Triboelektrični nanogenerator

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Triboelektrični nanogenerator

Diplomsko delo Visokošolskega strokovnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo – Projektno aplikativni program

Florjan Remšak

Ljubljana, januar 2022

(2)

(3)

(4)

(5)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Triboelektrični nanogenerator

Diplomsko delo Visokošolskega strokovnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo – Projektno aplikativni program

Florjan Remšak

Mentor: prof. dr. Andrej Kitanovski, univ. dipl. inž.

Somentor: prof. dr. Mitjan Kalin, univ. dipl. inž.

Ljubljana, januar 2022

(6)

(7)

(8)

(9)

v

Zahvala

Zahvaljujem se mentorju prof. dr. Andreju Kitanovskemu za temeljno idejo dela ter omogočanje kvalitetnega dela pod okriljem Laboratorija za hlajenje in daljinsko energetiko (LAHDE). Posebna zahvala gre Nadi Petelin za pomoč in mirno usmerjanje pri nastajanju diplomske naloge. Zahvaljujem se tudi laboratoriju TINT za kakovostno sodelovanje in pomoč pri izvajanju eksperimentalnega dela, ter laboratoriju LAT za 3D-tisk in razrez sestavnih delov, ki so bili uporabljeni v nalogi. Zahvaljujem se moji mami Bernardi, očetu Jožetu, in moji sestri Tamari za podporo, spodbudne besede in ljubezen. Zahvaljujem se tudi Davidu Stergarju za dolgoletno prijateljstvo in pomoč tekom študijskih let.

(10)

vi

(11)

vii

(12)

viii

Izvleček

UDK 621.313.12:539.92:537.3(043.2) Tek. štev.: VS I/964

Triboelektrični nanogenerator

Florjan Remšak

Ključne besede: triboelektrični učinek

triboelektrični nanogenerator triboelektrična vrsta

triboelektrični par električni tok napetost

Triboelektrični nanogeneratorji so naprave, ki pretvarjajo zunanjo mehansko energijo v električno energijo s kombinacijo triboelektričnega učinka in elektrostatične indukcije.

Različni materiali ob kontaktu razvijejo triboelektrični učinek različnih jakosti. Tako so nekatere kombinacije bolj primerne in druge manj za uporabo v triboelektričnih nanogeneratorjih. Učinkovitost triboelektričnega nanogeneratorja je poleg izbranih materialov odvisna tudi od drugih spremenljivk kot so sila, ki deluje na elektrode, frekvenca vzbujanja, ter način s katerim elektrode pridejo v stik. V tem delu smo se osredotočili na preučevanje vpliva sile in frekvence na učinkovitost triboelektričnega generatorja ter kakšna je povezava med njima za različne kombinacije triboelektričnih parov. Analizirali smo osem različnih parov v t.i. prostostoječem načinu delovanja triboelektričnega nanogeneratorja.

Ugotovili smo, da za večino triboelektričnih parov velja, da bo moč generatorja večja pri večjih obremenitvah in višjih frekvencah vzbujanja. Pri tem ima frekvenca vzbujanja večji vpliv na učinkovitost triboelektričnega nanageneratorja kot sila. Zaradi periodičnega lateralnega drsenja elektrod je največja slabost tovrstnih generatorjev obraba elektrod.

(13)

ix

(14)

x

Abstract

UDC 621.313.12:539.92:537.3(043.2) No.: VS I/964

Triboelectric nanogenerator

Florjan Remšak

Key words: triboelectric effect

triboelectric nanogenerator triboelectric series

triboelectric couple electric current voltage

Triboelectric nanogenerators are an alternative source of electricity. The device works by converting the external mechanical energy into electricity by a conjunction of the triboelectric effect and electrostatic induction. Different materials will develop a triboelectric effect of different intensities when put into contact, making some material combinations more suitable and others less so. In addition to the materials chosen, the efficiency TENG will depend on other variables such as the force applied to the electrodes, the frequency of excitation, and how the electrodes come into contact. In this work, we have focused on studying the effect of force and frequency on the efficiency of a triboelectric generator, and how they are related to different combinations of triboelectric pairs. Eight different pairs were analysed in the so-called free-standing mode of operation of the triboelectric nanogenerator. We have found that for most triboelectric couples, the generator output will be higher at higher loads and higher excitation frequencies. Here, the frequency of excitation has a more significant influence on the TENGs efficiency than the force applied. The major drawback of such generators is the wear and tear on the electrodes due to the periodic lateral sliding of the electrodes.

(15)

xi

(16)

xii

Kazalo

Kazalo slik ... xv

Kazalo preglednic ... xvii

Seznam uporabljenih simbolov ... xix

Seznam uporabljenih okrajšav ... xxi

1 Uvod ... 1

1.1 Ozadje problema ... 1

1.2 Cilji ... 1

2 Teoretične osnove in pregled literature ... 3

2.1 Triboelektrični učinek ... 3

2.2 Triboelektrična vrsta ... 3

2.3 Triboelektrični nanogenerator ... 4

2.3.1 Ločitev elektrod z vertikalnim gibom ... 5

2.3.2 Drsenje v ravnini ... 6

2.3.3 Prostostoječe ... 7

2.3.4 Način z eno elektrodo ... 8

2.4 Pregled literature ... 9

2.4.1 Primer triboelektričnega nanogeneratorja ... 9

2.4.2 Pregled raziskav... 11

3 Eksperimentalni del ... 13

3.1 Metodologija preizkusov ... 13

3.1.1.1 CETR-UMT-2 Tribometer ... 13

3.1.1.2 Vpenjalo ... 14

3.1.1.3 Merilna proga ... 15

3.1.2 Vzorci in materiali ... 17

3.1.2.1 Triboelektrični pari ... 17

3.1.3 Konstruiranje lastnega preizkuševališča... 19

3.1.3.1 Vpenjalo ... 19

3.1.3.2 Aktuator ... 20

3.1.3.3 Pogon in krmiljenje ... 22

3.1.3.4 Stroškovna ocena preizkuševališča ... 23

3.1.4 Dodatek: demonstracijski napravi ... 23

(17)

xiii

4 Rezultati ... 25

4.1 Aluminijasta ploščica (1 mm) in PTFE (2 mm) ... 26

4.1.1 Eksperiment 1 ... 26

4.2 Aluminijasta ploščica (1 mm) in goveje usnje z dlako ... 28

4.3 Aluminijasta ploščica (1 mm) in lepilni trak ... 31

4.4 Goveje usnje in PVC ... 34

4.5 PTFE in PVC ... 37

4.6 PTFE in goveje usnje ... 40

4.7 PTFE in aluminijasti trak ... 43

4.8 Kapton in aluminijasti trak ... 46

(18)

xiv

5 Diskusija ... 49

6 Zaključki ... 55

Literatura ... 57

Priloga A ... 59

(19)

xv

Kazalo slik

Slika 2.1: Triboelektrična vrsta ... 4

Slika 2.2: Koncept triboelektričnega nanogeneratorja ... 4

Slika 2.3: Princip delovanja TENG-a v načinu skupaj narazen. ... 6

Slika 2.4: TENG - drsenje v ravnini ... 7

Slika 2.5: Mehanizem delovanja drsečega prostostoječega TENG-a ... 8

Slika 2.6: Način z eno elektrodo (a) Drsenje v ravnini in (b) Navpičen gib ... 9

Slika 2.7: a) Salterjeva račka in b) TENG v obliki račke, povzeto po [5] ... 10

Slika 2.8: Rotirajoč radialno usmerjen TENG, povzeto po [6] ... 10

Slika 3.1: Tribometer in njegove specifikacije ... 14

Slika 3.2: Shematični prikaz vpenjalnega dela tribometra ... 14

Slika 3.3: Konstrukcijska rešitev vpenjal za elektrode na CETR-UMT-2 ... 15

Slika 3.4: Relacija med električnim tokom, napetostjo in upornostjo ... 15

Slika 3.5: Shema vezave voltmetra, ampermetra in uporabljenega upora ... 16

Slika 3.6: Fotografija merilne proge ... 17

Slika 3.7: Preizkuševališče v načinu (a) skupaj narazen in (b) drsenje v ravnini... 19

Slika 3.8: Vpenjalo za namene preizkušanja TENG v načinu ločitve elektrod z vertikalnim gibom ... 20

Slika 3.9: Vpenjalo za namene preizkušanja TENG v načinu drsenja ... 20

Slika 3.10: Odmikalo ... 21

Slika 3.11: Ročični mehanizem ... 22

Slika 3.12: Shema krmilnega sistema ... 22

Slika 3.13: "Arch-based" TENG za demonstracijo ... 23

Slika 3.14: Demonstracijska naprava v obliki zaprte krogle. ... 24

Slika 4.1: Potek meritev in triboelektrični pari ... 25

Slika 4.2: Graf el. toka in napetosti med lateralnim vzbujanjem. ... 26

(20)

xvi

Slika 4.23 Graf el. toka in napetosti med lateralnim vzbujanjem. ... 41

Slika 5.1: Obraba elektrod po opravljenem zadnjem eksperimentu a) Aluminijasta ploščica - PTFE b) Aluminijasta ploščica - goveje usnje c) Aluminij - lepilni trak d) Goveje usnje - PVC e) PTFE - PVC f) Kapton - aluminijev trak ... 50

Slika 5.2: Povzetek rezultatov testiranj ... 51

Slika 5.3: Naelektrena dlaka po eksperimentu 24. ... 53

(21)

xvii

Kazalo preglednic

Preglednica 2.1: Pregled raziskav ... 11

Preglednica 3.1: Preizkušeni materiali na zgornjem vpenjalu... 18

Preglednica 3.2: Preizkušeni materiali na spodnjem vpenjalu ... 18

Preglednica 6.1: Kosovnica komponent za izdelavo preizkuševališča ... 59

(22)

xviii

(23)

xix

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

U V napetost

i A električni tok

A m² površina

R Ω upornost

δ kPa normalna napetost

τ kPa strižna napetost

t s čas

T f n d P F

K Hz / mm kW N

temperatura frekvenca

število ponovitev premer

moč sila Indeksi

(24)

xx

(25)

xxi

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

TENG PTFE PVC

triboelektrični nanogenerator politetrafluoroetilen (teflon) polivinilklorid

(26)

xxii

(27)

1

1 Uvod

1.1 Ozadje problema

Triboelektrični nanogenerator (TENG) je naprava za pretvarjanje zunanje mehanske energije v električno s kombinacijo triboelektričnega učinka in elektrostatične indukcije.

Triboelektrični učinek je pojav naelektritve površin ob stiku dveh različnih materialov, elektrostatična indukcija pa prerazporeditev električnega naboja v predmetu, ki jo povzroči vpliv bližnjih nabojev. Da bi lahko razvili učinkovit, robusten TENG, primeren za vsakdanjo uporabo, je potrebno ugotoviti kako različne spremenljivke, kot so sila obremenjevanja, frekvenca vzbujanja, različne kombinacije materialov vplivajo na učinkovitost triboelektrifikacije in prerazporeditev naboja v elektrodah, ki so sestavni del TENG-a.

1.2 Cilji

Razvoj triboelektričnega nanogeneratorja zahteva poglobljeno razumevanje pojava triboelektričnega učinka in elektrostatične indukcije. Namen tega diplomskega dela je določiti vpliv različnih spremenljivk na jakost triboelekričnega učinka ter raziskati kako se različni triboelektrični pari obnašajo pri različnih obratovalnih pogojih. V ta namen bomo zasnovali ustrezno preizkuševališče, s katerim bo mogoče dosledno preveriti vpliv dejavnikov, kot sta frekvenca obremenjevanja in obremenitev elektrod na triboelektrični učinek. Izbrali bomo ustrezne triboelektrične pare, ki so primerni za aplikacijo v triboeelektričnih nanogeneratorjih in izvedli eksperimente, s katerimi bo možno ugotoviti kakšni obratovalni pogoji so za posamezno kombinacijo materialov najbolj primerni za čim večji triboelekrični učinek in s tem največjo učinkovitost triboelektričnega nanogeneratorja.

V prvem delu naloge je predstavljen triboelektrični učinek, opisane so osnove delovanja triboelektričnega nanogeneratorja. Sledi predstavitev delovanja in razvrstitev TENG-ov glede na štiri različne načine delovanja. V nadaljevanju je predstavljena merilna proga in način s katerim smo analizirali triboelektrične učinke posameznih triboelektričnih kombinacij. Pri tem sem se osredotočil na zasnove elektrod, ki so mehansko bolj obstojne, imajo manjšo obrabo in tako daljšo življenjsko dobo. V tretjem poglavju je predstavljena zasnova in konstruiranje lastne zasnove eksperimentalnega preizkuševališča. Sledi predstavitev eksperimentalnih rezultatov posameznih kombinacij triboelektričnih materialov ter diskusija, kjer smo identificirali glavne parametre, ki vplivajo na gostoto generiranega električnega toka.

(28)

Uvod

2

(29)

3

2 Teoretične osnove in pregled literature

2.1 Triboelektrični učinek

Triboelektrični učinek je pojav naelektritve stične površine ob kontaktu (trenje, pritisk) dveh različnih materialov. Naelektritev površine z drugimi besedami pomeni, da gradnik snovi (atom ali molekula) zaradi svojih kemijskih lastnosti odda, oziroma prejme elektron.

Posledično ima površina predmeta primanjkljaj elektronov (je pozitivno nabita), ali pa ravno obratno, ima presežek elektronov (je negativno nabita). Čeprav je fenomen poznan že tisočletja, njegov mehanizem še vedno ni povsem jasen. V splošnem velja, da se pojav zgodi v povezavi z adhezijo, kjer se površini dveh različnih materialov zlepita, zaradi privlaka med različnimi molekulami. Čeprav pri adheziji ne pride do formiranja kemijskih vezi, le-ta omogoča prenos elektronov med dvema različnima materialoma, da izenačita njun različni elektrokemijski potencial. To rezultira v elektrostatičnem privlaku med molekulami, ki se držijo skupaj. Fizična ločitev materialov, ki se privlačita, privede do trenja med površinama, in ker izmenjava elektronov med različnima materialoma ni v celoti reverzibilna, ostane v enem materialu presežek, in v drugem primanjkljaj elektronov. Stični površini tako ostaneta naelektreni. Kako dolgo bosta površini ostali naelektreni po ločitvi, je odvisno od električne prevodnosti materialov, saj bolj kot je določen material prevoden, hitreje bo kompenziral nepravilno razporeditev nabojev.

2.2 Triboelektrična vrsta

Različni materiali imajo različno težnjo, da se ob kontaktu njihove površine naelektrijo bodisi pozitivno ali negativno. Aluminij, steklo, usnje se denimo naelektrijo s pozitivnim nabojem, medtem ko se npr. teflon, PVC in srebro z negativnim. Nekateri materiali, kot je npr. papir, les, jeklo in bombaž ob triboelektričnih pogojih inducirajo zanemarljivo malo napetosti oz. je sploh ne. Ti spadajo v skupino triboelektrično nevtralnih materialov. Slika 2.1 prikazuje triboelektrično vrsto, v kateri so materiali razvrščeni glede na predznak naboja in intenziteto naboja s katerim se naelektrijo ob tribolektričnih pogojih. Triboelektrična vrsta je empirično določena, glede na intenziteto polaritete, ki jo razvije posamezni material ob kontaktu z drugim. Tako bodo materiali, ki so na Sliki 2.1. umeščeni levo (negativni) ob kontaktu z materialom iz desne strani (pozitivni) razvili več negativnega naboja na njihovi stični površini. Medtem ko za materiale, ki so umeščeni blizu drug drugemu na triboelektrični vrsti, niti ni nujno, da bodo razvili kakršno koli kontaktno naelektritev. Zato

(30)

Teoretične osnove in pregled literature

4

je umeščenost materialov v triboelektrični vrsti, glede na različne vire, lahko različna, saj je dejansko naelektritev površine v odvisnosti od bližnjih materialov izredno težko določiti.

Triboelektričnega učinka med dvema kovinama ni, oziroma je skorajda nezaznaven. Razlog za-to je njihova dobra električna prevodnost, ki hitro izniči kakršno koli nepravilno razporeditev elektronov.

Slika 2.1: Triboelektrična vrsta

2.3 Triboelektrični nanogenerator

Triboelektrični nanogenerator (TENG) je naprava, ki generira električno energijo na osnovi triboelektričnega učinka in elektrostatične indukcije (el. indukcija je prerazporeditev nabojev na nevtralno nabitem prevodnem telesu). Glede na princip delovanja, ločimo tri glavne vrste nanogeneratorjev: piezoelektrični, triboelektrični in piroelektrični.

Piezoelektrični generira električno energijo iz piezoelektričnega materiala (kristali in nekatere keramike), medtem ko piroelektrični pretvarjajo dovedeno toploto v električno energijo. V primeru TENG, triboelektrični učinek povzročimo z vnosom mehanske energije.

Najpogosteje, in tudi najbolj energetsko učinkovito, je za vzpostavitev triboelektričnega učinka smiselno uporabiti neizkoriščeno mehansko energijo (vibracije strojev, mobilnih naprav, človeška hoja …), zato lahko TENG-u rečemo tudi pretvornik neizkoriščene energije v električno.

Slika 2.2: Koncept triboelektričnega nanogeneratorja

(31)

5 Slika 2.2 prikazuje idejni koncept triboelektričnega nanogeneratorja. V splošnem je TENG sestavljen iz dveh polimernih plasti, ki sta obdani s tankim kovinskim filmom. Polimerne plasti oz. elektrodo izberemo na podlagi triboelektrične vrste. Pri tem je pomembno, da se ena izmed elektrod pri triboelektričnih pogojih naelektri pozitivno, druga pa negativno.

Izbrana materiala skupaj predstavljata triboelektrični par, in večja kot je razlika v intenziteti naelektritve med njima (bolj kot bosta materiala narazen v triboelektrični vrsti), večji bo triboelektrični učinek. Glede na princip delovanja poznamo 4 vrste triboelektričnih nanogeneratorjev.

2.3.1 Ločitev elektrod z vertikalnim gibom

Prvi in najpreprostejši princip delovanja TENG-a je ločitev elektrod z vertikalnim gibom (angl. Vertical-contact seperation mode). Delovanje tovrstnega nanogeneratorja je prikazano na sliki 2.3. Zunanja sila, ki deluje navpično na elektrodo povzroči stik elektrod.

Ker sta elektrodi zgrajeni iz ustreznih triboelektričnih materialov, ob kontaktu pride do ločitve nabojev na njunih površinah. Posledično se zaradi elektrostatične indukcije na prevodnem kovinskem filmu, ki obdaja elektrodi, nabere naboj nasprotne polaritete. Ko se elektrodi, zaradi prenehanja delovanja zunanje sile, ponovno ločita, nastane razlika v električnem potencialu, ki povzroči, da steče tok med elektrodama po zunanjem vodniku, ki povezuje elektrodi. Tok bo tekel, dokler nista elektrodi popolnoma ločeni, in dokler se ne porabi ves induciran električni potencial. Ob ponovnem delovanju zunanje sile se elektrodi ponovno približujeta druga drugi. Med približevanjem se zmanjšuje razlika v električnem potencialu, ki povzroči, da tok teče v nasprotno smer in ponovno pridemo v začetno stanje.

S periodičnim vzbujanjem nanogeneratorja lahko na ta način pridobimo izmenični tok.

Velikost toka bo odvisna od velikosti nanogeneratorja (stične površine), in materiala (triboelektričnega para), ki sestavlja elektrodi. Wang et al. [1] so dokazali, da takšen nanogenerator uspešno generira električno energijo iz vibracij strojev, rotirajočih se koles ali celo dežnih kapljic. Bai et al. [2] so ga denimo vgradili v podplate čevljev in tipkovnico, Lee et al. [12] pa so analizirali delovanje tovrstnega TENG na tekstilu. Poleg naštetega, je njegova uporabnost še mnogo večja, saj ga lahko uporabimo praktično povsod, kjer nastopajo vibracije.

(32)

6

Slika 2.3: Princip delovanja TENG-a v načinu skupaj narazen.

2.3.2 Drsenje v ravnini

V primeru drsenja v ravnini (angl. lateral sliding mode), imata elektrodi enako začetno pozicijo kot v primeru ločitve elektrod z vertikalnim gibom. Vendar tokrat zgornja elektroda drsi v ravnini relativno glede na spodnjo. Drsenje je lahko ravninsko translatorno ali ravninsko rotacijsko. Princip delovanja takšnega nanogeneratorja je prikazan na sliki 2.4.

Drsenje ploskev druga ob drugi povečuje triboelektirčni učinek, zaradi katerega se naelektrita stični površini (podobno kot pri drgnjenju balona ob lase). Hkrati se med premikanjem zgornjega dela, zaradi lateralne polarizacije, na prevodnih elektrodah ustvari električni potencial, in tok elektronov steče po tokovnem vodniku, ki povezuje elektrodi. Ko se zgornji del nanogeneratorja ponovno vrača proti levi, teče tok v nasprotno smer. Tako lahko s periodičnem ponavljanjem giba generiramo izmenični tok. Učinkovitost takšnega nanogeneratorja lahko močno izboljšamo, če bo triboelektrična plast imela ustrezno mikrostukturo (npr. mikro-pore, nanos nano-cevk), saj bo takrat tudi triboelektrični učinek večji. [3]

(33)

7 Slika 2.4: TENG - drsenje v ravnini

2.3.3 Prostostoječe

Če želimo pridobivati električno energijo iz prosto gibajočega, nabitega se telesa lahko uporabimo prostostoječi TENG (angl. free-standing mode). Mehanizem delovanja je predstavljen na sliki 2.5. Nanogenerator sestavljata dve elektrodi, ki sta med seboj povezani s tokovnim vodnikom in postavljeni druga ob drugo. Če se triboelektrična plast premika od ene do druge elektrode se bo inducirani električni potencial periodično izmenjeval in nanogenerator bo generiral izmenični tok. Wang in sodelavci [4] v njihovem delu navajajo, da za delovanje TENG-a ni nujno potreben fizični stik med vzbujevalnim telesom in elektrodama. To daje TENG-u prednost pred ostalimi načini delovanja, saj je takšen sistem veliko bolj odporen na obrabo. Ta vrsta nanogeneratorja je iz vidika pridobljene električne energije ena izmed najučinkovitejših. Poleg tega ima ta tip TENG-a izjemno široko področje aplikacij, saj je v naravi vsako premikajoče se telo el. nabito, bodisi zaradi stika z zrakom ali kakšnim drugim objektom. Tak sistem TENG-ov je smiselno vgraditi v železniške predore in postajališča, kjer se vlak premika zelo blizu stenam oz. ploščadi na peronu.

(34)

8

Slika 2.5: Mehanizem delovanja drsečega prostostoječega TENG-a

2.3.4 Način z eno elektrodo

Triboelektrični učinek je prisoten tudi npr. pri hoji med tlemi in podplati čevljev [1], pri vožnji, t.j. med cestiščem in avtomobilsko pnevmatiko [1] ali med prstom in zaslonom na dotik [16]. Za pridobivanje energije iz takšnih primerov, kjer premikajočega se dela TENG- a ne moremo fizično povezati s preostalim delom nanogeneratorja, je primerno uporabiti način delovanja s samo eno elektrodo (angl. single-electrode mode). Način delovanja takega nanogeneratorja je prikazan na sliki 2.6. Nepovezan del nanogeneratorja se premika bodisi lateralno, bodisi vertikalno glede na elektrodo. Le-ta je povezana z t. i. referenčno elektrodo, ki služi kot vir elektronov. To je lahko velik prevodnik ali preprosto kar zemlja. Periodično drsenje levo-desno ali približevanje-oddaljevanje povzroča lokalno spremembo v porazdelitvi elektronov na elektrodi. Med njo in referenčno elektrodo nastane električni potencial in izmenični tok elektronov teče po vodniku, ki ju povezuje.

(35)

9 Slika 2.6: Način z eno elektrodo (a) Drsenje v ravnini in (b) Navpičen gib

2.4 Pregled literature

Veliko raziskav je bilo narejenih, kjer so raziskovalci analizirali triboelektrične nanogeneratorje, ki pretvarjajo kinetično energijo v električno na raznorazne možne načine in mehanizme delovanja. V nadaljevanju bosta predstavljena dva primera delovanja, ki po mojem mnenju predstavljata dve skrajnosti. Prvi je namenjen pretvorbi energije redkih in naključnih vodnih valov, medtem ko je drugi rotirajoči, in pretvarja kinetično energijo zelo visokih frekvenc, pri tem pa generira kar 380-krat več električne energije na enoto površine kot prvi. Na koncu poglavja sledi še preglednica, kjer so navedeni izsledki tudi nekaterih ostalih raziskav.

2.4.1 Primer triboelektričnega nanogeneratorja

Ahmed et al. [5] so v svojem delu predstavili t.i. plavajoči TENG v obliki račke, ki za pridobivanje električne energije izkorišča energijo vodnih valov (angl. duck-shaped TENG for harvesting water wave energy). Shematski prikaz izdelka je prikazan na sliki 2.7, pri čemer premer telesa račke znaša 6 cm. Materiala, ki tvorita triboelektrični par sta najlon (kroglice) in kapton. Prodor vode in vlage negativno vpliva na triboelektrični učinek, zato je celotna struktura nanogeneratorja vodotesno zaščitena. Ob valovanju vodne gladine se bodo kroglice znotraj strukture premikale sem in tja in izmenično povzročale triboelektrični učinek na dveh elektrodah, ki sta nameščeni na notranjem spodnjem delu plašča. Torej gre

(36)

10

za prostostoječi način delovanja triboelektričnega nanogeneratorja. Avtorji so analizirali nanogenerator s frekvenco vzbujanja 2,5 Hz, pri tem pa izmerili napetost 325 V in tok 65,5 μA. Če upoštevamo, da je električna moč produkt napetosti in toka ter vse skupaj normiramo na velikost površine generatorja, lahko zaključimo, da je njegova izhodna gostota moči 0,455 W/m². Unikatna oblika nanogeneratorja je navdihnjena po t.i. Salterjevi rački (angl. Salter's duck), ki omogoča nanogeneratorju visoko učinkovitost pri normalnih pogojih obratovanja, hkrati pa je robustna dovolj, da preživi tudi težke pogoje (v praksi npr.

razburkano morje). Čeprav se izhodna moč na prvi pogled zdi majhna, se s povezovanjem večjega števila istovrstnih nanogeneratorjev linearno povečuje. Če denimo povežemo tri enake generatorje se skupna izhodna moč poveča na 1,366 W/m².

Slika 2.7: a) Salterjeva račka in b) TENG v obliki račke, povzeto po [5]

Zhu et al. [6] so razvili TENG, ki je zasnovan za popolnoma drugačne obratovalne pogoje in aplikacije. Sestavljen je iz bakrenega rotorja in statorja premera 10 cm, na katerem so nameščene in z elektrodo povezane lamele iz flouriniranega etilen-propilena (FEP), kjer pride do triboelektričnega učinka. Ob vrtenju, bo rotor drsel v ravnini relativno glede na stator, torej deloval v načinu drsenja v ravnini (angl. lateral-sliding), pri čemer je vrtenje rotorja posledica vrtenja koles npr. na avtomobilu ali vetrnici. Naprava je shematsko prikazana na sliki 2.8. V laboratoriju je bil generator testiran pri frekvenci 3 kHz, pri tem pa so raziskovalci izmerili izhodno napetost 850 V in tok 3000 μA, kar rezultira v gostoti moči 190 W/m².

Slika 2.8: Rotirajoč radialno usmerjen TENG, povzeto po [6]

(37)

11 Torej, če primerjamo napravo Ahmeda et al. ter rotirajočega TENG-a lahko zaključimo, da triboelektrični nanogeneratorji uspešno generirajo električno energijo iz širokega območja frekvenc; od le nekaj Hz pa vse tja do velikostnega razreda nekaj kHz. Pri obeh primerih je generirana napetost izjemno visoka napram proizvedenemu toku. To je posledica pridobivanja energije iz statične elektrike, za katero so značilna visoka napetost in nizek električni tok.

2.4.2 Pregled raziskav

V preglednici 2.1 so precej obsežno predstavljeni primeri triboelektričnih nanogeneratorjev, ki so jih različni raziskovalci že ovrednotili, bodisi eksperimentalno ali teoretično. V preglednici je predstavljena izvedba nanogeneratorja, njegova dimenzija in način delovanja, frekvenca delovanja ter kakšna je bila njegova gostota izhodne električne moči. V stolpcu aplikacije je podana informacija v kakšnem okolju obratuje oz. za kakšen namen je bil nanogenerator razvit.

Preglednica 2.1: Pregled raziskav

Leto Izvedba Dimenzije Princip

delovanja U [V] I [μA] f [Hz] Gostota el. moči [W/m²]

Aplikacije Ref.

2015 popolnoma zaprta

sferična struktura d = 6 cm prostostoječ - 1 - 0,884

energija morskih valov

[7]

2014

TENG iz valovite sendvič konstrukcije

10 x 5 cm² drsenje v ravnini 72 32 5 - 500 0,4 vodno

valovanje [8]

2016

popolnoma zaprt TENG

v obliki račke d = 6 cm

prostostoječ kontakt s kotaljenjem

325 65,5 2,5 0,455

energija morskih valov

[5]

2016 TENG na osnovi

zobnikov 4 x 1 cm² skupaj-narazen 320* - 4,5 6,18 zobniški

par [9]

2014

radialno usmerjen rotacijski triboelekrični nanogenerator

d = 10 cm drsenje v ravnini 850 3000 3000 190

veter,voda, gibanje človeškega

telesa

[6]

2013 TENG na zig-zag konstrukciji

3,8 × 3,8

× 0,95 cm³ (10 plasti)

skupaj-narazen 215 660 10 98

podplati čevljev, človeško

gibanje

[10]

2013 rombično prepletenTENG

2n² x 4,6 x 4,6 cm;

n = 3

skupaj-narazen

drsenje v ravnini 428 1395 - 30,7 nahrbtnik [11]

2015 TENG na tekstilu l = 3 cm skupaj-narazen 139 39 1,2- 7 336 tekstil [12]

2017

dvoplasten triboelektričen tekstil (DTET)

5 x 5 cm² skupaj-narazen 540 140 3 8,92 človeško

gibanje [13]

2016 TENG na tekstilu 10 x 10

cm² skupaj-narazen 40 5 5 24,2 človekovo

gibanje [14]

2018 papirnati TENG 3 x 3 cm² skupaj-narazen 326 45 - 5,42

človekovo gibanje, nahrbtnik

[15]

2013 TENG na osnovi človeške kože

4,5 x 6,5 cm²

način z eno elektrodo,

do 1000

do

8mA/m2 - 0,5 biomehansk

a energija, [16]

(38)

12

2013 harmonsko- resonančni TENG

8,1 x 8,1

cm² skupaj-narazen 287,4 76,8 14,1 0,726 vibracij [17]

2014

tri-dimenzionalni TENG (3D-

TENG)

d = 3 cm skupaj-narazen,

drsenje v ravnini 123 21 36 1,45

vibracije, rotacijska energija

[18]

2015

TENG na osnovi tekočih kovin

(LM-TENG) 15 cm² tekoče-trdi

kontakt 145 5,8 10 6,7 vibracijska

energija [19]

2017

TENG na osnovi tkanine z dodatno funkcijo proti

gubanjem in samočistilnimi

lastnostmi

3 x 3 cm² način z eno

elektrodo 15 4 - 0,14

biomehansk a energija

energija valov

[20]

2014

TENG na organskem tankem

filmu za pretvarjanje akustične energije

8 x 8 x 8

cm³ skupaj-narazen - - 240 0,062

energija zvočnih

valov [21]

(39)

13

3 Eksperimentalni del

Namen eksperimentalnega dela je bilo na osnovnem prostostoječem tipu nanogeneratorja preveriti katera kombinacija triboelektričnih materialov se izkaže kot najbolj učinkovita ter ali obstaja povezava med silo in frekvenco vzbujanja in izhodno močjo nanogeneratorja. V ta namen smo uporabili preizkuševališče, ki omogoča enostaven nadzor, vhodnih spremenljivk (način triboelektrifikacije, sila, frekvenca, materiali) in ponovljivost eksperimentalnih pogojev za vse preizkušance. Omenjeno preizkuševališče omogoča analizo delovanja v lateralnem, prostostoječem in načinu z eno elektrodo. Za namene analize TENG-ov pri različnih načinih delovanja smo zasnovali lastno preizkuševališče, ki bi omogočalo analizo delovanja TENG-ov tudi v načinu skupaj-narazen, s čemer bi lahko v prihodnosti ovrednotili vpliv različnega načina delovanja na gostoto električne moči posameznega tribonanogeneratorja. Postopek zasnove in konstruiranje preizkuševališča je opisan v poglavju Konstruiranje preizkuševališča.

3.1 Metodologija preizkusov

3.1.1.1 CETR-UMT-2 Tribometer

Naprava s katero smo izvedli eksperimente je tribometer CETR–UMT–2. V osnovi je naprava namenjena ugotavljanju triboloških lastnosti različnih lubrikantov in materialov. Za nas pa je bil uporaben, ker omogoča načina drsnega kontakta; recipročno drsenje. Zaradi te lastnosti, smo na njem lahko enostavno, zanesljivo in ponovljivo preverili triboelektrični učinek v drsečih načinih delovanja TENG-a. Torej, drsenje v ravnini, prostostoječe in način z eno elektrodo. Naprava hkrati omogoča možnost nadzora temperature in vlažnosti zraka, kar je dodatna prednost. Žal na njem ne moremo preveriti načina delovanja ločitve elektrod z vertikalnim gibom. Poleg tega je delovni gib tribometra omejen na 25 mm. Kar pomeni, da je naša maksimalna velikost preizkušenih elektrod tudi omejena na 25 mm dolžine. To je relativno majhna površina, zato lahko pričakujemo majhen triboelektrični učinek ter dobljeno električno moč. Omenjena naprava je prikazana na sliki 3.1.

(40)

Eksperimentalni del

14

Slika 3.1: Tribometer in njegove specifikacije

3.1.1.2 Vpenjalo

Za izvedbo eksperimenta je potrebno poskrbeti za pravilno vpetje in vezavo preizkuševalnih elektrod. Za pravilno dimenzioniranje vpenjala smo se najprej morali seznaniti z mehanizmom delovanja tribometra in na kakšen način se na tribometer vpenja preizkušance.

Na podlagi tega smo raziskovali možnosti vpetja željenih elektrod. Slika 3.22 shematično prikazuje konstrukcijo vpenjala na napravi.

Slika 3.2: Shematični prikaz vpenjalnega dela tribometra

Konstrukcijske zahteve vpenjala za elektrode so naslednje: i.) izdelane morajo biti iz neprevodnega materiala, ii.) zagotavljati morajo vzporednost in dinamično stabilno vpetje elektrod, iii.) na ustreznem mestu morajo biti izvrtine za privijačenje na spodnje in zgornje vpenjalo tribometra, na katerem so že izdelane luknje z navojem, iv.) vpenjala morajo imeti kanal za odvod kablov s katerimi so povezane elektrode, v.) morajo biti dovolj kompaktna, da prenašajo obremenitve (vertikalna sila, ki jo prednastavimo na tribometru).

(41)

Eksperimentalni del

15 Zaradi priročnosti in dostopnosti smo prototipe prvotnih vpenjal natisnil s PLA 3D tiskalnikom. Konstrukcijska rešitev vpenjal za način drsenja v ravnini in prostostoječ način je prikazana na sliki 3.3. Površina elektrod je 30 mm x 30 mm. Čeprav je delovni gib tribometra omejen na 25 mm, smo določili nadmero 5 mm, z namenom, da zagotovimo plan paralelnosti in preprečimo zabijanje elektrod ob robovih.

Slika 3.3: Konstrukcijska rešitev vpenjal za elektrode na CETR-UMT-2

3.1.1.3 Merilna proga

Za potrebe določanja triboelekričnih lastnosti naših parov je bilo potrebno postaviti ustrezno merilno progo. Vsi naši vzorci (elektrode) temeljijo na bakreni ploščici, ki je povezana z električnim vodnikom. Vsak vir električne energije, najsi bo to baterija ali napajalnik je navadno definiran s podatkom o njegovi največji napetosti in toku. S tem je definirana tudi električna moč vira, vendar to ne pomeni, da bo vir v vsakem trenutku zagotavljal maksimalno moč, saj je le-ta odvisna tudi od upornosti električne vezave. Na sliki 3.4 je prikazana relacija med omenjenimi veličinami.

Slika 3.4: Relacija med električnim tokom, napetostjo in upornostjo

(42)

Eksperimentalni del

16

Razumevanje relacij je zelo pomembno za karakterizacijo naših vzorcev (triboelektričnega generatorja). V primeru, ko je upornost zelo majhna (kratek stik) bo izmerjen tok maksimalen, hkrati pa bo napetost minimalna, oziroma nič. Produkt toka in napetosti oz.

električna moč bo posledično tudi enaka nič. Obratno velja, ko je upornost vezave zelo velika (odprt tokokrog). Takrat je napetost maksimalna in tok minimalen, električna moč pa se ponovno približa ničli. Največja električna moč našega nanogeneratorja bo v območju upornosti, kjer se krivulji toka in napetosti množita v maksimalni produkt.

V našo vezavo merilne proge je torej potrebno dodati upornik, ki nam bo pomagal karakterizirati vir električne energije. Pri izbiri upornika je potrebno upoštevati, da ima vsak merilni inštrument že sam po sebi neko upornost. Ampermeter se veže zaporedno, zato je zanj idealna čim manjša lastna upornost, medtem ko se voltmeter veže vzporedno in je zaželeno, da ima zelo veliko lastno upornost. Podatke bomo v našem primeru zajemali z 24- bitno merilno kartico National Instruments NI 9208, pri čemer imajo kanali za merjenje napetosti (vezava voltmeter) upornost večjo od 1 GΩ, upornost kanalov za merjenje električnega toka (vezava ampermeter) pa je je 85 Ω. Upoštevajoč teh dveh podatkov zasnujemo ustrezno vezavo. Izberemo upornik z relativno majhno upornostjo (R = 470 kΩ), na-pram upornosti voltmetra. Slika 3.5 prikazuje shemo naše vezave.

Slika 3.5: Shema vezave voltmetra, ampermetra in uporabljenega upora

Vendar le z dodanim uporom, naša merilna proga še ni ustrezno zastavljena. Ker so elektrode majhne, njihova teoretična velikost je 30 mm x 30 mm, se na njih generira relativno majhna napetost in tok. Merilna kartica ima merilni šum, ki je po absolutni velikosti presegal oz.

vplival na rezultate izmerjenega signala. Ta neugodni vpliv smo odpravili z napetostnim ojačevalnikom, in sicer z 10-kratno ojačitvijo napetostnega signala. Ojačevalnik Microchip MCP6G01 SOT-23-5, upor in laboratorijski napajalnik, ki je tekom meritev zagotavljal konstantnih 4,5 V napetosti, smo ustrezno povezali na laboratorijski preizkusni ploščici.

(43)

Eksperimentalni del

17 Slika 3.6: Fotografija merilne proge

3.1.2 Vzorci in materiali 3.1.2.1 Triboelektrični pari

Tribolelektrični učinek smo preverili na različnih parih, ki smo jih izbrali na podlagi triboelektrične vrste ali že narejenih eksperimentov, ki smo jih našli v literaturi. Preizkus je bil za vse pare narejen v prostostoječem načinu delovanja nanogeneratorja. Tako sta na spodnjem vpenjalu bili dve bakreni elektrodi, debeline 1 mm, velikosti 30 mm x 30 mm.

Ploščice so bile izrezane iz večje bakrene plošče z vodnim curkom v Laboratoriju za alternativne tehnologije (LAT). Bakrena ploščica ima vlogo zbiranja električnega potenciala, preko katerih teče tok. Zato morata biti nujno povezani z električnim vodnikom.

Ker baker zaradi majhne specifične toplotne upornosti prevaja toploto izredno hitro, je vezava vodnika na ploščico bila precej otežena. Navaden spajkalnik s špičasto konico ni zagotavljal dovolj energije, zato sem moral uporabiti plinski spajkalnik z odprtim plamenom.

Na drugi strani ploščice je bil prilepljen material, na katerem smo želeli preizkusiti triboelektrični učinek. V večini primerov je bil to neke vrste polimer, na primer PTFE ali PVC, guma. V določenih primerih pa tudi lasje ali usnje. Na zgornjem vpenjalu elektrod je bila prav tako nalepljena bakrena ploščica velikosti 30 mm x 30 mm x 1 mm. Vendar ta ni bila povezana z ničemer. Služila je le kot vzbujevalnik triboelektričnega učinka na spodnjih elektrodah.

(44)

Eksperimentalni del

18

Preglednica 3.1: Preizkušeni materiali na zgornjem vpenjalu

OPIS MATERIALA

PTFE 2 mm debela ploščica teflona

guma guma izrezana iz podplatov čevljev, debeline 3 mm lepilni trak 1 sloj navadnega pisarniškega lepilnega traka

silikon tanka plast silikona za gradbene inštalacije

papir pisarniški papir 80 g/m²

goveje usnje z dlako sloj govejega usnja z dlako, debeline 2 mm, kromovo strojenje

kapton tanka plast kaptona v obliki lepilnega traka

Preglednica 3.2: Preizkušeni materiali na spodnjem vpenjalu

OPIS MATERIALA

PVC plast izolirnega traku za elektro-inštalacije aluminij ploščica aluminija, debeline 1 mm

(bakrena osnova v tem primeru ni bila potrebna) Aluminij 1 plast aluminija v obliki lepilnega traku goveje usnje z dlako sloj govejega usnja z dlako, debeline 2 mm,

kromovo strojenje

(45)

Eksperimentalni del

19

3.1.3 Konstruiranje lastnega preizkuševališča

Za namen izdelave lastnega preizkuševališča tribonanogeneratorjev v prihodnosti smo si pred začetkom konstruiranja postavili konstrukcijske zahteve. Sledil je preračun dolžine ročic ter ekscentričnost odmikala, določanje dimenzije pritrdilnih elementov, ležajev itd.

Tako je nastal grobi 3D model preizkuševališča, ki je prikazan na sliki 3.7. Nosilna konstrukcija je sestavljena iz konstrukcijskih aluminijastih 30 mm x 30 mm profilov in 3 mm kompozitne plošče. Preizkuševališč omogoča enostavno prilagajanje aktuatorja (odmikalo oz. ročični mehanizem) glede na potrebe testiranja (ločitev elektrod z vertikalnim gibom, lateralno drsenje) Mere preizkuševališča so 400 mm x 400 mm x 430 mm.

Slika 3.7: Preizkuševališče v načinu (a) skupaj narazen in (b) drsenje v ravnini

3.1.3.1 Vpenjalo

Namen vpenjala je fiksiranje in pozicioniranje elektrod na katerih želimo izvesti eksperiment. Zagotavljati morajo močno vpetje ter hkrati enostavno menjavo elektrod različnih dimenzij in oblik kot so krog, pravokotnik in kvadrat. Po drugi strani morajo ob vsaki menjavi elektrod zagotavljati enako oddaljenost glede na drugo elektrodo, da zagotovimo ponovljivost eksperimentov. V primeru delovanja skupaj-narazen je to razdalja 1 mm, ki jo zagotovimo z ustreznimi vzmetmi, ki se ob delovanju aktuatorja stisnejo, nato pa vrnejo elektrodi v prvoten položaj. V ostalih načinih delovanja nanogeneratorja je zahtevano drsenje ene izmed elektrod glede na drugo. V tem primeru mora oddaljenost biti ravno pravšnja za optimalno delovanje nanogeneratorja. Premajhna oddaljenost privede do prekomernega trenja, ki posledično povzroči prekomerno in prehitro obrabo. Po drugi strani bo prevelika oddaljenost zmanjševala triboelektrični učinek. Da najdemo optimalno oddaljenost je postelja zgornjega vpenjala pritrjena na horizontalna vodila. Ta so pritrjena na prečni nosilec, ki ima prostostno stopnjo v vertikalni smeri.

Ker je triboelektrični učinek površinski pojav ločitve nabojev, moramo preprečiti pobeg elektronov oziroma razelektritev preko vpenjala. Zaradi tega morajo biti vpenjala iz neprevodnega materiala, oziroma električno izolirana na stičnih površinah z elektrodami.

(46)

Eksperimentalni del

20

Zaradi te zahteve ter hkrati dostopnosti je vpenjala najsmotrneje izdelati s tehnologijami 3D tiskanja. Ploščici, s katerimi fiksiramo elektrodi sta iz aluminija ter izolirani z gumo.

Premikata se na princip primeža. Pomik je zagotovljen z vijakom M4 ter matico, ki je vgrajena v ohišje oz. posteljo vpenjala. Slika 3.8 prikazuje vpenjalo za dotično delovanje nanogeneratorja ter princip fiksiranja elektrod. Na vrhu je dodana kvadratasta ALU plošča na katero deluje aktuator. Slika 3.9 prikazuje vpenjalo elektrod za drseče delovanje nanogeneratorja. Maksimalna dimenzija elektrod, ki jih lahko vpnemo v obe vpenjali je 100 mm x 80 mm x 10 mm.

Slika 3.8: Vpenjalo za namene preizkušanja TENG v načinu ločitve elektrod z navpičnim gibom

Slika 3.9: Vpenjalo za namene preizkušanja TENG v načinu drsenja

3.1.3.2 Aktuator

Osnovni štirje načini delovanja triboelektričnega nanogenerarorja zahtevajo relativno gibanje ene izmed elektrod proti drugi. V primeru skupaj-narazen je to vertikalni pomik

(47)

Eksperimentalni del

21 velikostnega reda nekaj milimetrov, medtem ko za drsenje elektrode potrebujemo gib velikostnega reda nekaj centimetrov, da zagotovimo prekritje preizkušenih elektrod. Za doseganje teh širokih intervalov pomikov potrebujemo ustrezen aktuator. Najenostavneje bi bilo uporabiti linearni aktuator s koračnim motorjem. Z njim, bi dosegali željene pomike z veliko natančnostjo, hkrati pa bi lahko nadzorovali frekvenco vzbujanja. Druga cenovno dostopna možnost je, da uporabimo klasični koračni motor, ter z ustreznim mehanizmom (npr. odmikalo in ročični mehanizem) prevedemo rotacijsko gibanje gredi motorja v linearno gibanje elektrod na nanogeneratorju. Slednji pogon ima več prednosti, saj lahko z optimizacijo aktuatorja dosežemo večjo frekvenco vzbujanja, manj je vztrajnostnih sil , ki jih mora motor premagovati ob periodičnem vzbujanju, poleg tega pa bi sistem v prihodnosti lahko enostavno spremenili v npr. rotacijski triboelektrični nanogenerator. Na sliki 3.10 je prikazano odmikalo z ekscentričnostjo enega milimetra. Namestimo ga na gred pogona in z vrtenjem bo v točki ekscentričnosti delovalo na elektrodo. Da je odmikalo balancirano sta ti točki dve, torej bo frekvenca vzbujanja elektrod enkrat večja frekvenci vrtljajev na gredi.

Odmikalo je plastično, z dvema ležajema, ki služita kot kontaktni točki za minimalno trenje in obrabo.

Slika 3.10: Odmikalo

(48)

Eksperimentalni del

22

Na sliki 3.11 je prikazan ročični mehanizem. Ročici sta ustrezno preračunani na dolžino, s katero opravimo končni pomik drsenja v velikosti dolžine dveh elektrod. Za minimalno trenje so spoji vležajani.

Slika 3.11: Ročični mehanizem

3.1.3.3 Pogon in krmiljenje

Namen triboelektričnega generatorja je, da pretvori mehansko energijo v električno z izkoriščanjem triboelektričnega učinka. Ker želimo na preizkuševališču dosegati ponovljivost in nadzorovati frekvenco vzbujanja potrebujemo zanesljiv pogon, ki ga lahko na enostaven način krmilimo. Zaradi cenovne dostopnosti in enostavnosti krmiljenja smo se odločil za klasični koračni motor (angl. stepper motor) NEMA 23. Vsak pogon potrebuje tudi napajanje. Napajalnik izberemo na podlagi tehničnih specifikacij koračnega motorja.

Njegova vhodna napetost je 24 V, za en obrat porabi 2,8 A el. toka. Produkt napetosti in toka je moč, ki jo mora napajalnik ves čas zagotavljati. Ker pa imajo električni motorji tudi možnost kratkotrajne preobremenitve, moramo tej vrednosti dodati še vsaj 20%. Torej izberemo 24 V, 100 W napajalnik. Da lahko koračni motor krmilimo potrebujemo krmilnik ter mikrokrmilnik s potenciometrom in LCD zaslonom preko katerega lahko spreminjamo število vrtljajev, npr. Arduino mikrokrmilnik. Ker je motor 2,8 A smo izbrali krmilnik, ki podpira do 4 A. Vse naštete komponente se med seboj povežejo ter sprogramirajo v programskem okolju Arduino. Slika 3.12 prikazuje shemo krmilnega sistema brez povratne zanke. S potenciometrom spreminjamo napetost na mikrokrmilniku. Le-ta posreduje signal krmilniku koračnega motorja, ta pa nato krmili tuljave koračnega motorja, da se vrtijo ustrezno hitro, v želeno smer.

Slika 3.12: Shema krmilnega sistema

(49)

Eksperimentalni del

23 V primeru ločitve elektrod z vertikalnim gibom ima pomembno vlogo tudi sila s katero stisnemo elektrodi. Teoretično naj bi večja pritisna sila povzročila, da pride več površine v kontakt tudi na mikro nivoju. Večja stična površina bo torej rezultirala v večjem triboelektričnem učinku in posledično izkoristku generatorja. Silo lahko nadziramo s pomikanjem odmikala v vertikalni smeri. Da pa dobimo povratno informacijo o dejanski sili na stični površini potrebujemo še štiri kompresijske merilne celice sile. Le te se ustrezno povežejo na mikrokrmilnik, njihovo povprečje pa predstavlja dejansko silo na elektrodi.

Celice bi bile nameščene na vseh štirih stranicah spodnjega dela vpenjala.

3.1.3.4 Stroškovna ocena preizkuševališča

Strošek celotnega preizkuševališča, ki sem ga zasnoval se giblje okoli 150 EUR. Cena zajema potrebne komponente ter morebitno dodatno obdelavo posameznih delov. Kosovnica s potrebnimi komponentami se nahaja v prilogi A.

3.1.4 Dodatek: demonstracijski napravi

Med raziskovanjem triboelektričnega učinka se je pojavila želja po izdelavi preproste naprave, s katero bi lahko enostavno prikazali triboelektrični učinek in njegov princip delovanja. Zato smo izdelali dve preprosti demonstracijski napravi.

Prva naprava je “arch-based TENG“, ki temelji na principu ločitve elektrod z vertikalnim gibom. Sestavljata jo dve upognjeni bakreni ploščici dimenzij 145 mm x 65 mm, debeline 0,5 mm. Na koncih sta vpeti v vpenjalo natisnjeno s 3D tiskalnikom, ki ju drži napeti pod kotom 15°. Stični površini sta polepljeni z aluminijastim in kaptonovim lepilnim trakom. To je hkrati tudi triboelektrični par. Na zunanji stranici ploščic se iztekata žici, ki vodita do 3,2 V LED diode. Naprava je prikazana na sliki 3.13.

Slika 3.13: "Arch-based" TENG za demonstracijo

Druga preprosta demonstracijska naprava, ki sem jo izdelal je TENG v obliki zaprte krogle.

Za zunanjo kroglo sem uporabil navadno teniško žogo, jo prerezal na pol in njene notranje stene ovil z aluminijasto folijo. V žogo sem vstavil navadno golf žogo, ovito v kaptonov

(50)

Eksperimentalni del

24

film. Teniško žogo sem nato zaprl, jo povil in aluminijasti elektrodi povezal z žico na LED diodo. Naprava je prikazana na sliki 3.14.

Slika 3.14: Demonstracijska naprava v obliki zaprte krogle.

(51)

25

4 Rezultati

Za izbrane triboelektrične pare predstavljene v poglavju 3 smo izvedli meritve pod enakimi eksperimentalnimi pogoji. V tem poglavju so prikazani rezultati testiranja. Slika 4.1 prikazuje izbor triboelektričnih parov in eksperimentalne pogoje pod katerimi so bili preizkušanci testirani. Vsak triboelektrični par je bil testiran v štirih različnih kombinacijah.

Najprej s frekvenco f1, ki je znašala 1 Hz in pritisno silo v vertikalni smeri 10 N. Naslednji preizkus je bil izveden pri enaki frekvenci in obremenitvi 100 N. V drugem delu eksperimenta smo povečali frekvenco na f2, ki je znašala 5 Hz ter ponovili preizkus prvič pri 10 N vertikalne obremenitve in drugič pri 100 N. Trajanje posameznega eksperimenta je bilo omejeno na 30 sekund. Temperatura okolice je bila 25 °C.

Slika 4.1: Potek meritev in triboelektrični pari

(52)

Rezultati

26

4.1 Aluminijasta ploščica (1 mm) in PTFE (2 mm)

Triboelektrični par v prvem testiranju sta bili aluminijasti ploščici debeline 1 mm na spodnjem vpenjalu. Na zgornjem vpenjalu je bila nameščena 2 mm debela plast teflona (PTFE), ki je služila kot vzbujevalna elektroda.

4.1.1 Eksperiment 1

Eksperimentalni pogoji: f = 1 Hz, F = 10 N

Slika 4.2: Graf el. toka in napetosti med lateralnim vzbujanjem.

Frekvenca vzbujanja prvega eksperimenta je bila 1 Hz, sila v vertikalni smeri je znašala 10 N. Slika 4.2 prikazuje rezultat testiranja. Čas testiranja je bil 60 sekund, s pričetkom v približno 60. in zaključkom v 120. sekundi. V tem intervalu je opazen vidno povečan električni tok. Njegovi vrhovi segajo v območje ± 1,00 · 10^-7 mA, oziroma se povečajo za en velikostni razred. Iz tega lahko sklepamo, da z vzbujanjem vplivamo na povečano amplitudo izmeničnega toka, ki teče med aluminijastima elektrodama. Krivulja napetosti je v tem istem intervalu žagasta. Njeni vrhovi sovpadajo s frekvenco vzbujanja f = 1 Hz. Hkrati je njen celoten potek precej naključen. Njena vrednost se z izjemo posameznih vmesnih naraščajev bolj ali manj zmanjšuje, vse do zaključka testiranja.

4.1.2 Eksperiment 2

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

-1,50E-07 -1,00E-07 -5,00E-08 0,00E+00 5,00E-08 1,00E-07 1,50E-07

50 60 70 80 90 100 110 120 130

Napetost [V]

El. tok [mA]

Čas [s]

El. tok Napetost

(53)

Rezultati

27 Slika 4.3: Graf el. toka in napetosti med lateralnim vzbujanjem.

Drugi eksperiment v sklopu aluminij – PTFE je trajal prav tako 60 sekund, s pričetkom v 36.

sekundi in koncem v 96. sekundi. Vertikalna sila je ostala enaka, torej 10 N, medtem ko je frekvenca lateralnega vzbujanja povečana na 5 Hz. Slika 4.3 predstavlja rezultat eksperimenta. Med vzbujanjem aluminijastih elektrod je zaznati občuten naraščaj izmerjenega električnega toka. Njegovi vrhovi segajo v območje ± 2,00 · 10^-7 mA. V primerjavi s prejšnjim primerom, ko je frekvenca znašala 1 Hz, to pomeni kar 50 % večji tok elektronov. Iz tega lahko zaključim, da v primeru aluminij – PTFE povečana frekvenca vzbujanja pripomore k večjemu donosu električnega toka. Tekom vzbujanja elektrod so na krivulji napetosti ponovno zaznavna žagasta oblika. Njeni vrhovi so tokrat gostejši in ponovno sovpadajo s frekvenco vzbujanja. Vendar njena absolutna vrednost po 50. sekundi začne ponovno upadati in do 72. sekunde upade vse do 1 V. Nato se ponovno vzpenja in do konca eksperimenta vrne na njeno začetno vrednost 4,5 V.

4.1.3 Eksperiment 3

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

-3,00E-07 -2,00E-07 -1,00E-07 0,00E+00 1,00E-07 2,00E-07 3,00E-07 4,00E-07

30 40 50 60 70 80 90 100

Napetost [V]

El. tok [mA]

Čas [s]

El. tok Napetost

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

-1,50E-07 -1,00E-07 -5,00E-08 0,00E+00 5,00E-08 1,00E-07 1,50E-07 2,00E-07

90 100 110 120 130 140 150

Napetost [V]

El. tok [mA]

Čas [s]

El. tok Napetost

(54)

Rezultati

28

Tretji eksperiment v sklopu aluminij – PTFE se je odvijal pri 10x povečani sili in frekvenci 1 Hz. Eksperiment 3 je trajal 30 sekund s pričetkom v 110. sekundi kot je razvidno iz grafa na sliki 4.4, je v intervalu vzbujanja opazen povečan tok elektronov, ki pa ni tako izrazito višji kot npr. v primeru eksperimenta 2, kjer so vrhovi v intervalu testiranja kar 2x višji.

Napetost tekom meritev ostaja razmeroma konstantna. V 118. sekundi le-ta upade na vrednost 0,5 V, nato pa se vrne na njeno začetno vrednost 4,5 V, kjer ostane do konca eksperimenta.

4.1.4 Eksperiment 4

Eksperiment 4 je bil izveden pri frekvenci 5 Hz in navpični pritisni sili 100 N. Trajal je 30 sekund s pričetkom v 65. sekundi. Na grafu na sliki 4.5 so v tem intervalu opazni občutno višji vrhovi električnega toka, ki segajo vse tja do ± 4,00 · 10^-7 mA. To je 50 % večji iznos kot v primeru eksperimenta 2, ki je bil izveden pri isti frekvenci, a 10-krat manjši sili. Hkrati to predstavlja 400% višji izmerjen el. tok kot v primeru eksperimenta 1, ki je bil izveden pri 5-krat manjši frekvenci in 10-krat manjši sili. Napetost je tokrat tekom celotnega eksperimenta konstantna. Njena krivulja ima določene podobnosti s krivuljo iz eksperimenta 3, izvedenega pri isti obremenitvi.

4.2 Aluminijasta ploščica (1 mm) in goveje usnje z dlako

Naslednji sklop eksperimentov je bil izveden z aluminijastima elektrodama debeline 1 mm na spodnjem vpenjalu, medtem ko je vzbujevalna elektroda bila 2 mm debelo goveje usnje z dlako. Usnje je bilo strojeno s kromovim strojenjem.

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

-6,00E-07 -4,00E-07 -2,00E-07 0,00E+00 2,00E-07 4,00E-07 6,00E-07

60 65 70 75 80 85 90 95 100

Napetost [V]

El. tok [mA]

Čas [s]

El. tok Napetost