Cadre théorique avancé pour nanogénérateurs triboélectriques mode contact améliorant l'efficacité de conversion d'énergie

Résumé

Avec 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 freinant le développement du marché. Les nanogénérateurs triboélectriques (TENG) sont des candidats potentiels pour leurs caractéristiques inégalées. Ici, nous analysons en profondeur la puissance et l'efficacité de conversion des TENG mode contact en considérant tout le processus de conversion d'énergie. Premièrement, allant au-delà de l'analyse conventionnelle, une force compressive a été introduite pour dériver un profil de mouvement plus polyvalent, offrant une meilleure compréhension du principe de fonctionnement du processus contact-séparation. Ensuite, nous avons analysé en profondeur l'influence de divers paramètres sur la performance. Surtout, l'efficacité maximale des TENG peut être obtenue sous une force optimale. C'est réaliste et utile pour des TENG plus efficaces. De plus, cette recherche a de bonnes chances d'établir des normes pour quantifier l'efficacité des TENG, posant les bases pour l'industrialisation et la multifonctionnalisation futures de la technologie TENG.

Contexte

L'intelligence artificielle et les réseaux cloud améliorent progressivement la qualité de notre vie moderne avec le développement rapide de l'électronique de nouvelle génération pour maison intelligente, surveillance de santé, divertissement et surveillance environnementale. Alimenter ces grandes quantités d'électronique est devenu une mission impossible avec les technologies de batteries existantes compte tenu de leur grande taille, courte durée de vie, et surtout problèmes de charge rapide. C'est devenu l'un des obstacles les plus importants pour développer une source d'énergie durable adaptée à l'électronique portable.

Actuellement, les nanogénérateurs triboélectriques (TENG) basés sur la triboélectrification ont été démontrés comme une technologie attractive pour récolter l'énergie mécanique. C'est un candidat prometteur pour l'électronique portable pour ses nombreux avantages, incluant flexibilité, rentabilité, processus de fabrication simple, protection environnementale et polyvalence. Il a été largement utilisé pour récolter l'énergie mécanique ambiante. De plus, il peut s'intégrer avec des dispositifs portables pour des applications auto-alimentées. Pour l'instant, de nombreuses méthodes ont été utilisées pour augmenter la puissance, incluant la morphologie de surface, l'optimisation des matériaux, l'injection de charge, l'optimisation de structure et les multi-nanogénérateurs. Malgré l'avancement rapide de la performance de sortie, un modèle définitif pour analyser l'efficacité de conversion d'énergie fait défaut. Plusieurs explications théoriques ont été publiées pour différents modes de TENG. Cependant, la plupart des analyses ne discutent pas du processus complet de conversion d'énergie et se concentrent seulement 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'étude directe sur l'efficacité de conversion d'énergie.

Dans ce travail, nous avons analysé systémiquement et directement la puissance et l'efficacité de conversion des TENG mode contact en considérant tout le processus. Premièrement, allant au-delà de l'analyse conventionnelle, une force compressive a été introduite pour dériver un profil de mouvement plus polyvalent, offrant une meilleure compréhension du principe de fonctionnement du processus contact-séparation. Ensuite, selon les équations de mouvement, des équations explicites pour les performances importantes du dispositif dans tout le processus de contact et séparation ont été présentées. Finalement, l'influence des propriétés matérielles, paramètres structuraux et facteurs expérimentaux sur la puissance maximale et surtout l'efficacité de conversion d'énergie a été systématiquement recherchée. Nous pouvons obtenir l'efficacité et la puissance maximales en concevant rationnellement les paramètres, surtout la force compressive. C'est réaliste et utile pour des TENG plus efficaces. Important, cela a de bonnes chances d'établir les standards pour quantifier l'efficacité des TENG, posant les bases pour l'industrialisation et la multifonctionnalisation futures 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 du point de vue des matériaux de frottement. En raison de la fonction de travail et du frottement, le matériau diélectrique et le matériau conducteur sont choisis comme paires triboélectriques. Comme montré Fig. 1, la couche supérieure consiste en l'électrode supérieure (ES) et la couche diélectrique peut bouger haut et bas, tandis que l'électrode inférieure (EI) est fixée sur le substrat. Les deux couches sont connectées avec une résistance de charge R. Les processus de séparation et contact sont indiqués Fig. 1a, b respectivement. Dans le processus de séparation, les électrons fluxent vers l'EI depuis l'ES, et retournent à l'ES dans le processus de contact.

Sous la force appliquée F, la couche supérieure fera contact complet avec la couche inférieure. L'EI aura des charges triboélectriques positives avec densité de charge surfacique 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). Cela résultera en une différence de potentiel V(t) entre l'ES et l'EI due au champ électrique. Pour compenser V(t), les électrons fluxeront entre les deux électrodes à travers R. Donc, les charges de l'ES sont Q tandis que l'EI reste avec Sσ − Q. La force du champ électrique aux deux régions est donnée selon le théorème de Gauss.

À l'intérieur de la couche diélectrique :

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

À l'intérieur de l'espace d'air :

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

où ε₀ et ε_r sont la permittivité du vide et la permittivité relative, respectivement.

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

$$ V(t)={E}_{\mathrm{dielectric}}d+{E}_{\mathrm{air}}x(t) $$ (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, on obtient

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

L'Éq. (5) est l'équation gouvernante des TENG. Elle peut être appliquée à tout le processus de séparation et contact. Il est évident que x(t) est l'un des facteurs les plus importants des TENG. Différemment des travaux précédents, nous construisons l'équation de mouvement pratique plutôt que de l'assumer directement. Dans cet article, l'équation de mouvement dans tout le processus est construite basée sur la force compressive et la condition expérimentale.

Résultats et discussion

Système sans ressort

Premièrement, nous ne considérons qu'une force compressive constante F et la gravité de la couche supérieure. L'équation de mouvement peut être obtenue comme suit (voir Fichier additionnel 1 : Note 1 et Figure S1 dans le SM). En réalité, x(t) a toujours une valeur maximale x_max et minimum zéro. Donc les équations de 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 Éqs. (6.1) et (6.2) représentent le processus de séparation et contact, respectivement.

Ensuite nous obtenons la charge transférée. (La dérivation détaillée est dans Fichier additionnel 1 : Note 2 dans le SM).

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 Q₀ = Q(t₀) 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 \( {t}_0=\sqrt{2{x}_{\mathrm{max}}m/\left(F+ mg\right)} \), Q₀ peut être calculé en assignant t = t₀ dans l'Éq. (8.1).

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

Selon les paramètres spécifiques exhibés dans le Tableau 1, nous obtenons les résultats de calcul numérique.

La relation caractéristiques-temps à différents R dans tout le processus est affichée Fig. 2. Les relations charges transférées, courant de sortie, tension de sortie à différentes charges dans le processus de contact sont montrées Fig. 2a, c, e. Les comportements sont similaires aux études précédentes. Mais le processus de séparation est rarement étudié. En supposant que les charges de surface sont entièrement transférées à l'ES dans le processus de séparation après un long temps. Comme montré Fig. 2b, en condition court-circuit (CC), les charges dans l'ES peuvent entièrement refluer vers l'EI quand la couche supérieure arrête de bouger (t = 2 ms). Les charges ne peuvent pas diminuer à zéro à t = 2 ms quand R est plus de 1 MΩ. Alors que, presque toutes les charges sont transférées à l'EI quand R est moins de 10 MΩ dans le processus de séparation. Les charges transférées dans le processus de contact sont beaucoup moins que le processus de séparation. Cela est contribué à la force d'entraînement relativement petite au début du processus de contact. La relation courant-temps est tracée Fig. 2d. En condition CC, le courant de crête est presque le même que dans le processus de séparation. Quand R est plus grand, la courbe courant-temps a deux valeurs maximales locales, qui sont au début et à la fin du mouvement. Et le courant maximum absolu chute dramatiquement avec l'augmentation de la résistance. Les deux valeurs maximales locales au début et à la fin du mouvement sont dues aux électrons adéquats et au mouvement à haute vitesse, respectivement. La tension de sortie a le même profil que le courant, mais une tendance différente en magnitude, comme montré Fig. 2f (voir Fichier additionnel 1 : Figure S2 pour la relation détaillée dans le SM). Il faut noter la valeur de tension maximale absolue est beaucoup plus petite comparée à celle dans le processus de séparation. Évidemment, la tension et le courant ne sont pas symétriques dans les processus de séparation et contact. En combinant séparation et contact, la tension et le courant de sortie sont alternatifs.

De plus, l'influence de divers paramètres sur la relation entre puissance maximale P_max et résistance correspondante sont tracées Fig. 3. Ces différents paramètres peuvent être divisés en matériau, structure, et condition d'expérience. Par exemple, les paramètres matériau incluent σ et ε_r. Les paramètres structuraux sont principalement la taille de surface S, x_max et d. La force compressive F est paramètre d'expérience. On voit que σ, S, F, et x_max influencent grandement le P_max, comme montré Fig. 3a-d. Le P_max augmente dramatiquement comme σ, S, F, et x_max augmentent. Les paramètres σ et S décident principalement la quantité de charges transférables. Les paramètres F et x_max influencent principalement les équations de mouvement. La résistance optimale correspondante diminue avec x_max diminuant alors qu'elle est rarement affectée par σ, S, et F. En plus, les paramètres d et ε_r affectent rarement le P_max et la résistance correspondante, comme indiqué Fig. 3e, f. C'est l'épaisseur effective de la couche diélectrique d₀ = d/ε_r qui a peu d'influence sur la performance des TENG. Nous pouvons ajuster ces paramètres pour contrôler la puissance maximale. Il vaut noter que la résistance correspondante est habituellement la résistance de charge de l'électronique.

Système à ressort

Pour une condition d'expérience plus populaire, le système à ressort est inclus. La force compressive F est appliquée périodiquement, comme exhibé Fig. 4a. Dans le processus de séparation (T = t₁), il n'y a que la force de rappel des ressorts et la gravité, donc F = 0. Alors que dans le processus de contact (T = t₂ + t₃), la force compressive F est ajoutée. Et elle durerait encore longtemps après les deux couches en contact complet. Les courbes de mouvement sont montrées Fig. 4b. Les équations de mouvement calculées et la performance de sortie sont dérivées comme suit. (Fichier additionnel 1 : Note 3 dans le SM)

$$ \mathrm{x}(t)={x}_{\mathrm{max}}-{x}_{\mathrm{max}}\mathit{\cos}\left({\omega}_0t\right) $$ (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 Éqs. (9.1) et (9.2) représentent le processus de séparation et contact, respectivement.

Dans le processus de séparation :

$$ {\displaystyle \begin{array}{c}Q(t)={\int}_0^t\frac{\sigma {x}_{\mathrm{max}}\left(1-\mathit{\cos}\left({\omega}_0t\right)\right)}{R{\varepsilon}_0}\mathit{\exp}\left(\frac{d_0+{x}_{\mathrm{max}}}{RS{\varepsilon}_0}t-\frac{x_{\mathrm{max}}}{RS{\varepsilon}_0{\omega}_0}\mathit{\sin}\left({\omega}_0t\right)\right) dt\\ {}\times \mathit{\exp}\left(-\frac{d_0+{x}_{\mathrm{max}}}{RS{\varepsilon}_0}t+\frac{x_{\mathrm{max}}}{RS{\varepsilon}_0{\omega}_0}\mathit{\sin}\left({\omega}_0t\right)\right),t<{t}_1\end{array}} $$ (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 q₀ est les charges transférées de l'EI vers l'ES 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 transférées-temps à différents R dans le processus complet est tracée Fig. 4c. Le processus de transfert de charge est divisé en trois régions, correspondant 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 vers l'ES depuis l'EI. Les charges dans l'ES continuent d'augmenter. Dans la région II, la direction du flux de charge est liée à la résistance. Les charges dans l'ES continuent d'augmenter quand la résistance est grande (R ≥ 1 GΩ). Elles augmentent au maximum puis diminuent quand la résistance est faible (R ≤ 100 MΩ). Surtout, quand R = 0, les charges continueront à diminuer dans la région II. Dans la région III, les charges dans l'ES continuent de diminuer. Le courant de sortie correspondant dans le processus complet est montré Fig. 4d. Le courant dans les processus de séparation et contact a le signe opposé. Habituellement, la valeur maximale du courant dans le processus de séparation est un peu plus grande que celle dans le processus de contact. Intéressant, dans le processus de contact, la valeur maximale absolue du courant apparaît au début du processus de contact ou au moment où ils sont juste en contact. Quand 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 montré Fig. 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 dans le processus de séparation. Ces figures sont cohérentes avec les graphiques expérimentaux mesurés dans la littérature. Le courant de sortie mesuré est alternatif évidemment, et la tension de sortie mesurée est habituellement pic-pointue. Les relations de puissance instantanée maximale avec les résistances dans le contact, séparation, et le processus complet sont montrées Fig. 4f. Les TENG atteignent leur puissance instantanée absolue maximale autour de 200 MΩ dans les processus de séparation et contact. Alors que dans le processus de contact, elle a une valeur maximale locale additionnelle autour de 0,1 MΩ. Donc dans le processus complet, la puissance instantanée obtient sa valeur maximale autour de 200 MΩ. On voit que la courbe de puissance du processus de contact chevauche celle du processus de séparation quand la résistance est grande. Parce que la valeur maximale du courant apparaît à l'intersection des deux processus quand R ≥ 200 MΩ.

De plus, les résultats calculés de P_max et résistance optimale correspondante sont tracés Fig. 5. Comme indiqué Fig. 5a-c, la puissance instantanée maximale augmente comme les paramètres x_max, S, et k augmentent. Cela peut être contribué à la vitesse de transfert plus rapide des électrons. En même temps, la résistance optimale correspondante change aussi. La résistance optimale diminue avec S et k augmentant, mais la tendance inverse avec x_max. L'influence du paramètre σ sur le P_max et résistance optimale est montrée Fig. 5d. Le P_max augmente rapidement avec σ augmentant, alors 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 a presque aucune influence sur la puissance instantanée maximale et résistance optimale. Dans tout le processus de contact et séparation, le F n'affecte que le processus de contact. Donc le courant maximal dans le processus de séparation reste le même. Comme illustré Fig. 5f, la puissance instantanée maximale ne change pas. Cela diffère du système sans ressort. Dans le système sans ressort, le F affecte directement le processus de séparation, donc affecte la puissance maximale.

En un mot, le P_max peut être augmenté en augmentant la distance maximale de séparation x_max, la surface S, le coefficient de ressort k, la permittivité relative de la couche diélectrique ε_r, et surtout la densité de charge surfacique σ. Par exemple, les paramètres matériau comme ε_r et σ sont habituellement optimisés pour obtenir une puissance plus élevée. 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 des paramètres matériau et structuraux.

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'énergie. η est défini comme le rapport entre l'énergie électrique de sortie et l'énergie mécanique d'entrée. Ici, nous avons systématiquement et directement recherché l'influence de ces paramètres sur l'efficacité.

L'énergie électrique et mécanique sont obtenues selon l'impulsion de courant à R optimal. 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 t_start et t_end exprime un processus complet de contact et séparation.

L'énergie mécanique calculée est

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

Ainsi le η est calculé comme suit

$$ \eta =\frac{E_{\mathrm{electric}}}{E_{\mathrm{mechanical}}}\times 100\% $$ (15)

La relation de η avec x_max était montrée Fig. 6a. Comme x_max augmente, l'efficacité η augmente puis se sature graduellement. Nous savons que l'énergie mécanique et la puissance maximale sont proportionnelles à x_max. Cependant, augmenter x_max changera la forme de la courbe courant-temps. Cela signifie que le taux de croissance ralentira quand x_max est plus grand. L'influence des paramètres S, k, et σ sur η sont montrées Fig. 6b-d. La tendance croissante de l'efficacité η avec ces paramètres est similaire à celle de la puissance maximale. L'efficacité η augmente graduellement avec S et k augmentant. Remarquablement, σ peut grandement influencer l'efficacité η. Le paramètre ε_r est difficile à changer, et heureusement, il n'affecte presque pas η comme montré Fig. 6e. Comme montré Fig. 6f, l'efficacité η diminue rapidement comme F augmente. Cela est principalement contribué à l'augmentation de l'énergie mécanique. Évidemment, l'efficacité est relativement faible. Heureusement, nous pouvons grandement augmenter l'efficacité en améliorant σ.

En situation pratique, cependant, le F peut affecter le paramètre σ. Sous petit F, les deux couches sont en contact partiel. Les deux couches peuvent obtenir un meilleur contact comme F augmente. Alors le paramètre F peut presque affecter la densité de charge surfacique σ. C'est le σ augmente avec le F puis se sature, comme montré Fig. 7a. Donc, nous avons recalculé la relation entre la performance de sortie et la force compressive F. L'influence de F sur le courant maximal, tension, et puissance instantanée sont montrées Fig. 7b-d, respectivement. Elles ont la relation similaire avec F. Par exemple, la tension de sortie augmente avec F augmentant puis reste constante, ce qui est cohérent avec les données d'expérience dans la littérature. L'influence de F sur l'énergie électrique est montrée Fig. 7e. Il faut noter qu'il y a un point de retournement dans la courbe. L'énergie électrique de sortie augmente avec F augmentant puis diminue légèrement. La légère chute d'énergie électrique de sortie est due au processus de contact plus court sous F plus grand. Sous force compressive petite, le F est proportionnel au σ, ce qui résulte en plus grande énergie électrique de sortie. Cependant, sous grande force compressive, le σ se sature. Les charges transférées dans le processus de séparation restent constantes alors qu'elles diminuent dans le processus de contact sous plus grande force compressive. Donc l'énergie électrique de sortie dans tout le processus de séparation et contact chute légèrement. La relation de η et F est présentée Fig. 7f. Intéressant, la courbe η-F est un pic-pointu et la valeur maximale apparaît à F ≈ 50 N. L'E_mechanical d'entrée est proportionnel à F, tandis que E_mechanical est beaucoup plus grand que E_electric de sortie. Sous petit F, le taux de croissance de E_electric est plus rapide que E_mechanical en raison de l'augmentation rapide de σ. Cependant, sous grand F, la diminution de E_electric et l'augmentation de E_mechanical résultent en une efficacité plus faible. Le point de retournement dans la relation entre efficacité de conversion d'énergie et force compressive est important dans la conception de source d'énergie efficace.

Afin d'obtenir une performance de sortie plus élevée comme courant et puissance instantanée, une grande force compressive F est habituellement appliquée. Mais cela peut causer une faible efficacité de conversion. Selon l'analyse ci-dessus, nous pouvons choisir un F rationnel pour obtenir la haute puissance ainsi que l'efficacité de conversion.

Conclusion

En conclusion, nous avons introduit une approche pratique pour analyser systémiquement et directement l'efficacité de conversion des TENG mode contact. Allant au-delà de l'analyse conventionnelle, une force compressive a été introduite pour dériver un profil de mouvement plus polyvalent, offrant une meilleure compréhension du principe de fonctionnement du processus contact-séparation. Les équations explicites pour les performances importantes du dispositif dans tout le processus de séparation et contact ont été présentées, contrairement à l'analyse conventionnelle qui ne se concentre que sur le processus de séparation. Premièrement, nous avons analysé la relation de la performance de sortie avec les paramètres matériau, structure, et expérimentaux, qui était principalement pour une puissance de sortie plus élevée. Ensuite, important, nous avons systématiquement et profondément étudié l'influence de ces paramètres sur l'efficacité de conversion d'énergie dans tout le processus. Important, un point de retournement a été trouvé dans la relation entre efficacité de conversion et force compressive. Les TENG avec haute puissance de sortie et haute efficacité de conversion peuvent être obtenus en même temps sous force optimale. C'est réaliste et utile pour des TENG plus efficaces. Important, cela a de bonnes chances d'établir les standards pour quantifier l'efficacité des TENG, posant les bases pour l'industrialisation et la multifonctionnalisation futures des TENG.

Abréviations

EI:

Électrode inférieure

ES:

Électrode supérieure

TENG:

Nanogénérateur triboélectrique