Запечатлевая движение,
Создавая истории

Прикладная энергия | Динамическое поведение и поток энергии плавающих трибоэлектрических наногенераторов

Команда профессора Ван Чжунлина из Института наноэнергии и нано-систем Китайской академии наук опубликовала статью под названием «Динамическое поведение и поток энергии плавающих трибоэлектрических наногенераторов» в журнале Applied Energy, который индексируется SCI и EI.

Авторы использовали систему захвата движения NOKOV для получения информации о шести степенях свободы (6DoF) различных плавающих трибоэлектрических наногенераторов (F-TENGs) под воздействием водных волн в первый раз. На основе статистических данных из 118 научных статей были систематически исследованы наиболее универсально применимые режимы/параметры и модели неупругого тела. Шестимерные кинематические радарные матрицы и кривые энергетического градиента, полученные из расчетов и статистики данных 6DoF, комплексно раскрывают динамическое поведение и характеристики потока энергии F-TENGs при взаимодействии с водными волнами. Результаты исследования могут служить вдохновляющей основой для структурного проектирования, оптимизируя использование F-TENGs для синей энергии.

Цитата

Шусйн Сю, Цзябин Чжан, Эрмин Сю, Чэньюй Ли, Вэй Тан, Гуанлин Лю, Лео Н.Й. Цао, Чжун Лин Ван, Динамическое поведение и энергетические потоки плавающих трибоэлектрических наногенераторов, Прикладная энергия, Том 367, 2024, 123468, ISSN 0306-2619,  https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.123468. 

Фон исследования

Энергия волн является обширным и повсеместным источником чистой энергии, который всегда был горячей темой в области сбора новой энергии. Среди этих исследований плавающие трибоэлектрические наногенераторы (F-TENG), которые извлекают энергию через процессы трения и электро-статической индукции, получили значительное признание благодаря высокой степени взаимодействия с рабочими циклами морского бриза и океанских волн, легкой конструкции, облегчающей плавучесть, низким затратам на производство и возможностям масштабирования для широкомасштабного развертывания. Однако по-прежнему существуют проблемы, включая непрактичные методы связи между волнами и F-TENG, отсутствие системных методов динамического обнаружения и анализа, а также склонность к чрезмерной оптимизации параметров. С другой стороны, динамическое изучение F-TENG носит односторонний характер и не имеет систематических исследований динамических изменений различных или универсальных F-TENG. Поэтому цель данной статьи заключается в комплексном и систематическом понимании динамического поведения и характеристик энергетического потока F-TENG при взаимодействии с водными волнами.

Исследовательские достижения

1. Представлен новый метод для анализа плавающих трибоэлектрических наногенераторов (F-TENGs) с шести степенями свободы.

2. Нерегидные модели с контролируемыми переменными универсальны и близки к реальной ситуации.

3. Предоставлен комплексный анализ отслеживания и динамики/энергии F-TENG при волновом возбуждении.

4. Полученные правила могут облегчить и направить структурную оптимизацию F-TENG для преобразования волновой энергии.

5. Программное обеспечение для анализа динамики жидкостей используется для разъяснения правил, управляющих параметрами F-TENG.

Эксперимент

Эксперимент проводился в закрытом прямоугольном бассейне размером 1.2 метра × 1.0 метра × 1.0 метра с глубиной воды 0.6 метра, оснащенном генератором волн мощностью 50 Вт, и использовалась система захвата движения NOKOV для отслеживания движения F-TENG.

Рисунок 1 - Тестовая среда в реальном бассейне

Анализируя различные показатели различных поплавков, включая центр тяжести, вес, диаметр, размер и основные режимы, такие как режим качения, упругий режим и вспомогательный режим, была проведена комплексная трассировка позы и динамический/энергетический анализ F-TENG под воздействием волн воды.

Рисунок 2 - c) Общая схема динамических расчетов d) Схема процесса динамического расчета

Через динамические расчеты, включая дифференцирование, векторный синтез, подстановку параметров и статистику 6DoF, были проанализированы и смоделированы динамические данные F-TENG, такие как скорость, ускорение, сила, угловая скорость, угловое ускорение и момент, чтобы помочь в анализе реакции F-TENG на волну возбуждения.

Эти стандартизированные тесты и модели универсальных режимов и базовых параметров могут эффективно помочь в будущем проектировании и оптимизации структуры F-TENG. Кроме того, этот визуально интегрированный метод тестирования предоставляет эффективный подход для отслеживания траектории, многомерного анализа, наблюдения за движением нескольких тел и валидации симуляции F-TENG.

Система захвата движений NOKOV предоставляет высокоточные данные о позах для плавающих трибоэлектрических наногенераторов (F-TENG), что помогает в комплексном отслеживании поз и динамическом/энергетическом анализе между F-TENG и водными волнами.

Введение автора

Сю Шуцин, аспирант Института наноэнергетики и наносистем Китайской академии наук. Научные интересы: трибоэлектрические наноэлектрогенераторы, голубая энергия, самопитаемые датчики.

Чжан Цзявинь, кандидат наук в Университете науки и технологий Китая, факультетBiomedical Engineering. Научные интересы: трибоэлектрические наногенераторы, самопитаемые сенсоры, интеллектуальная логистика.

Су Эрьмин, кандидат наук в Институте наноэнергии и нано-систем Китайской академии наук.  Научные интересы: трибоэлектрические наногенераторы, синяя энергия, высокоточная 3D-печать.

Ли Чэнью, постдокторант Института исследований умных носимых систем, Гонконгский политехнический университет. Исследовательские интересы: трибоеlectric наногенераторы, носимые устройства, мониторинг движений.

Тан Вэй, исследователь и научный руководитель аспирантов в Институте наноэнергии и нано-систем Китайской академии наук. Интересы в исследовании: трибоэлектрические наногенераторы, самозаряжающиеся сенсоры, контактная электрокатализ.

Лю Гуанлин (Автор для переписки), доцент Наносистемного центра Гуанксийского университета. Научные интересы: трибоэлектрические наноэлектрогенераторы, синяя энергия.

Цао Наньин (Автор для переписки), ассоциированный исследователь Института наноэнергии и наносистем Китайской Академии Наук. Научные интересы: трибоэлектрические наногенераторы, синяя энергия, технологии 3D-печати.

Ван Чжуньлин (Автор-корреспондент), Институт наноэнергии и нанообразований, Китайская академия наук и Технический университет Джорджии, Профессор и Академик