Nanovlákenný generátor elektrické energie

Bc. Zbyšek Meloun

Master's thesis

Nanofiber generator of electric power

Abstract:

Pohyb člověka přestavuje zdroj dosud nevyužívané mechanické energie. Při účinném převodu na elektrickou energii se možnosti pohybují od napájení senzorů až po dobíjení mobilních telefonů. V současnosti je intenzivně zkoumáno využití elektrostatického náboje pomocí tzv. triboelektrických generátorů (TEG), které vykazují mnohem vyšší účinnost v porovnání s obdobami založenými například na piezoelektrickém jevu. V této práci byly shrnuty základní funkční principy a fyzikální popis TEG společně s možnými výkony těchto zařízení. Často uváděné hustoty maximálních výkonů se pohybují až do cca 4 mW/cm2. Rozebírána byla zejména realizovaná provedení nanovlákenných TEG. Byly popsány způsoby navyšování jejich výkonu a odolnosti. Jde zejména o tepelné, tlakové a chemické úpravy nanovlákenných vrstev. Zvlákňování samotné umožňuje kontrolu nad průměrem vláken a jejich stavbou. Větší kontaktní povrch při triboelektrifikaci vede k větším elektrostatickým nábojům, a tedy k větším výkonům TEG. Elektrickým zvlákňováním byly připraveny nanovlákenné vrstvy. Ty byly použity jako kontaktní povrchy v TEG. Při sestavení tribosérie ukázaly vyšší míru nabíjení než běžně dostupné materiály. Maximální dosažený okamžitý výkon nanovlákenného TEG byl 2,02 mW/cm2 na zátěži 2,63 MOhm. Průměrný výkon při této zátěži a frekvenci pulzů 1,33 Hz byl 0,636 W/cm2. Zvolená frekvence odpovídala změřené frekvenci došlápnutí / ohybů kolen při chůzi. Byla simulována 24h zátěž se zvolenou frekvencí ohybů TEG. Pro generátor z běžných materiálů (PTFE páska a PA ponožka) dosahovala konečná hodnota (po 24 h) generovaného napětí asi dvojnásobku hodnoty z počátku měření. Nanovlákenný generátor propadl na hodnotu kolem 90 % počátečního napětí. Zatímco nárůst u prvního byl dán postupným nabíjením materiálů, pokles u druhého vycházel zřejmě z poškození nanovlákenných vrstev. Tomu nasvědčují i další provedené testy. Nanovlákenné vrstvy v testu odolnosti nebyly po zvlákňování nijak upravovány. Byly také testovány tři typy elektrod s různými možnostmi aplikace: termofólie s vodivou vrstvou hliníku, stříbrná pasta a netkaná textilie krytá mědí. Ani u jedné z testovaných nebylo během 24h testu pozorováno poškození ovlivňující výkon TEG.

Abstract:

There is a source of a mechanical energy in a human movement which is currently unused. If a conversion to an electrical energy is effective, possibilities of use range from sensors powering to mobile phones charging. The use of an electrostatic charge through so called triboelectric generators (TEG) has been intensively studied. They show higher efficiency than similar ones based on the piezoelectric effect. A summary of basic functional principles and a physical description has been included in this work. Possible output has been summarized as well. Publicated values of maximal performance reach up to ca. 4 mW/cm2. Previously reported designs have been described especially for nanofiber TEGs. Possibilities of performance and durability enhancement have been mentioned too. This namely included thermal, pressure and chemical post treatment of the nanofiber mats. There is a chance to control the fiber diameters and their structure during the preparation of nanofibers through electrospinning. Bigger contact surface area means higher electrostatic charging and therefore higher TEGs outputs. Nanofiber mats have been prepared by electrospinning. The mats have been used as the contact surfaces in TEG. They have shown higher rate of charging than the commonly available materials. Reached maximal peak performance of nanofiber TEG was 2,02 mW/cm2 for 2,63 MOhm resistance. The average performance for the same resistance and for 1,33 Hz frequency was 0,636 W/cm2. The frequency was counted from a number of steps or knees bendings during one-minute walk. 24 h TEGs bendings with this frequency was simulated. The final value of an output voltage was about two times higher than the initial one for the generator made from commonly available materials (PTFE tape and PA socks). On the contrary, the nanofiber generator voltage fell to the 90 % of the initial value. The rise of voltage may be caused by the gradual charging of materials. The voltage decay can be caused by the nanofiber mats damage. Other test results supply this hypothesis. The prepared mats were not treated for the durability test. Three types of electrodes with a various possibilities of application were tested: space blanket with the conductive Al layer, Ag paste and nonwoven textile coated with Cu. None of them proved any damage with the effect on the output in the 24h test.

Keywords

triboelektrický generátor, elektrické zvlákňování, nanovlákna, kontaktní nabíjení

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 12. 2018

Thesis defence

• Supervisor: prof. Mgr. Jiří Erhart, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies

Master programme / field:
Nanotechnology / Nanomaterials