Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 31 – vyšlo 9. srpna, ročník 17 (2019) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

31/2019

Zkrocení všudypřítomné mechanické energie

Pavel Galář

Triboelektrické nanogenerátory I

Dynamický rozvoj moderních technologií a rostoucí poptávka po elektronických zařízeních s sebou neodmyslitelně nese i nutnost zvýšené produkce elektrické energie. Nejvýznamnějším důvodem zvýšení odběru elektrické energie by v budoucnu měl být dramatický růst objemu tzv. internetu věcí (z anglického Internet of Things). Jako internet věcí je označována síť fyzických zařízení, která jsou navzájem propojena a mohou si autonomně (bez nutnosti lidského zásahu) vyměňovat data. Jedná se například o domácí spotřebiče, chytré telefony, různé kontrolní a detekční systémy infrastruktury a zabezpečení, lékařské senzory a další. S rozvojem umělé inteligence se očekává dynamické rozšiřování rozsahu aplikací těchto zařízení, a tím i růst jejich počtu. Na základě aktuálních odhadů bude v roce 2020 do internetu věcí integrováno od 30 do 50 miliard zařízení s výhledem na prolomení bilionové hranice v ne příliš vzdálené budoucnosti.

Vyspělé země se v současné době pokoušejí řešit energetickou a ekologickou otázku zvýšeným využívám tzv. obnovitelných zdrojů, tj. sluneční energie, mechanické energie větru a vody a tepelné energie Země. Tyto snahy však narážejí mimo jiné na nízkou účinnost některých technologií, přerušovaný charakter většiny těchto zdrojů (např. výpadky výroby solární energie v noci atd.) či jejich omezenou aplikovatelnost, což vede k nutnosti stavět stále nové elektrárny na fosilní a jaderná paliva. Jako možné východisko z této situace se jeví využití všudypřítomné mechanické energie pomocí tzv. triboelektrických nanogenerátorů. Tato technologie, na rozdíl od současných elektráren využívajících mechanickou energii, je schopna přeměnit na elektrickou energii i nízkofrekvenční, asymetrické mechanické pohyby o malých amplitudách, čímž umožňuje efektivně využít i zdroje energie, které byly doposud téměř opomíjeny. Triboelektrické nanogenerátory lze navíc konstruovat z levných a široce dostupných materiálů a jejich účinnost může dosahovat až 70 %, což jim propůjčuje potenciál naplnit celosvětovou poptávku po elektrické energii [1, 2].

V následujících třech bulletinech podrobně popíšeme konstrukci a fungování základních typů triboelektrických generátorů, srovnáme výhody a nevýhody těchto generátorů vůči současné technologii využívající mechanickou energii a uvedeme nejběžnější odvětví, kde se již prototypy těchto generátorů využívají.

Konstrukce a princip fungování triboelektrických nanogenerátorů

Triboelektrické nanogenerátory (z anglického triboloelectric nanogenerator, dále jen TENG) využívají ke konverzi mechanické energie na elektrickou kombinaci triboelektrického jevu a elektrostatické indukce. První jmenovaný jev je znám po tisíce let a popisuje přenos elektrického náboje mezi dvěma materiály při jejich kontaktu (tření ebonitové tyče liščím ohonem). Jeden materiál je po vzájemném kontaktu nabit kladným a druhý záporným nábojem. Pro realizaci tohoto jevu není nutné tření, ale stačí dotek obou materiálů. Tření nicméně výsledný efekt zesiluje. Tento jev je zdrojem naprosté většiny statické elektřiny v přírodě.

Obr. 1: Experimentálně určená triboelektrická řada [3].

Mechanizmus určující velikost přeneseného náboje a polaritu obou látek není prozatím jednoznačně vysvětlen, dá se ale odhadnout z tzv. triboelektrické řady (obr. 1). Při kontaktu dvou látek se nabije kladně ta, která stojí v uvedené řadě výše. Čím větší je vzdálenost látek v řadě, tím je přenesený náboj větší. Tato řada byla vytvořena experimentálně, bylo ale zjištěno, že výsledek triboelektrického jevu je významně závislý na relativní permitivitě látek, jejich vnitřní struktuře a pnutí, tvaru rozhraní a dalších parametrech [4]. Elektrostatická indukce je jev, při kterém dochází ke vzniku elektrického náboje v látce během jeho přibližování k nabitému tělesu. Indukovaný náboj má opačnou polaritu než nabité těleso.

Vliv těchto jevů na vznik elektrické energie v zařízeních TENG si vysvětlíme na popisu fungování čtyř základních typů těchto nanogenerátorů, které jsou základem drtivé většiny současných funkčních prototypů (obr. 2).

Obr. 2: Schéma fungování čtyř základních režimů triboelektrických
nanogenerátorů a jejich aplikace [6].

a) vertikální posuvný režim

Toto nastavení využívá dvou odlišných dielektrických vrstev, které jsou upevněny na vodivých elektrodách. Tyto elektrody jsou vzájemně propojeny přes vnější obvod (obr. 2a). Celé zařízení je umístěno tak, aby obě dielektrické vrstvy bylo možno opakovaně stlačovat vnějším mechanickým pohybem (například chůzí). V první fázi fungování nanogenerátoru jsou oba dielektrické povrchy stlačeny, což způsobí polarizaci obou dielektrik díky triboelektrickému jevu. Následné oddalování obou vrstev způsobí změnu elektrického potenciálu mezi vodivými elektrodami, což vyvolá tok elektronů z jedné elektrody na druhou přes vnější obvod (v našem případě tok elektronů z dolní na horní elektrodu), a tedy konverzi mechanické energie na elektrickou. Stlačení obou destiček vyvolá elektrický proud opačné polarity. Frekvence stlačení ovlivňuje velikost generovaného elektrického proudu, generované elektrického napětí není na tomto parametru závislé.

TENG – vertikální posuvný režim [5].

b) horizontální posuvný režim

Konstrukce tohoto nanogenerátoru je obdobná jako v předešlém případě, jen po sobě obě dielektrika působením vnější síly kloužou (obr. 2b). Změna překryvu obou nabitých materiálů poté způsobuje potenciálový rozdíl mezi elektrodami, a tím vyvolává vznik elektrického proudu ve vnějším obvodu. V našem případě tečou elektrony při snižování překryvu z dolní elektrody na horní.

TENG – horizontální posuvný režim [7].

c) jednoelektrodový režim

V tomto případě je TENG složen z dielektrického materiálu (bez elektrody) a jedné samostatné elektrody, která je přes vnější obvod uzemněna (obr. 2c). Při kontaktu obou materiálů dojde k jejich nabití. Následné oddalování a přibližování obou povrchů způsobí ponteciálový rozdíl mezi elektrodou a zemí, a tím vznik elektrického proudu mezi mini.

d) režim s volnou dielektrickou vrstvou (případně elektrodou)

V tomto nastavení je využíváno dvou pevných elektrod a volné dielektrické vrstvy. Elektrody jsou vzájemně propojeny přes vnější obvod (obr. 2d). Vnější mechanické působení vyvolá klouzavý pohyb dielektrika mezi oběma elektrodami. Vzdálenost mezi elektrodami nesmí být větší, než je velikost dielektrika. Měnící se překryv dielektrika a obou elektrod způsobuje potenciálový rozdíl mezi elektrodami, a tím vyvolává elektrický proud mezi nimi.

Každé z uvedených nastavení nebo jejich upravené verze našli uplatnění při konverzi jiného typu mechanické energie. Některé základní aplikace těchto režimů jsou uvedeny na obrázku 2. Mnoho dalších bude uvedeno v částech zabývajících se aplikacemi TENG.

Srovnání elektromagnetických generátorů a triboelektrických nanogenerátorů

Možná jste si během čtení předcházejícího textu položili intuitivní a naprosto správnou otázku: v čem je nová metoda tvorby elektrické energie lepší než ty doposud používané? To se pokusíme zodpovědět v následujícím textu.

Konverze mechanické energie na elektrickou lze dosáhnout různými mechanizmy. Mezi nejběžnější patří využití elektromagnetického generátoru (EMG, z anglického electromagnetic generator), který se používá v současných větrných či vodních elektrárnách, piezoelektrického nanogenerátoru (PENG, z anglického piezoelectric nanogenerator) a generátoru TENG. Typický EMG je složen z těžkého magnetu a kovové cívky. Vzájemnou rotací vodivé smyčky a magnetu dochází ke vzniku elektrického proudu ve vodivé smyčce. Tomuto jevu se říká zákon elektromagnetické indukce (obr. 3a). V naprosté většině případů jsou EMG masivní zařízení využívající obřích turbín, případně mnohametrových vrtulí. Přestože za vhodných podmínek vykazují vysokou účinnost (70–90 % u samotného generátoru větrných a vodních elektráren), jsou citlivé jen na vzdušné (vodní) proudy v jednom směru a jejich účinnost se výrazně snižuje při asymetrickém, aperiodickém či nízkofrekvenčním proudění. Kvůli svým rozměrům a mechanizmu fungování neumožňují využití biomechanické energie či energie nízkofrekvenčních vibrací.

Obr. 3: a) Princip fungování elektromagnetických generátorů, b) princip fungování triboelektrických nanogenerátorů, c) graf závislosti elektrického výkonu EMG a TENG o srovnatelných rozměrech na frekvenci vstupní mechanické oscilace [2].

Tyto nedostatky překonaly v roce 2006 první nanogenerátory využívající piezoelektrického jevu – PENG (generace elektrického napětí při stlačení látky), [8]. Nicméně ty byly kvůli své nízké účinnosti brzy nahrazeny zařízeními TENG (2012). Porovnání generátorů EMG a TENG je na obrázku 3 [9]. Na rozdíl od EMG se nanogenerátory TENG dají konstruovat z dobře dostupných a netoxických levných materiálů, o velmi nízkých hmotnostech a extrémně malých rozměrech (jednotky cm², obr. 4). Přesto mohou dosahovat účinnosti konverze až 70 % [2]. Z podstaty jejich fungování a při vhodné konstrukci mohou využívat mechanickou energii přicházející z libovolného směru (3D-TENG). Jejich výkon je při konverzi mechanických oscilací o nízkých frekvencích výrazně vyšší než u EMG (obr. 3c). U EMG totiž výstupní elektrický výkon roste s druhou mocninou f² frekvence mechanických oscilací, zatímco u TENG je tato závislost lineární. Rozdíl je způsoben nezávislostí elektrického napětí a frekvence u TENG. Díky všem těmto vlastnostem mohou zařízení TENG konvertovat mechanickou energii, kterou, přestože se nachází všude kolem nás v obrovském množství, nebylo doposud možno účinně využít k výrobě elektrické energie. Mezi tyto nevyužité nebo nedostatečně využívané typy mechanické energie patří vodní energie, biomechanická energie, energie běžných vibrací a větrná energie. Právě na metody využití těchto čtyř typů mechanické energie se zaměříme v následujících bulletinech.

Obr. 4: Snímek flexibilního TENG složeného z poly(tert-butyl akrylátu (PtBA) –
upevněného na polyvinyliden difluoridu (PVDF) [10].

Na tomto místě je důležité zmínit zásadní synergii mezi TENG a internetem věcí. Schopnost TENG generovat i při malých frekvencích a aperiodickém pohybu elektrickou energii o napětí stovek voltů jej činí ideálním zdrojem pro napájení internetu věcí. Nízký elektrický výkon TENG není na závadu, zařízení zapojená do internetu věcí mívají často pouze minimální energetické nároky. Spojení těchto zařízení s drobnými generátory TENG využívajícími všudypřítomnou mechanickou energii by je činilo zcela energeticky nezávislými.

Pokračování příště

Odkazy