Système théorique de nanogénérateurs triboélectriques en mode contact pour une efficacité de conversion d'énergie élevée

Résumé

Alors que l'expansion rapide de l'électronique de nouvelle génération, les sources d'énergie portables et efficaces sont devenues l'un des facteurs les plus importants entravant le développement du marché. Les nanogénérateurs triboélectriques (TENG) sont un candidat potentiel pour leurs caractéristiques inégalées. Ici, nous avons analysé en profondeur la puissance et l'efficacité de conversion des TENG en mode contact en tenant compte de l'ensemble du processus de conversion d'énergie. Premièrement, dépassant l'analyse conventionnelle, une force de compression a été introduite pour dériver un profil de mouvement plus polyvalent, ce qui a permis de mieux comprendre le principe de fonctionnement du processus de séparation de contact. Ensuite, nous avons analysé en profondeur l'influence de divers paramètres sur ses performances. En particulier, l'efficacité maximale des TENG peut être obtenue sous une force optimale. C'est réaliste et utile pour des TENG plus efficaces. En outre, cette recherche a de bonnes chances d'établir des normes pour quantifier l'efficacité des TENG, ce qui jette les bases de l'industrialisation et de la multifonctionnalité ultérieures de la technologie des TENG.

Contexte

L'intelligence artificielle et le réseau cloud améliorent progressivement la qualité de notre vie moderne avec le développement rapide de l'électronique de nouvelle génération pour la maison intelligente, la surveillance de la santé, le divertissement et la surveillance de l'environnement [1,2,3]. Alimenter ces grandes quantités d'électronique est devenu une mission impossible en utilisant les technologies de batterie existantes compte tenu de sa grande taille, de sa courte durée de vie et en particulier des problèmes de charge rapide. C'est devenu l'un des obstacles les plus importants au développement d'une source d'alimentation durable adaptée à l'électronique portable [4,5,6].

Actuellement, les nanogénérateurs triboélectriques (TENG) basés sur la triboélectrification se sont avérés être une technologie attrayante pour la récolte d'énergie mécanique. C'est un candidat prometteur pour l'électronique portable pour ses nombreux avantages, notamment la flexibilité [7], la rentabilité [8], le processus de fabrication simple [9], la protection de l'environnement [10] et la polyvalence [11]. Il a été largement utilisé pour récupérer l'énergie de l'énergie mécanique ambiante. De plus, il peut être utilisé pour s'intégrer à un appareil portable pour des applications auto-alimentées [12,13,14]. Pour l'instant, de nombreuses méthodes ont été utilisées pour augmenter la puissance, notamment la morphologie de surface [15, 16], l'optimisation des matériaux [17, 18], l'injection de charges [19, 20], l'optimisation de la structure [21, 22] et les multi-nanogénérateurs [23, 24]. Malgré les progrès rapides des performances de sortie, un modèle définitif pour analyser l'efficacité de la conversion énergétique est absent. Un certain nombre d'explications théoriques ont été publiées pour différents modes de TENG [25,26,27]. Cependant, la plupart des analyses ne traitent pas de l'ensemble du processus de conversion d'énergie et se concentrent uniquement sur la puissance de sortie. Plus important encore, une puissance de sortie plus élevée ne signifie pas une efficacité de conversion d'énergie plus élevée et peut même s'avérer contre-productive. Cela a quelque peu entravé le développement de TENG plus efficaces en raison du manque d'études directes sur l'efficacité de la conversion d'énergie.

Dans ce travail, nous avons analysé de manière systémique et directe la puissance et l'efficacité de conversion des TENG en mode contact en considérant l'ensemble du processus. Premièrement, dépassant l'analyse conventionnelle, une force de compression a été introduite pour dériver un profil de mouvement plus polyvalent, ce qui a permis de mieux comprendre le principe de fonctionnement du processus de séparation de contact. Ensuite, selon les équations de mouvement, des équations explicites pour les performances importantes du dispositif dans l'ensemble du processus de contact et de séparation ont été présentées. Enfin, l'influence des propriétés des matériaux, des paramètres structurels et du facteur expérimental sur la puissance maximale et surtout l'efficacité de conversion d'énergie a été systématiquement recherchée. Nous pouvons obtenir une efficacité et une puissance maximales en concevant rationnellement les paramètres, en particulier la force de compression. C'est réaliste et utile pour des TENG plus efficaces. Il est important de noter que cela a de bonnes chances d'établir les normes de quantification de l'efficacité des TENG, ce qui jette les bases de l'industrialisation et de la multifonctionnalité ultérieures des TENG.

Méthodes

Le principe de fonctionnement de base des TENG repose sur la triboélectrification et l'induction électrostatique. Il pourrait être approximativement classé en deux types compte tenu des matériaux de friction. En raison du travail de sortie et du frottement, le matériau diélectrique et le matériau conducteur sont choisis comme paires triboélectriques. Comme le montre la figure 1, la couche supérieure se compose d'une électrode supérieure (TE) et d'une couche diélectrique pouvant se déplacer de haut en bas, tandis que l'électrode inférieure (BE) est fixée sur le substrat. Les deux couches sont connectées avec une résistance de charge R . Les processus de séparation et de contact sont indiqués sur les figures 1a, b, respectivement. Dans le processus de séparation, les électrons circulent vers le BE depuis le TE et retournent vers le TE lors du processus de contact.

Le modèle théorique du mode contact des TENGA. un Processus de séparation et b processus de contact

Sous la force appliquée F , la couche supérieure sera entièrement en contact avec la couche inférieure. Le BE aura des charges triboélectriques positives avec la densité de charge de surface σ tandis que la couche diélectrique a les mêmes charges de signe opposé. Dans le processus de séparation, la couche supérieure se sépare de la couche inférieure avec une distance x (t ). Il en résultera une différence de potentiel V (t ) entre le TE et le BE en raison du champ électrique. Pour décaler V (t ), les électrons circuleront entre les deux électrodes à travers R . Par conséquent, les charges du TE sont Q tandis que le BE se retrouve avec Sσ − Q . L'intensité du champ électrique dans les deux régions est donnée comme suit selon le théorème de Gauss.

À l'intérieur de la couche diélectrique :

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

À l'intérieur de l'entrefer :

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

où ε ₀ et ε _r sont respectivement la permittivité du vide et la permittivité relative.

Le V (t ) doit satisfaire l'équation suivante :

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

De la loi d'Ohm, le V (t ) est donné comme

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

En fusionnant les équations, nous pouvons obtenir

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

L'éq. (5) est l'équation gouvernante des TENG. Il peut être appliqué à l'ensemble du processus de séparation et de contact. Il est évident que x (t ) est l'un des facteurs les plus importants des TENG. Différent des travaux précédents, nous construisons l'équation de mouvement pratique plutôt que de l'assumer directement. Dans cet article, l'équation du mouvement dans l'ensemble du processus est construite sur la base de la force de compression et des conditions expérimentales.

Résultats et discussion

Système sans ressort

Premièrement, nous ne considérons qu'une force de compression constante F et la gravité de la couche supérieure. L'équation du mouvement peut être obtenue comme suit (voir le fichier supplémentaire 1 : note 1 et la figure S1 dans l'ESM). En réalité, le x (t ) a toujours une valeur maximale x _max et zéro minimum. Donc les équations du mouvement sont données par

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

Les équations. (6.1) et (6.2) représentent respectivement le processus de séparation et le processus de contact.

Ensuite, nous pouvons obtenir les frais transférés. (La dérivation détaillée se trouve dans le fichier supplémentaire 1 :Note 2 dans l'ESM).

Dans le processus de séparation :

$$ {\displaystyle \begin{array}{l}Q(t)=\exp \left(-\frac{6m{d}_0t+\left(F- mg\right){t}^3}{6 mRS {\varepsilon}_0}\right)\\ {}\times {\int}_0^t\frac{\sigma \left(F- mg\right){t}^2}{2 mR{\varepsilon}_0 }\mathit{\exp}\frac{6m{d}_0t+\left(F- mg\right){t}^3}{6 mRS{\varepsilon}_0} dt,t<\sqrt{\frac{2 {x}_{\mathrm{max}}m}{F- mg}}\end{array}} $$ (7.1) $$ {\displaystyle \begin{array}{l}Q(t)=\frac {\sigma S{x}_{\mathrm{max}}}{d_0+{x}_{\mathrm{max}}}-\left(\frac{\sigma S{x}_{\mathrm{max} }}{d_0+{x}_{\mathrm{max}}}-{Q}_0\right)\\ {}\times \mathit{\exp}\left(-\frac{d_0+{x}_{\ mathrm{max}}}{RS{\varepsilon}_0}\left(t-{t}_0\right)\right),t\ge \sqrt{\frac{2{x}_{\mathrm{max} }m}{F- mg}}\end{array}} $$ (7,2)

où $ {t}_0=\sqrt{2{x}_{\mathrm{max}}m/\left(F- mg\right)} $, et Q ₀ = Q (t ₀ ) dans l'éq. (7.1).

Dans le processus de contact :

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

où $ {t}_0=\sqrt{2{x}_{\mathrm{max}}m/\left(F+ mg\right)} $, Q ₀ peut être calculé en attribuant t = t ₀ dans l'Éq. (8.1).

Par conséquent, le courant de sortie peut être dérivé comme I (t ) = dQ /dt et V (t ) = RI (t ).

Selon les paramètres spécifiques présentés dans le tableau 1, nous pouvons obtenir les résultats des calculs numériques.

La relation caractéristiques-temps à différents R dans l'ensemble du processus est affiché à la Fig. 2. Les relations entre les charges transférées, le courant de sortie et la tension de sortie à différentes charges dans le processus de contact sont illustrées à la Fig. 2a, c, e. Les comportements sont similaires aux études précédentes [25]. Mais le processus de séparation est rarement étudié. Supposons que les charges de surface soient entièrement transférées au TE dans le processus de séparation après une longue période. Comme le montre la figure 2b, à l'état de court-circuit (SC), les charges dans le TE peuvent refluer complètement vers le BE lorsque la couche supérieure cesse de bouger (t = 2 ms). Les frais ne peuvent pas être réduits à zéro à t = 2 ms lorsque R est supérieur à 1 MΩ. Alors que presque toutes les charges sont transférées au BE lorsque R est inférieure à 10 MΩ dans le processus de séparation. Les charges transférées dans le processus de contact sont bien inférieures à celles du processus de séparation. Cela contribue à la force motrice relativement faible dans le processus de contact précoce. La relation courant-temps de sortie est tracée sur la figure 2d. En condition SC, le courant de crête est presque le même que dans le processus de séparation. Lorsque R est plus grande, la courbe temps-courant a deux valeurs maximales locales, qui sont au début et à la fin du mouvement. Et le courant maximal absolu chute considérablement à mesure que la résistance augmente. Les deux valeurs maximales locales au début et à la fin du mouvement sont dues respectivement aux électrons adéquats et au mouvement à grande vitesse. La tension de sortie a le même profil que le courant, mais une tendance différente en amplitude, comme le montre la figure 2f (voir le fichier supplémentaire 1 :figure S2 pour la relation détaillée dans l'ESM). Il convient de noter que la valeur de tension maximale absolue est beaucoup plus petite que celle du processus de séparation. De toute évidence, la tension et le courant ne sont pas symétriques dans le processus de séparation et de contact. En combinant le processus de séparation et de contact, la tension et le courant de sortie sont alternatifs.

Caractéristiques de sortie calculées lorsque l'appareil est soumis à une force de compression constante F. Relation charges-temps transférées à différents R dans le a processus de contact et b processus de séparation. Relation actuelle à différents R dans le c processus de contact et d processus de séparation. Relation tension-temps à différents R dans le e processus de contact et f processus de séparation

De plus, l'influence de divers paramètres sur la relation entre la puissance maximale P _max et la résistance correspondante sont tracées sur la figure 3. Ces différents paramètres peuvent être divisés en matériau, structure et condition d'expérience. Par exemple, les paramètres de matériau incluent le σ et le ε _r . Les paramètres structurels sont principalement la taille de la zone S, x _max et d. La force de compression F est le paramètre d'expérience. On peut voir que σ, S , F , et x _max influencer grandement le P _max , comme le montre la Fig. 3a–d. Le P _max augmente considérablement lorsque σ, S , F , et x _max augmenter. Le paramètre σ et S décident principalement du montant des charges pouvant être transférées. Les paramètres F et x _max influencent principalement les équations du mouvement. La résistance optimale correspondante diminue avec x _max décroissant alors qu'il est rarement affecté par σ, S , et F. De plus, les paramètres d et ε _r affectent rarement le P _max et la résistance correspondante, comme indiqué sur les Fig. 3e, f. C'est l'épaisseur effective de la couche diélectrique d ₀ = d /ε _r qui a peu d'influence sur les performances des TENG. Nous pouvons ajuster ces paramètres pour contrôler la puissance maximale. Il convient de noter que la résistance correspondante est généralement la résistance de charge de l'électronique.

L'effet des paramètres sur P _max et la résistance correspondante. Profil de puissance instantané avec R à différents a densité de charge surfacique σ, b taille de la zone S , c force de compression F , d distance de séparation maximale x _max , e épaisseur de la couche diélectrique d , et f ε _r

Système à ressort

Pour une condition d'expérimentation plus populaire, le système de ressort est inclus. La force de compression F est appliqué périodiquement, comme le montre la figure 4a. Dans le processus de séparation (T = t ₁ ), il n'y a que la force de rappel des ressorts et de la gravité, donc F = 0. Pendant le processus de contact (T = t ₂ + t ₃ ), la force de compression F est ajouté. Et cela durerait encore longtemps après le contact complet des deux couches. Les courbes de mouvement sont représentées sur la figure 4b. Les équations de mouvement calculées et les performances de sortie sont dérivées comme suit. (Fichier complémentaire 1 :Note 3 dans l'ESM)

$$ \mathrm{x}(t)={x}_{\mathrm{max}}-{x}_{\mathrm{max}}\mathit{\cos}\left({\omega}_0t\right ) $$ (9,1) $$ \mathrm{x}(t)={x}_{\mathrm{max}}-\frac{F}{k}+\frac{F}{k}\cos \left ({\omega}_0t\right) $$ (9,2)

où $ {\omega}_0^2=k/m $. Et les équations. (9.1) et (9.2) représentent respectivement le processus de séparation et le processus de contact.

Caractéristiques calculées des TENG du mode de séparation des contacts. un La force périodique F . b Le mouvement périodique de la couche supérieure. c Relation charges-temps transférées à différents R dans le processus de contact et de séparation. d Relation actuelle à différents R dans le processus de contact et de séparation. e Relation tension-temps à différents R dans le processus de contact et de séparation. f Les relations entre la puissance maximale instantanée et les résistances dans le contact, la séparation et l'ensemble du processus

Dans le processus de séparation :

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

Dans le processus de contact :

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

où q ₀ sont les charges transférées du BE au TE dans le processus de séparation.

Le courant et la tension de sortie peuvent être calculés comme I (t ) = dQ /dt et V (t ) = RI (t ).

La relation charges-temps transférée à différents R dans le processus complet est tracé sur la figure 4c. Le processus de transfert de charge est divisé en trois régions, ce qui correspond à la force périodique. La région I représente le processus de séparation et le processus de contact contient les régions II et III. Dans la région I, les charges sont transférées au TE depuis le BE. Les charges dans le TE continuent d'augmenter. Dans la région II, la direction du flux de charge est liée à la résistance. Les charges dans le TE continuent d'augmenter lorsque la résistance est grande (R ≥ 1 GΩ). Elle augmente au maximum puis diminue lorsque la résistance est faible (R 100 MΩ). Surtout, quand R = 0, les charges vont continuer à diminuer dans la région II. Dans la région III, les charges dans le TE continuent de baisser. Le courant de sortie correspondant dans l'ensemble du processus est illustré à la figure 4d. Le courant dans le processus de séparation et de contact a le signe opposé. Habituellement, la valeur de courant maximale dans le processus de séparation est un peu plus grande que celle dans le processus de contact. Fait intéressant, dans le processus de contact, la valeur de courant maximale absolue apparaît au début du processus de contact ou au moment où ils sont juste en contact. Lorsque la résistance est grande, elle apparaît au début du processus de contact, vice versa. La tension de sortie augmente avec le temps puis diminue, comme le montre la figure 4e. La tension de sortie apparaîtrait comme une valeur négative dans le processus de contact. Et la valeur absolue est beaucoup plus petite que celle du processus de séparation. Ces chiffres sont cohérents avec les graphiques expérimentaux mesurés dans la littérature. Le courant de sortie mesuré est évidemment alternatif et la tension de sortie mesurée est généralement élevée. Les relations entre la puissance maximale instantanée et les résistances dans le contact, la séparation et l'ensemble du processus sont illustrées à la figure 4f. Le TENG atteint sa puissance instantanée maximale absolue autour de 200 MΩ dans le processus de séparation et de contact. Pendant le processus de contact, il a une valeur maximale locale supplémentaire d'environ 0,1 MΩ. Ainsi, dans l'ensemble du processus, la puissance instantanée atteint sa valeur maximale autour de 200 MΩ. On peut voir que la courbe de puissance du processus de contact chevauche celle du processus de séparation lorsque la résistance est grande. Parce que la valeur actuelle maximale apparaît à l'intersection des deux processus lorsque R ≥ 200 MΩ.

De plus, les résultats calculés de P _max et la résistance optimale correspondante sont tracés sur la figure 5. Comme indiqué sur les figures 5a–c, la puissance instantanée maximale augmente à mesure que les paramètres x _max , S , et k augmenter. Cela peut être contribué à la vitesse de transfert plus rapide des électrons. Dans le même temps, la résistance optimale correspondante change également. La résistance optimale diminue avec S et k en augmentation, mais la tendance inverse avec x _max . L'influence des paramètres σ sur le P _max et la résistance optimale est représentée sur la figure 5d. Le P _max augmente rapidement avec l'augmentation de , tandis que la résistance optimale reste constante. La résistance optimale n'est pas non plus affectée par ε _r . Mais comme ε _r augmente, la puissance instantanée maximale augmente puis se sature. Le F n'a pratiquement aucune influence sur la puissance instantanée maximale et la résistance optimale. Dans tout le processus de contact et de séparation, le F affecte uniquement le processus de contact. Ainsi, le courant maximum dans le processus de séparation reste le même. Comme illustré sur la figure 5f, la puissance instantanée maximale ne change pas. Ceci est différent du système sans ressort. Dans le système sans ressort, le F affecte directement le processus de séparation, affecte ainsi la puissance maximale.

Influence des paramètres sur le P _max et la résistance correspondante dans un cycle. La relation de P _max et résistance correspondante avec les paramètres a x _max , b S , c k , d , e ε _r , et f F

En un mot, le P _max peut être augmenté en augmentant la distance de séparation maximale x _max , zone S , coefficient de ressort k , permittivité relative de la couche diélectrique ε _r , et surtout la densité de charge surfacique . Par exemple, les paramètres de matériau tels que ε _r et sont généralement optimisés pour obtenir une puissance plus élevée [28, 29]. Alors que la résistance optimale peut être ajustée par les paramètres x _max , S , et k . Le P _max et la résistance optimale dépendent principalement du matériau et des paramètres structurels.

Efficacité de conversion η des TENG

Parfois, nous sommes plus préoccupés par P _max que nous ignorons le η . L'efficacité est un paramètre important pour évaluer une source d'alimentation. η est défini comme le rapport entre l'énergie électrique de sortie et l'énergie mécanique d'entrée. Ici, nous avons recherché systématiquement et directement l'influence de ces paramètres sur le rendement.

L'énergie électrique et l'énergie mécanique sont obtenues en fonction de l'impulsion de courant à l'optimum R . L'énergie électrique de sortie est donnée par

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

où l'intervalle de temps entre le t _commencer et t _fin exprime tout un processus de contact et de séparation.

L'énergie mécanique calculée est

$$ {E}_{\mathrm{mécanique}}=F\fois S $$ (14)

Ainsi le η est calculé comme suit

$$ \eta =\frac{E_{\mathrm{électrique}}}{E_{\mathrm{mécanique}}}\times 100\% $$ (15)

La relation de η avec x _max a été montré dans la Fig. 6a. Comme x _max augmente, l'efficacité η augmente puis se sature progressivement. Nous savons que l'énergie mécanique et la puissance maximale sont proportionnelles à x _max . Cependant, en augmentant x _max changera la netteté de la courbe actuelle. Cela signifie que le taux de croissance ralentira lorsque x _max est plus grand. L'influence des paramètres S , k , et sur η sont illustrés à la Fig. 6b–d. La tendance à la hausse de l'efficacité η avec ces paramètres est similaire à celui de la puissance maximale. L'efficacité η augmente progressivement avec le S et k en augmentant. Remarquablement, le σ peut grandement influencer l'efficacité η . Le paramètre ε _r est difficile à changer, et heureusement, cela n'affecte presque pas η comme le montre la figure 6e. Comme le montre la figure 6f, l'efficacité η diminue rapidement à mesure que F augmente. Ceci est principalement contribué à l'augmentation de l'énergie mécanique. Évidemment, l'efficacité est relativement faible. Heureusement, nous pouvons augmenter considérablement l'efficacité en améliorant σ.

Efficacité de conversion η de TENG. La relation de l'efficacité de conversion calculée avec les paramètres a x _max , b S , c k , d , e ε _r , et f F

Dans la pratique, cependant, le F peut affecter le paramètre σ [30]. Sous le petit F , les deux couches sont en contact partiel. Les deux couches peuvent obtenir un meilleur contact en tant que F augmente. Puis le paramètre F peut presque affecter la densité de charge de surface . C'est-à-dire que σ augmente avec le F puis devient saturé, comme le montre la figure 7a. Par conséquent, nous avons recalculé la relation entre les performances de sortie et la force de compression F . L'influence de F sur le courant maximal, la tension et la puissance instantanée sont illustrés respectivement à la Fig. 7b–d. Ils ont la même relation avec F . Par exemple, la tension de sortie augmente avec F augmente puis reste constante, ce qui est cohérent avec les données expérimentales de la littérature [31, 32]. L'influence de F sur l'énergie électrique est montré dans la Fig. 7e. Il est à noter qu'il y a un tournant dans la courbe. L'énergie électrique de sortie augmente avec F augmente puis diminue légèrement. La légère baisse de l'énergie électrique de sortie est due au processus de contact plus court sous un F plus grand . Sous une petite force de compression, le F est proportionnel au , ce qui entraîne une plus grande puissance de sortie d'énergie électrique. Cependant, sous une force de compression importante, le devient saturé. Les charges transférées dans le processus de séparation restent constantes tout en diminuant dans le processus de contact sous une force de compression plus importante. Ainsi, l'énergie électrique de sortie dans l'ensemble du processus de séparation et de contact diminue légèrement. La relation de η et F est présenté sur la figure 7f. Fait intéressant, le η -F la courbe est un pic et la valeur maximale est apparue à F ≈ 50 N. L'entrée E _mécanique est proportionnel à F , tandis que E _mécanique est beaucoup plus grand que la sortie E _électrique . Sous le petit F , le taux de croissance de E _électrique est plus rapide que E _mécanique en raison de l'augmentation rapide de σ. Cependant, sous un grand F , la diminution de E _électrique et augmentation de E _mécanique entraîner une efficacité moindre. Le tournant dans la relation entre l'efficacité de conversion d'énergie et la force de compression est important dans la conception d'une source d'alimentation efficace.

La relation entre les performances de sortie et la force de compression F en situation pratique. un L'influence de la force de compression F sur a densité de charge surfacique σ, b courant maximum, c tension maximale, d puissance instantanée maximale, e l'énergie électrique, et f efficacité

Afin d'obtenir des performances de sortie plus élevées comme la puissance actuelle et instantanée, une grande force de compression F est généralement appliqué. Mais cela peut entraîner une faible efficacité de conversion. Selon l'analyse ci-dessus, nous pouvons choisir un F rationnel pour obtenir la puissance élevée ainsi que l'efficacité de conversion.

Conclusion

En conclusion, nous avons introduit une approche pratique pour analyser systématiquement et directement l'efficacité de conversion des TENG en mode contact. Allant au-delà de l'analyse conventionnelle, une force de compression a été introduite pour dériver un profil de mouvement plus polyvalent, ce qui a permis de mieux comprendre le principe de fonctionnement du processus de séparation de contact. Les équations explicites pour les performances importantes du dispositif dans l'ensemble du processus de séparation et de contact ont été présentées, contrairement à l'analyse conventionnelle qui se concentre uniquement sur le processus de séparation. Tout d'abord, nous avons analysé la relation entre les performances de sortie et le matériau, la structure et les paramètres expérimentaux, principalement pour une puissance de sortie plus élevée. Ensuite, ce qui est important, nous avons étudié de manière systémique et approfondie l'influence de ces paramètres sur l'efficacité de la conversion d'énergie dans l'ensemble du processus. Il est important de noter qu'un tournant a été trouvé dans la relation entre l'efficacité de conversion et la force de compression. Les TENG avec une puissance de sortie élevée et une efficacité de conversion élevée peuvent être obtenus en même temps sous une force optimale. C'est réaliste et utile pour des TENG plus efficaces. Il est important de noter que cela a de bonnes chances d'établir les normes de quantification de l'efficacité des TENG, ce qui jette les bases de l'industrialisation et de la multifonctionnalité ultérieures des TENG.

Abréviations

BE :: Électrode inférieure
TE :: Électrode supérieure
TENG :: Nanogénérateurs triboélectriques

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