ساخت و مشخصه‌یابی نانوژنراتور انعطاف‌پذیر با استفاده از پدیده الکترووتینگ معکوس

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 فناوری نانو- دانشگاه سیستان و بلوچستان

2 گروه مهندسی مکانیک- دانشگاه سیستان و بلوچستان

3 سیستان و بلوچستان

4 دانشگاه سیستان و بلوچستان

چکیده

برداشت انرژی‌های تلف‌شونده محیطی، به‌منظور تغذیه سنسورها و مدارها درشبکه‌های بی‌سیم مورد توجه بسیاری از محققان قرار دارد. کار حاضر به طراحی و ساخت نوعی برداشت‌کننده انرژی برای تولید انرژی الکتریکی به روش الکترووتینگ معکوس می‌پردازد. عملکرد این نانوژنراتور در اثر حرکات مکانیکی با فرکانس‌های متفاوت در مقادیر مختلفی از ولتاژ بایاس و بار خارجی اندازه‌گیری و مورد مطالعه قرار گرفته است. برای ساخت نانوژنراتور از آب مقطر بعنوان مایع دوقطبی محصور بین دو الکترود استفاده شد. پلیمر پلی دی متیل سیلوکسان که دارای آب‌گریزی و انعطاف‌پذیری خیلی خوبی می‌باشد، بعنوان لایه دی‌الکتریک در نظر گرفته شد. نشان داده شده است که افزایش فرکانس نیروی اعمالی تا حدی می‌تواند باعث افزایش جریان و توان خروجی شود که خازن به‌طور کامل تخلیه نشود. ملاحظه می‌گردد که توان خروجی با افزایش مقاومت بار خارجی زیاد می‌شود. این رفتار تا جایی ادامه می‌یابد که مقدار بار با مقاومت درونی نانوژنراتور برابر بوده و امپدانس سازگار اتفاق بیفتد. نتایح نشان می دهد که نانوژنراتور ساخته شده قادر به تولید چگالی توان 08/1 وات بر متر مربع از نوسانات مکانیکی با فرکانس یک هرتز با استفاده ازقطره آب به حجم یک میکرولیتری محصور شده در میان صفحات خازنی و باردار شده با ولتاژ 7 ولت می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Fabrication and characterization of a flexible nanogenerator using reverse electrowetting concept

نویسندگان [English]

  • Mehdi Sansebli 1
  • yeganeا gorgij 2
  • amin behzadmehr 3
  • Tahereh Fanaei Sheikholeslami 4
1 Nanotechnology Research Institute, University of Sistan and Baluchestan
2 Mechanical Engineering, University of Sistan and Baluchestan
4 University of Sistan and Baluchestan
چکیده [English]

Many researchers are interested in powering sensors and electrical circuits in wireless networks through energy harvesting from environmental waste energies. In this study, a flexible nanogenerator is designed and fabricated based on the reverse electrowetting concept. The performance of the nanogenerator has been investigated in different conditions including various bias voltage, different excitation frequency, and several external loads. The nanogenerator comprises of water droplets, as a strong dipole fluid, and two dielectric layers; polymethylsiloxane polymer. The latter has good hydrophobicity and flexibility. These two dielectric layers are formed on the surface of copper electrodes by using a spin coater. It is shown that increasing the excitation frequency augments the generated power to some extent that the capacitor is not fully discharged. The nanogenerator power output increases with the external load up to equality between the external load and the nanogenerator's internal resistance. The results show that the fabricated nanogenerator can generate a power density equal to 1.08 W/m2 using 1 ml water droplet, 7V bias voltage, and an excitation frequency of 1 Hz. 

کلیدواژه‌ها [English]

  • nanogenerator
  • reverse electrowetting
  • Flexible
  • PDMS
[1] S.P. Beeby, M.J. Tudor, N.M. White, Energy harvesting vibration sources for microsystems applications, Measurement Science and Technology 17(12) (2006) R175.
[2] T. Krupenkin and J. A. Taylor, Reverse electrowetting as a new approach to high-power energy harvesting, Nature Communications 2(1) (2011) 447–448.
[3] W. C. Han, D. S. Wang, L. P. Xiang, Y. D. Wang, Z. Q. Huang, and A. F. Li, A parametric study of microfluidic power generator based on reverse electrowetting in a microchannel geometry, Advance Materials Research 986–987 (2014) 1159–1162.
[4] F. Invernizzi, S. Dulio, M. Patrini, G. Guizzetti, and P. Mustarelli, Energy harvesting from human motion: materials and techniques, Chemical Society Reviews 45(20) (2016) 5455–5473.
[5] H. Yang, S. Hong, B. Koo, D. Lee, and Y.-B. Kim, "High-performance reverse electrowetting energy harvesting using atomic-layer-deposited dielectric film, Nano Energy 31 (2017) 450–455.
[6] T. H. Hsu, S. Manakasettharn, J. A. Taylor, and T. Krupenkin, Bubbler: A Novel Ultra-High Power Density Energy Harvesting Method Based on Reverse Electrowetting, Scientific Reports 5 (2015) 1–13.
[7] R. Rusev, G. Angelov, K. Angelov, and D. Nikolov, A model for reverse electrowetting with cost-effective materials, Proc. 26th International Scientific Conference Electronics (2017) 1–4.
[8] H. Yang, H. Lee, Y. Lim, M. Christy, and Y.-B. Kim, Laminated Structure of Al2O3 and TiO2 for Enhancing Performance of Reverse Electrowetting‑On‑Dielectric Energy Harvesting, International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology (2019).
 [9] T.-H. Hsu, J. A. Taylor, and T. N. Krupenkin, Energy harvesting from aperiodic low-frequency motion using reverse electrowetting, Faraday Discussions 199 (2017) 377–392.
[10] D. Nikolov, R. Rusev, G. Angelov, M. Spasova, Energy Harvesting System Model Based on Reverse Electrowetting, 2019 MIXDES - 26th International Conference on Mixed Design of Integrated Circuits and Systems, IEEE, 2019, Rzeszów, Poland.
[11] H. Shi, Z. Liu, and X. Mei, Overview of Human Walking Induced Energy Harvesting Technologies and Its Possibility for Walking Robotics, Energy 13 (2020) 86.
[12] M. Sansebli, Y. Gorgich, A. Behzadmehr, and T. Fanaei Sheikholeslami, Fabrication and Characterization of an All-Polymer Nanogenerator using Effect of Reverse Electrowetting, Proc. 6th Annual Clean Energy Conference, 2018, Shiraz Iran (In Persian).
 [13] Y. Y. Lin, R. D. Evans, E. Welch, B. N. Hsu, A. C. Madison, and R. B. Fair, Low voltage electrowetting-on-dielectric platform using multi-layer insulators, Sensors Actuators, B Chemical 150(1) (2010) 465–470.