습니다. 그런 다음 운동 방정식에 따라 전체 접촉 및 분리 과정에서 중요한 장치 성능에 대한 명시적 방정식을 제시했습니다. 마지막으로 최대 전력, 특히 에너지 변환 효율에 대한 재료 특성, 구조적 매개변수 및 실험적 요인의 영향을 체계적으로 조사했습니다. 매개변수, 특히 압축력을 합리적으로 설계하여 최대 효율과 출력을 얻을 수 있습니다. 보다 효율적인 TENG에 현실적이고 유용합니다. 중요한 것은 TENG의 추가 산업화 및 다기능화의 기초를 마련하는 TENG의 효율성을 정량화하기 위한 표준을 수립할 수 있는 좋은 기회라는 것입니다.

방법

TENG의 기본 작동 원리는 마찰 대전 및 정전기 유도를 기반으로 합니다. 마찰재의 관점에서 대략 두 가지 유형으로 분류할 수 있습니다. 일 함수와 마찰로 인해 유전체 재료와 도체 재료가 마찰 전기 쌍으로 선택됩니다. 그림 1과 같이 상부층은 상부전극(TE)으로 구성되어 있으며 유전체층은 상하로 움직일 수 있는 반면 하부전극(BE)은 기판에 고정되어 있다. 두 레이어는 부하 저항 R로 연결됩니다. . 분리 및 접촉 과정은 각각 그림 1a, b에 나와 있습니다. 분리 과정에서 전자는 TE에서 BE로 흐르고 접촉 과정에서 TE로 돌아갑니다.

<그림>

TENGA의 접촉 모드에 대한 이론적 모델. 아 분리 과정 및 b 연락 절차

적용된 힘 F 하에서 , 상단 레이어는 하단 레이어와 완전히 접촉합니다. BE는 표면 전하 밀도가 σ인 양의 마찰전기 전하를 가집니다. 유전층은 부호가 반대인 동일한 전하를 가집니다. 분리과정에서 상부층은 하부층과 거리 x로 분리 (그 ). 잠재적인 차이가 발생합니다. V (그 ) 전기장으로 인한 TE와 BE 사이. 오프셋 V (그 ), 전자는 R을 통해 두 전극 사이를 흐를 것입니다. . 따라서 TE의 요금은 Q입니다. BE는 Sσ로 남습니다. − Q . 두 영역의 전기장 세기는 가우스 정리에 따라 다음과 같이 주어진다.

유전체 층 내부:

$$ {E}_{\mathrm{유전체}}=-\frac{Q}{S{\varepsilon}_0{\varepsilon}_r} $$ (1)

에어 갭 내부:

$$ {E}_{\mathrm{air}}=\frac{\sigma_0-Q/S}{\varepsilon_0} $$ (2)

여기서 ε ₀ 그리고 ε _r 는 각각 진공 유전율과 상대 유전율입니다.

V (그 )는 다음 방정식을 만족해야 합니다.

$$ V(t)={E}_{\mathrm{유전체}}d+{E}_{\mathrm{공기}}x(t) $$ (3)

옴의 법칙에서 V (그 )는

로 주어진다. $$ V(t)=RI(t)=R\frac{dQ}{dt} $$ (4)

방정식을 병합하면 얻을 수 있습니다.

$$ \frac{dQ}{dt}+\frac{d_0+x(t)}{RS{\varepsilon}_0}\times Q=\frac{\sigma x(t)}{R{\varepsilon}_0 } $$ (5)

Eq. (5)는 TENG의 지배 방정식입니다. 전체 분리 및 접촉 공정에 적용할 수 있습니다. x (그 ) TENG의 가장 중요한 요소 중 하나입니다. 기존 작업과 달리 직접 가정하지 않고 실제적인 운동방정식을 구축합니다. 본 논문에서는 압축력과 실험조건을 바탕으로 전 과정의 운동방정식을 구축하였다.

결과 및 토론

비 스프링 시스템

첫째, 일정한 압축력 F만 고려합니다. 그리고 최상층의 중력. 모션 방정식은 다음과 같이 얻을 수 있습니다(추가 파일 1:참고 1 및 ESM의 그림 S1 참조). 실제로 x (그 ) 항상 최대값 x를 가집니다. _최대 그리고 최소 제로. 따라서 운동 방정식은 다음과 같이 주어집니다.

$$ \left\{\begin{array}{c}\ x(t)=\frac{F- mg}{2m}{t}^2,t<\sqrt{\frac{2{x}_{ \mathrm{max}}m}{F-mg}}\ \\ {}x(t)={x}_{\mathrm{max}},t\ge \sqrt{\frac{2{x}_ {\mathrm{max}}m}{F-mg}}\end{array}\right. $$ (6.1) $$ \left\{\begin{array}{c}\ x(t)=\frac{F+ mg}{2m}{t}^2,t<\sqrt{\frac{2{ x}_{\mathrm{max}}m}{F+ mg}}\ \\ {}x(t)=0,t\ge \sqrt{\frac{2{x}_{\mathrm{max}} m}{F+ mg}}\end{array}\right. $$ (6.2)

에쿠스. (6.1)과 (6.2)는 각각 분리과정과 접촉과정을 나타낸다.

그러면 이전된 요금을 받을 수 있습니다. (자세한 파생은 ESM의 추가 파일 1:참고 2에 있습니다.)

분리 과정에서:

$$ {\displaystyle \begin{array}{l}Q(t)=\exp \left(-\frac{6m{d}_0t+\left(F- mg\right){t}^3}{6 mRS {\varepsilon}_0}\right)\\ {}\times {\int}_0^t\frac{\sigma \left(F-mg\right){t}^2}{2 mR{\varepsilon}_0 }\mathit{\exp}\frac{6m{d}_0t+\left(F- mg\right){t}^3}{6 mRS{\varepsilon}_0} dt,t<\sqrt{\frac{2 {x}_{\mathrm{최대}}m}{F-mg}}\end{배열}} $$ (7.1) $$ {\displaystyle \begin{배열}{l}Q(t)=\frac {\sigma S{x}_{\mathrm{max}}}{d_0+{x}_{\mathrm{max}}}-\left(\frac{\sigma S{x}_{\mathrm{max} }}{d_0+{x}_{\mathrm{max}}}-{Q}_0\right)\\ {}\times \mathit{\exp}\left(-\frac{d_0+{x}_{\ mathrm{max}}}{RS{\varepsilon}_0}\left(t-{t}_0\right)\right),t\ge \sqrt{\frac{2{x}_{\mathrm{max} }m}{F-mg}}\end{어레이}} $$ (7.2)

여기서 $ {t}_0=\sqrt{2{x}_{\mathrm{max}}m/\left(F- mg\right)} $ 및 Q ₀ =Q (그 ₀ ) 식에서 (7.1).

연락 과정에서:

$$ {\displaystyle \begin{array}{l}Q(t)=\exp \left(-\frac{6m{d}_0t+\left(F+ mg\right){t}^3}{6 mRS{ \varepsilon}_0}\right)\\ {}\times \left(\sigma S+{\int}_0^t\frac{\sigma \left(F+ mg\right){t}^2}{2 mR{ \varepsilon}_0}\mathit{\exp}\frac{6m{d}_0t+\left(F+ mg\right){t}^3}{6 mRS{\varepsilon}_0} dt\right),t<\ sqrt{\frac{2{x}_{\mathrm{max}}m}{F+ mg}}\end{배열}} $$ (8.1) $$ Q(t)={Q}_0\times \exp \left(\frac{d_0{t}_0-{d}_0t}{RS{\varepsilon}_0}\right),t\ge \sqrt{\frac{2{x}_{\mathrm{max}} m}{F+ mg}} $$ (8.2)

여기서 $ {t}_0=\sqrt{2{x}_{\mathrm{max}}m/\left(F+ mg\right)} $, Q ₀ t를 할당하여 계산할 수 있습니다. =그 ₀ 식으로 (8.1).

따라서 출력 전류는 I (그 ) =dQ /dt 및 V (그 ) =RI (그 ).

표 1에 나와 있는 특정 매개변수에 따라 수치 계산 결과를 얻을 수 있습니다.

다른 R에서의 특성-시간 관계 전체 프로세스에서 그림 2에 표시됩니다. 접촉 프로세스에서 서로 다른 부하에서 전달된 전하, 출력 전류 및 출력 전압 관계는 그림 2a, c, e에 표시됩니다. 행동은 이전 연구와 유사합니다[25]. 그러나 분리 과정은 거의 연구되지 않습니다. 오랜 시간이 지난 후 분리 과정에서 표면 전하가 TE로 완전히 전달되었다고 가정합니다. 그림 2b에서 볼 수 있듯이 단락(SC) 조건에서 TE의 전하는 상위 층이 이동을 멈출 때 BE로 완전히 다시 흐를 수 있습니다(t =2ms). t에서 요금을 0으로 줄일 수 없습니다. =2ms(R일 때) 1MΩ 이상입니다. 반면에 R일 때 거의 모든 요금이 BE로 이전됩니다. 분리 과정에서 10MΩ 미만입니다. 접촉 과정에서 전달된 전하는 분리 과정보다 훨씬 적습니다. 이는 초기 접촉 과정에서 상대적으로 작은 추진력에 기여한다. 출력 전류-시간 관계는 그림 2d에 표시되어 있습니다. SC 조건에서 피크 전류는 분리 과정에서와 거의 동일합니다. R일 때 더 크면 현재 시간 곡선은 움직임의 시작과 끝 부분에 두 개의 로컬 최대값을 갖습니다. 그리고 절대 최대 전류는 저항이 증가함에 따라 급격히 떨어집니다. 움직임의 시작과 끝에서 두 개의 국부적 최대값은 각각 적절한 전자와 고속 움직임 때문이다. 출력 전압은 그림 2f와 같이 전류와 동일한 프로파일을 갖지만 크기의 다른 경향이 있습니다(ESM의 자세한 관계는 추가 파일 1:그림 S2 참조). 절대 최대 전압 값은 분리 프로세스의 값에 비해 훨씬 작습니다. 분명히 전압과 전류는 분리 및 접촉 과정에서 대칭이 아닙니다. 분리 및 접촉 과정을 결합하여 출력 전압과 전류가 교번됩니다.

<그림>

장치가 일정한 압축력 F 하에 있을 때 계산된 출력 특성 다른 R에서 이전된 청구 시간 관계 a에서 연락 절차 및 b 분리 과정. 다른 R에서의 현재 시간 관계 c에서 연락 절차 및 d 분리 과정. 다른 R에서의 전압-시간 관계 e에서 연락 절차 및 f 분리 과정

또한 최대 전력 P 사이의 관계에 대한 다양한 매개변수의 영향 _최대 및 해당 저항은 그림 3에 표시되어 있습니다. 이러한 다양한 매개변수는 재료, 구조 및 실험 조건으로 나눌 수 있습니다. 예를 들어, 재료 매개변수에는 σ 및 ε가 포함됩니다. _r . 구조적 매개변수는 주로 면적 크기 S, x입니다. _최대 및 d. 압축력 F 실험 매개변수입니다. σ, S , F , 및 x _최대 P에 큰 영향을 미치다 _최대 , 그림 3a-d와 같이. 피 _최대 σ, S로 급격히 증가 , F , 및 x _최대 증가하다. 매개변수 σ 및 S 주로 전송할 수 있는 요금의 금액을 결정합니다. 매개변수 F 및 x _최대 주로 운동 방정식에 영향을 미칩니다. 해당 최적 저항은 x로 감소합니다. _최대 σ, S의 영향을 거의 받지 않는 반면 감소 , 및 F. 또한 매개변수 d 그리고 ε _r 거의 영향을 미치지 않음 P _최대 및 그림 3e, f에 표시된 대로 해당 저항. 이것이 유전층 d의 유효 두께입니다. ₀ =d /ε _r TENG의 성능에 거의 영향을 미치지 않습니다. 이러한 매개변수를 조정하여 최대 전력을 제어할 수 있습니다. 해당 저항은 일반적으로 전자 장치의 부하 저항입니다.

<그림>

P에 대한 매개변수의 영향 _최대 및 해당 저항. R을 통한 순시 전력 프로파일 다른 a에서 표면 전하 밀도 σ, b 면적 크기 S , ㄷ 압축력 F , d 최대 분리 거리 x _최대 , e 유전체 층의 두께 d , 및 f ε _r

스프링 시스템

보다 대중적인 실험 조건을 위해 스프링 시스템이 포함됩니다. 압축력 F 그림 4a와 같이 주기적으로 적용됩니다. 분리 과정에서(T =그 ₁ ), 스프링과 중력의 복원력만 있으므로 F =0. 연락 과정 중(T =그 ₂ + 그 ₃ ), 압축력 F 추가됩니다. 그리고 두 층이 완전히 접촉한 후에도 오래 지속됩니다. 움직임 곡선은 그림 4b에 나와 있습니다. 계산된 모션 방정식과 출력 성능은 다음과 같이 유도됩니다. (추가 파일 1:ESM의 참고 3)

$$ \mathrm{x}(t)={x}_{\mathrm{max}}-{x}_{\mathrm{max}}\mathit{\cos}\left({\omega}_0t\right ) $$ (9.1) $$ \mathrm{x}(t)={x}_{\mathrm{max}}-\frac{F}{k}+\frac{F}{k}\cos \left ({\오메가}_0t\오른쪽) $$ (9.2)

여기서 $ {\오메가}_0^2=k/m $. 그리고 에쿠스. (9.1)과 (9.2)는 각각 분리 과정과 접촉 과정을 나타냅니다.

<그림>

접촉 분리 모드 TENG의 계산된 특성. 아 주기력 F . ㄴ 최상층의 주기적인 움직임. ㄷ 다른 R에서 이전된 청구 시간 관계 접촉과 분리 과정에서. d 다른 R에서의 현재 시간 관계 접촉과 분리 과정에서. 이 다른 R에서의 전압-시간 관계 접촉과 분리 과정에서. 에 접촉, 분리 및 전 과정에서 저항과 순시 최대 전력의 관계

분리 과정에서:

$$ {\displaystyle \begin{array}{c}Q(t)={\int}_0^t\frac{\sigma {x}_{\mathrm{max}}\left(1-\mathit{\ cos}\left({\omega}_0t\right)\right)}{R{\varepsilon}_0}\mathit{\exp}\left(\frac{d_0+{x}_{\mathrm{max}}} {RS{\varepsilon}_0}t-\frac{x_{\mathrm{max}}}{RS{\varepsilon}_0{\omega}_0}\mathit{\sin}\left({\omega}_0t\ 오른쪽)\오른쪽) dt\\ {}\times \mathit{\exp}\left(-\frac{d_0+{x}_{\mathrm{max}}}{RS{\varepsilon}_0}t+\frac{ x_{\mathrm{max}}}{RS{\varepsilon}_0{\omega}_0}\mathit{\sin}\left({\omega}_0t\right)\right),t<{t}_1\ 끝{array}} $$ (10)

연락 과정에서:

$$ {\displaystyle \begin{array}{l}Q(t)=\mathit{\exp}\left(-\frac{d_0+{x}_{\mathrm{max}}-\frac{F}{ k}}{RS{\varepsilon}_0}t+\frac{Fsin\left({\omega}_0t\right)}{kRS{\varepsilon}_0{\omega}_0}\right)\\ {}\times \left\{{q}_0+{\int}_0^t\mathit{\exp}\left(\frac{d_0+{x}_{\mathrm{max}}-\frac{F}{k}}{ RS{\varepsilon}_0}t-\frac{Fsin\left({\omega}_0t\right)}{kRS{\varepsilon}_0{\omega}_0}\right)\right.\ \\ {}\ \\ {}\times \left.\frac{\sigma \left({x}_{\mathrm{max}}-\frac{F}{k}+\frac{F}{k}\cos \left ({\omega}_0t\right)\right)}{R{\varepsilon}_0} dt\right\},t<{t}_2\ \end{array}} $$ (11) $$ Q(t )={Q}_0\times \mathit{\exp}\left(\frac{d_0}{RS{\varepsilon}_0}\left({t}_0-t\right)\right),t\ge { t}_3 $$ (12)

여기서 q ₀ 분리 과정에서 BE에서 TE로 이전된 전하입니다.

출력 전류 및 전압은 I로 계산할 수 있습니다. (그 ) =dQ /dt 및 V (그 ) =RI (그 ).

다른 R에서 전송된 요금-시간 관계 전체 프로세스에서 그림 4c에 표시됩니다. 전하 이동 과정은 주기적인 힘에 해당하는 세 영역으로 나뉩니다. 영역 I은 분리 프로세스를 나타내고 접촉 프로세스는 영역 II 및 III을 포함합니다. 영역 I에서 요금은 BE에서 TE로 전송됩니다. TE의 요금은 계속해서 증가하고 있습니다. 영역 II에서 전하 흐름의 방향은 저항과 관련이 있습니다. 저항이 클 때 TE의 전하는 계속 증가합니다(R ≥ 1GΩ). 최대로 증가하고 저항이 낮을 때 감소합니다(R ≤ 100MΩ). 특히, R =0, 요금은 지역 II에서 계속 감소합니다. 지역 III에서는 TE의 전하가 계속 감소합니다. 전체 프로세스에서 해당 출력 전류가 그림 4d에 나와 있습니다. 분리 및 접촉 과정의 전류는 반대 부호를 갖습니다. 일반적으로 분리 과정에서 최대 전류 값은 접촉 과정에서보다 약간 더 큽니다. 흥미롭게도 접촉 프로세스에서 절대 최대 전류 값은 접촉 프로세스의 시작 또는 접촉하는 순간에 나타납니다. 저항이 크면 접촉 프로세스의 시작 부분에 나타나며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 출력 전압은 그림 4e와 같이 시간이 지남에 따라 증가한 다음 감소합니다. 출력 전압은 접촉 과정에서 음의 값으로 나타납니다. 그리고 절대값은 분리 과정에서보다 훨씬 작습니다. 이 수치는 문헌에서 측정된 실험 그래프와 일치합니다. 측정된 출력 전류는 분명히 교류하고 측정된 출력 전압은 일반적으로 피크가 날카롭습니다. 접촉, 분리 및 전체 과정에서 저항과 순시 최대 전력의 관계는 그림 4f에 나와 있습니다. TENG는 분리 및 접촉 과정에서 약 200MΩ의 절대 최대 순간 전력에 도달합니다. 접촉 과정에서 약 0.1MΩ의 추가 로컬 최대값이 있습니다. 따라서 전체 프로세스에서 순시 전력은 약 200MΩ에서 최대값을 얻습니다. 저항이 클 때 접촉 과정의 전력 곡선이 분리 과정의 전력 곡선과 겹치는 것을 볼 수 있습니다. R일 때 두 과정의 교차점에 최대 전류값이 나타나기 때문에 ≥ 200MΩ.

또한 P의 계산 결과는 _최대 및 해당 최적 저항은 그림 5에 표시됩니다. 그림 5a–c에 표시된 대로 최대 순시 전력은 매개변수 x에 따라 증가합니다. _최대 , S , 및 k 증가하다. 이것은 전자의 더 빠른 전송 속도에 기여할 수 있습니다. 동시에 해당하는 최적 저항도 변경됩니다. 최적의 저항은 S로 감소합니다. 그리고 k 증가하지만 x와 함께 반대 추세 _최대 . P에 대한 매개변수 σ의 영향 _최대 최적 저항은 그림 5d에 나와 있습니다. 피 _최대 최적 저항이 일정하게 유지되는 동안 σ가 증가함에 따라 급격히 증가합니다. 최적의 저항도 ε의 영향을 받지 않습니다. _r . 하지만 ε _r 가 증가하면 최대 순간 전력이 증가하고 포화됩니다. F 최대 순간 전력 및 최적 저항에 거의 영향을 미치지 않습니다. 전체 접촉 및 분리 과정에서 F 연락 프로세스에만 영향을 미칩니다. 따라서 분리 과정의 최대 전류는 동일하게 유지됩니다. 도 5f에 도시된 바와 같이 최대 순간 전력은 변하지 않는다. 이것은 스프링이 아닌 시스템과 다릅니다. 스프링이 아닌 시스템에서 F 분리 과정에 직접적인 영향을 미치므로 최대 전력에 영향을 미칩니다.

<그림>

P에 대한 매개변수의 영향 _최대 한 사이클의 해당 저항. P의 관계 _최대 매개변수 a를 사용한 해당 저항 x _최대 , b S , ㄷ ㅋ , d σ, e ε _r , 및 f F

한마디로 P _최대 최대 분리 거리 x를 늘려서 늘릴 수 있습니다. _최대 , 지역 S , 스프링 계수 k , 유전층의 비유전율 ε _r , 특히 표면 전하 밀도 σ. 예를 들어, ε와 같은 재료 매개변수 _r 및 σ는 일반적으로 더 높은 전력을 얻기 위해 최적화됩니다[28, 29]. 최적의 저항은 매개변수 x로 조정할 수 있지만 _최대 , S , 및 k . 피 _최대 최적의 저항은 주로 재료 및 구조적 매개변수에 따라 달라집니다.

전환 효율성 η TENG의

때때로 우리는 P _최대 η 무시 . 효율은 전원을 평가하는 중요한 매개변수입니다. η 출력 전기 에너지와 입력 기계적 에너지 사이의 비율로 정의됩니다. 여기에서 우리는 이러한 매개변수가 효율성에 미치는 영향을 체계적이고 직접적으로 조사했습니다.

전류 펄스에 따라 최적의 R에서 전기적 에너지와 기계적 에너지를 얻습니다. . 출력 전기 에너지는 다음과 같이 주어집니다.

$$ {E}_{\mathrm{전기}}={\int}_{t_{\mathrm{start}}}^{t_{\mathrm{end}}}{I}^2 Rdt $$ (13 )

t 사이의 시간 범위 _시작 그리고 t _끝 전체 접촉 및 분리 과정을 나타냅니다.

계산된 기계적 에너지는

$$ {E}_{\mathrm{mechanical}}=F\times S $$ (14)

따라서 η 다음과 같이 계산됩니다.

$$ \eta =\frac{E_{\mathrm{전기}}}{E_{\mathrm{기계}}}\times 100\% $$ (15)

η의 관계 x _최대 그림 6a에 나와 있습니다. x로 _최대 증가, 효율성 η 증가하고 점차 포화됩니다. 우리는 기계적 에너지와 최대 출력이 x에 비례한다는 것을 알고 있습니다. _최대 . 그러나 x 증가 _최대 현재 시간 곡선의 샤프를 변경합니다. x일 때 성장률이 느려질 것임을 의미합니다. _최대 더 큽니다. 매개변수 S의 영향 , 카 , 및 σ on η 그림 6b–d에 나와 있습니다. 효율성 증가 추세 η 이 매개변수를 사용하면 최대 전력의 값과 유사합니다. 효율성 η S로 점차 증가 그리고 k 증가. 놀랍게도 σ는 효율성 η에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. . 매개변수 ε _r 변경하기 어렵고 다행히 η에 거의 영향을 미치지 않습니다. 도 6e에 도시된 바와 같이. 도 6f에 도시된 바와 같이, 효율 η F로 급격히 감소 증가합니다. 이것은 주로 기계적 에너지의 증가에 기여합니다. 분명히 효율성은 상대적으로 낮습니다. 다행히 σ를 개선하여 효율성을 크게 높일 수 있습니다.

<그림>

전환 효율성 η TENG의. 계산된 전환 효율과 매개변수 a의 관계 x _최대 , b S , ㄷ ㅋ , d σ, e ε _r , 및 f F

그러나 실제 상황에서는 F 매개변수 σ[30]에 영향을 줄 수 있습니다. 작은 F 아래 , 두 레이어는 부분 접촉입니다. 두 레이어는 F로 더 나은 접촉을 얻을 수 있습니다. 증가합니다. 그런 다음 매개변수 F 표면 전하 밀도 σ에 거의 영향을 미칠 수 있습니다. 즉, σ는 F와 함께 증가합니다. 그림 7a와 같이 포화 상태가 됩니다. 따라서 출력 성능과 압축력 F 사이의 관계를 다시 계산했습니다. . F의 영향 최대 전류, 전압 및 순시 전력에 대해 각각 그림 7b-d에 나와 있습니다. 그들은 F와 유사한 관계를 가지고 있습니다. . 예를 들어, 출력 전압은 F로 증가합니다. 증가하고 일정하게 유지하는데 이는 문헌[31, 32]의 실험 데이터와 일치합니다. F의 영향 전기 에너지에 대한 것은 그림 7e에 나와 있습니다. 곡선에 전환점이 있다는 점에 유의해야 합니다. 출력 전기 에너지는 F로 증가합니다. 증가했다가 약간 감소합니다. 출력 전기 에너지의 약간의 하락은 더 큰 F에서 더 짧은 접촉 프로세스로 인한 것입니다. . 작은 압축력에서 F 는 σ에 비례하므로 더 큰 출력 전기 에너지가 발생합니다. 그러나 큰 압축력에서는 σ가 포화됩니다. 분리 과정에서 전달된 전하는 더 큰 압축력 하에서 접촉 과정에서 감소하는 동안 일정하게 유지됩니다. 따라서 전체 분리 및 접촉 과정에서 출력 전기 에너지가 약간 떨어집니다. η의 관계 및 F 그림 7f에 나와 있습니다. 흥미롭게도 η -F 곡선이 뾰족하고 최대값이 F에 나타납니다. ≈ 50 N. 입력 E _기계 F에 비례합니다. , 동안 E _기계 출력 E보다 훨씬 큽니다. _전기 . 작은 F 아래 , E의 성장률 _전기 E보다 빠름 _기계 σ의 급격한 증가로 인해. 그러나 큰 F , E 감소 _전기 E 증가 _기계 결과적으로 효율성이 떨어집니다. 에너지 변환 효율과 압축력 간의 관계에서 전환점은 효과적인 전원 설계에 중요합니다.

<그림>

출력 성능과 압축력 F의 관계 실제 상황에서. 아 압축력 F의 영향 a에 표면 전하 밀도 σ, b 최대 전류, c 최대 전압, d 최대 순간 전력, 전기 에너지 및 f 효율성

전류 및 순시 전력과 같은 더 높은 출력 성능을 얻기 위해 큰 압축력 F 일반적으로 적용됩니다. 그러나 이는 낮은 변환 효율을 유발할 수 있습니다. 위의 분석에 따르면 합리적인 F 높은 전력과 변환 효율을 얻을 수 있습니다.

결론

결론적으로, 우리는 접촉 모드 TENG의 변환 효율을 체계적이고 직접적으로 분석하기 위한 실용적인 접근 방식을 도입했습니다. 기존의 분석을 넘어서 압축력이 도입되어 접촉 분리 프로세스의 작동 원리를 더 잘 이해할 수 있는 보다 다양한 모션 프로파일을 도출했습니다. 분리 공정에만 집중하는 기존의 분석과 달리 전체 분리 및 접촉 공정에서 중요한 소자 성능에 대한 명시적 방정식을 제시하였다. 먼저 출력 성능과 재료, 구조 및 실험 매개변수와의 관계를 분석했는데, 이는 주로 더 높은 출력 전력에 대한 것이었습니다. 그런 다음 중요하게, 우리는 전체 프로세스에서 에너지 변환 효율에 대한 이러한 매개변수의 영향을 체계적이고 깊이 연구했습니다. 중요한 것은 변환 효율과 압축력 사이의 관계에서 전환점이 발견되었다는 것입니다. 높은 출력과 높은 변환 효율을 가진 TENG는 최적의 힘에서 동시에 얻을 수 있습니다. 보다 효율적인 TENG에 현실적이고 유용합니다. 중요한 것은 TENG의 추가 산업화 및 다기능화의 기초를 마련하는 TENG의 효율성을 정량화하기 위한 표준을 수립할 수 있는 좋은 기회라는 것입니다.

약어

BE:: 하단 전극
TE:: 상단 전극
TENG:: 마찰전기 나노발전기

Dental Fluorosis Enamel의 Gradient Nanomechanical Behavior에 대한 조사 방광암 세포를 억제하기 위해 소수성으로 변형된 풀루란 나노입자를 포함하는 미톡산트론의 새로운 전달 및 억제 효율에 대한 나노 약물 크기의 영향

나노물질