Hver er framtíð tríboelectric orkuuppskeru frá vökvaflæði til að knýja PTFE hitaskynjara?

Að bæta þráðlausum hitaskynjara við PTFE dýfahitara hljómar einfalt í orði. Í reynd skapar það viðhaldshindranir, áreiðanleikavandamál og mengunarhættu að leiða víra í gegnum ætandi ferli umhverfi eða skipta um rafhlöður inni í heitum efnahlífum. En ný rannsóknarhugmynd leggur til grundvallar aðra nálgun: að láta PTFE yfirborðið sjálft búa til rafmagn til að stjórna skynjaranum.

Triboelectricity, fyrirbæri þar sem lítil truflanir rafhleðsla myndast þegar vökvi rennur yfir PTFE, getur átt sér stað. Þessi hleðsla, hversu lítil sem hún er, gæti á endanum dugað til að knýja ofur-græjur með litlum krafti. Slík atburðarás gæti leitt til sjálfknúns-skynjunarvettvangs þar sem vinnsluvökvinn sjálfur er orkugjafinn fyrir þráðlausa vöktun.

Vinnureglan um PTFE hitaskynjara sem er tríboelectric orkuuppskeru er ein af áhugaverðari gatnamótum háþróaðrar efnisvísinda, varmavinnslu og Industrial Internet of Things.

Triboelectric áhrif útskýrð
Triboelectricity er sköpun rafhleðslu með snertingu og aðskilnaði ólíkra efna.

Triboelectric röðin er listi yfir efni raðað eftir því hversu líklegt er að þau fái eða tapi rafeindum í þessum samskiptum. PTFE er í afar neikvæða enda þessarar röðar og er talið vera meðal rafneikvæðustu efna sem vitað er um.

Þegar vökvasameindir flæða yfir PTFE yfirborð getur hleðsluskilnaður átt sér stað við viðmótið. Það fer eftir vökvaefnafræði, flæðiskilyrðum og jónastyrk, rafeindir geta helst safnast saman á PTFE og skilið eftir gagnstæða hleðslu í vökvanum.

Þessi viðvarandi snerting leiðir til örsmárs, en stöðugs rafmöguleika við flæðisskilyrði.

Í venjulegum iðnaðarkerfum er slík kyrrstöðuhleðsla oft óæskileg og gæti þurft að jarðtengja hana eða dreifa henni. En í nýrri orku-uppskerurannsóknum verður hleðslan hugsanleg aflgjafi.

Hvernig virkar Triboelectric PTFE hitaskynjari?
Hannað kerfið er einfalt í hugmyndum en háþróað í tækni.

PTFE dýfahitari myndi samanstanda af:

Ígrædd leiðandi rafskaut.

Orkuuppskeruhringrás.

Lítill þétti eða ofurþétti

Ofurlítið afl skynjari

Lítil orkunotkun þráðlaus samskiptaeining

Þegar vökvinn rennur yfir PTFE yfirborðið safnast þrírafmagnshleðsla á innbyggða rafskautið. Hleðslan safnast jafnt og þétt saman í litla orkugeymslu.

Að gefnu tilefni gætirðu framleitt næga orku til að knýja stutta stund:

Hitamælir

Leiðnimælir

Skynjari fyrir ferli aðstæður

Lítið afl þráðlaus eða Bluetooth sending

Rennandi vökvinn virkar sem rafmagnssnúra skynjarans og fjarlægir kröfuna um dæmigerða ytri raflagnir.

Triboelectric nanogenerators og PTFE
Margar þessara hugmynda eru byggðar á tækjum sem kallast triboelectric nanogenerators, eða TENG í stuttu máli.

TENG breytir vélrænni hreyfingu eða samspili við vökva í nothæfa raforku með triboelectric hleðsluflutningi og rafstöðueiginleikum.

Sterk neikvæð þrírafmagnshegðun PTFE-byggðra kerfa gerir efnið mjög hentugt í slíkum tilgangi.

Triboelectric nanórafall getur búið til mjög háa spennu við kjöraðstæður, þó að núverandi straumur sé enn frekar hóflegur.

Dæmigerð úttakseinkenni eru:

Háspenna

Mjög lítill straumur

Rafmagnsvinnsla með hléum

Míkróvatta aflstig

Þetta rekstrarsnið passar illa við hefðbundna rafeindatækni, en passar sífellt betur við núverandi ofur-lág-aflsskynjaratækni.

Hvers vegna PTFE er sérstaklega aðlaðandi fyrir orkuuppskeru
PTFE er mikilvægt í efnahitakerfi vegna þess að:

Frábær efnaþol

• Rafmagns einangrun eign

Hitastöðugleiki

Hegðun non-flata

Spennandi fjölnota möguleikarnir eru að sama efni getur einnig myndað nothæfa rafhleðslu þegar vökvi flæðir yfir það.

Hægt er að nota PTFE hitara fyrir:

Hitatæki

Kemískt óvirkt vinnslufóður

Rafmagns óleiðari.

Byggingarþáttur

Aflgjafi fyrir sjálf-knúna skynjara

Þessi samruni getu er vel í takt við stærri þróun í snjallframleiðslu sem leggur áherslu á innbyggða greind og dreifða skynjun.

Hugsanleg iðnaðarnotkun
Þegar búið er að þroskast nógu mikið gæti PTFE hitaskynjaratækni til uppskeru á raforku verið efnilegur frambjóðandi til að styðja við mörg iðnaðarforrit.

Efnavinnsluskip
Þetta gæti gert það auðveldara að fylgjast með hitastigi þráðlaust í sterkum sýrum eða leysiefnum án viðkvæmra raflagna.

Blautir bekkir hálfleiðari
Rafhlöðulausir-ofur-hreinir skynjarahnútar gætu hjálpað til við að takast á við mengunarvandamál í mjög stjórnuðu iðnaðarumhverfi.

Fjarvinnslubúnaður
„Sjálf-knúnir skynjarar geta verið gagnlegir fyrir uppsetningar þar sem hefðbundin raflögn eru dýr og erfið í viðhaldi.

Forspárviðhaldskerfi
Sjálfstætt skynjunarkerfi gætu stöðugt fylgst með:

Hitastig hitari

Rennslisskilyrði

Titringur

Áreiðanleiki ferlisins

snertingu við kemísk efni

Skynjarhnúturinn uppsker orku beint frá hreyfingu vökvans og því gæti viðhaldsþörfin minnkað töluvert.

Núverandi takmarkanir tækninnar
Tæknin er hugmyndalega aðlaðandi en er samt að mestu leyti á rannsóknar- og tilraunaþróunarstigi.

Mörg af helstu tæknilegu áskorunum eru enn óleyst.

Mjög lítil orkunotkun
Núverandi triboelectric uppskerutæki vinna venjulega á míkróvattastigi.

Þessi takmörkun takmarkar mjög:

Flækjustig skynjara

Tíðni gagnaflutninga

Umfang samskipta

Geta til að fylgjast með-rauntíma

Í mörgum tilraunakerfum tekur það nokkrar mínútur að safna orku áður en ein stutt þráðlaus sending getur átt sér stað.

Háð vökvaeiginleikum
Gjaldmyndun er að mestu háð:

Efnafræði vökva

Leiðni (

Jónísk styrkur

Straumhraði

Ástand yfirborðs

Sumir vökvar eru mun rafvirkari en aðrir.

Hæfni þess til að aðgreina hleðslu í ó-skautuðum leysum og sumum jónískum lausnum gæti verið gagnlegri en í mjög leiðandi vökva.

Umhverfisstöðugleiki
Fylgikvillar í iðnaðarumhverfi eru:

Greining

Mengun á yfirborði

Breytileiki í raka

Efnafræðileg niðurbrot

Rafmagns hávaði

Hins vegar er enn rannsóknarvandamál að viðhalda stöðugri-orkuuppskeru til lengri tíma við raunverulegar iðnaðaraðstæður.

Orkugeymsluhagkvæmni.
Þar sem þrírafmagnskerfi búa til mjög litla strauma er mjög nauðsynlegt að hafa góða rafeindabúnað fyrir orkugeymslu.

Ef rafeindabúnaðurinn er ekki rétt hönnuð fyrir ofur-lágt-afl getur tap í hleðslurásinni fljótt vegið þyngra en orkan sem er tekin.

The Industrial Internet of Things Connectivity
Triboelectric uppskeran hefur langtímaáhrif umfram hitara.

Iðnaðaraðstaða reiðir sig í auknum mæli á dreifð skynjunarkerfi til að:

Fyrirsjáanlegt viðhald

Hagræðing á ferli

Eignaeftirlit

Orkustjórnun

Öryggisbúnaður

Hefðbundin uppsetning skynjara þjáist venjulega af:

Kostnaður við raflögn

Skiptu um rafhlöðu

Öfugt umhverfi

Aðgangur að viðhaldi

Sjálfknúinn-skynjaraarkitektúr getur auðveldað stóra-uppsetningu þráðlausra iðnaðarskynjunarkerfa til muna.

Hugmyndin um að vinna orku beint úr vinnsluflæðinu er mjög aðlaðandi þar sem eftirlitsferlið gefur samtímis rekstraraflið.

Hvers vegna framtíðarsýn er enn aðlaðandi
Aflmagnið er lítið á þessum tímapunkti, en grunnhugmyndin er samt nokkuð falleg.

Vinnuumhverfið hefur nú þegar efnafræðilega óvirkt PTFE yfirborð. Það yfirborð er þegar þakið flæðandi vökva. Ef við getum stöðugt uppskera jafnvel lítið magn af raforku úr því samspili, gerir það hugsanlega alveg nýja flokka sjálfstæðra iðnaðartækja.

Kostir: Engar rafhlöður nauðsynlegar.

Engin rafhlaða rýrnun

Engin skiptitímabil

Minni aðgangur að viðhaldi krafist.

Minni líkur á mengun

Auðveldari kröfur um þéttingu

Einnig dregur skortur á ytri raflögnum úr mögulegum tæringarleiðum og flóknum uppsetningu.

Þessir kostir eru sérstaklega æskilegir í alvarlegum efnafræðilegum aðstæðum.

Niðurstaða:
Hugmyndin um þrírafmagnsuppskeru PTFE hitaskynjara er mjög efnileg framtíðartækni sem sameinar háþróuð efnisfræði, ofur-lág-rafmagns rafeindatækni og iðnaðarferlistækni. Örlítið magn af rafhleðslu sem myndast af flæðandi vökva gæti einn daginn knúið sjálfstæða þráðlausa skynjara hnúta án rafhlöðu eða utanaðkomandi snúra og nýtt sér eðlislæga þrírafmagns eiginleika PTFE.

Núverandi triboelectric nanórafallakerfi eru enn takmörkuð við míkróvattaafl og útfærslur á -rannsóknarstigi, en langtímasýn er forvitnileg. Ný nálgun fyrir iðnaðarvöktun er PTFE hitari með sjálfskynjunarkerfi sem er knúið áfram af vökvanum sem verið er að hita upp.

En í dag er útdráttur þrírafmagns úr vinnuvökva PTFE-hitara enn blár-himinn hugtak sem gæti að lokum aðstoðað við að leyfa víðtæka-viðhaldsfrjálsa skynjunarkerfi um alla tengda verksmiðjuna. Stöðugt rafmagn gæti einhvern tíma kynt undir framtíð iðnaðarskynjara.