تولید الکتریسیته سبز به کمک ارتعاشات محیطی

کوچک شدن ابعاد و کاهش مصرف انرژی ابزارهای الکتریکی مدرن، فرصتی برای برداشت انرژی سبز و رایگان از محیط زیست به وجود آورده است. برداشت‌کننده‌های ارتعاش کنونی قادرند با استفاده از اختلالات مکانیکی روزمره مانند جریان باد، سر و صدای ترافیک یا قدم برداشتن ما اندکی انرژی الکتریکی تولید کنند.

کد خبر: ۶۶۸۰۹۹

در حال حاضر کوئی یائو و همکارانش از موسسه تحقیقات مهندسی و علوم مواد A*STAR سنگاپور موفق به کشف روشی شده‌اند که خروجی انرژی تولید شده توسط برداشت‌کننده لرزش پلیمری سبک وزن را تا صد برابر افزایش می‌دهد. این کشف ممکن است به حذف شارژ دستی باتری‌های مورد استفاده در میکروسنسورها و باتری موبایل منجر شود.

بسیاری از برداشت‌کننده‌های لرزش، دارای مواد پیزوالکتریک هستند که وقتی آنها را به صورت مکانیکی خم کنید یک ولتاژ الکتریکی تولید می‌کنند. با القای خواص مواد پیزوالکتریک به ستون (تیر) مسطحی که شبیه تخته‌های شیرجه هستند این ستون‌ها می‌توانند با استفاده از ارتعاشات محیط شروع به لرزش کرده، الکتریسیته سبز تولید کنند.

محققان معمولا از سرامیک‌های پیزوالکتریکی برای تولید الکتریسیته استفاده می کنند که مقادیر زیادی از بارهای الکتریکی دارند. هرچند تردی و شکنندگی سرامیک، آنها را برای جنبش‌های ارتعاشی طولانی‌مدت و بزرگ بدون استفاده می‌کند.

یائو و همکارانش یک ماده پیزوالکتریک مبتنی بر پلاستیک به نام پلی وینیلیدن فلوراید (PVDF) را مورد بررسی قرار دادند که هزینه تهیه آن پایین بوده و به آسانی تحت فشار مکانیکی قرار می‌گرفت. برای تولید یک برداشت‌کننده لرزش کارآمد از PVDF محققان باید پلیمر را به صورت چند لایه روی هم قرار داده و جریان خروجی آن را ارتقا دهند و امپدانس الکتریکی که خاصیت ذاتی مواد پیزوالکتریک است را کاهش دهند، اما زمانی که لایه‌های پیزوالکتریک زیادی روی هم چیده شدند ستون ساخته شده بیش از حد سفت بوده و برای خم شدن و برداشت انرژی ارتعاشی ناکارآمد بود.

برای ارتقای کارآمدی برداشت پیزوالکتریکی با فیلم‌های پلاستیکی محققان از یک روش تحلیلی استفاده کردند و یک مدل ریاضی از ستون‌های پلیمری چند لایه را که از الکترودهای فلزی پوشیده شده بود، ساختند. سپس محققان به صورت سیستماتیک چگونگی تاثیر پارامترهای مختلف مواد روی انرژی خروجی را توسط این مدل ریاضی اندازه‌گیری کردند.

این شبیه‌سازی باعث شد برخی فاکتورهای در نظر گرفته نشده مانند نازکی پوشش‌های الکترودی و پارامترهای الکتریکی مواد آشکار شود. این موضوع می تواند تاثیر زیادی روی الکتریسیته تولید شده به وسیله خم شدن پلیمرهای چند لایه داشته باشد.

یک پارامتر کلیدی شناسایی شده لزوم تطابق امپدانس الکتریکی با مقاومت بار مطلوب (امپدانس ورودی) داشت. تجزیه و تحلیل محققان نشان می‌داد خروجی انرژی ناشی از یک پیزوالکتریک 22 لایه می‌تواند بین پنج تا 400 برابر بیشتر از یک پیزوالکتریک تک‌لایه پلیمری ابعاد یکسان باشد.

محققان سپس با ساخت یک برداشت‌کننده ارتعاشی مبتنی بر PVDF روی یک لایه آلومینیومی منعطف امکان‌پذیر بودن نتایج حاکی از تجزیه تحلیل‌هایشان را امتحان کردند. آنها برای ساخت پلیمر چند لایه از روش‌های غوطه‌ورسازی و برای ایجاد پوشش‌های الکترودی نازک از روش رسوب فیزیکی بخار (از این روش برای تولید لایه‌های نازک جهت ایجاد پوشش‌هایی با ضخامت نانومیلی‌متر استفاده می‌شود) استفاده کردند.

یائو متذکر شدکه نتایج به دست آمده امیدوارکننده است و نشان می‌دهد پلیمر چند لایه پیزوالکتریک ممکن است انرژی برداشت را به‌حدی برساند که این ابزار جایگزین باتری‌های فعلی شوند.