21313

21313

مدل‌سازي و ارزيابي تجربي انباشتگي بار بر روي لايه‌ي عايق در نانوژنراتورهاي تريبوالكتريك

دكتري

الكترونيك

1398

1398/8/14

دكتر جواد ياوند حسني

برق

در طول چند سال گذشته نانوژنراتورهاي تريبوالكتريك (TENG) به‌عنوان منابع توليد انرژي الكتريكي براي ابزارهاي الكترونيكي كم‌مصرف موردتوجه محققين قرارگرفته‌اند. سادگي ساخت، انعطاف‌پذيري و سازگاري زيستي بالا ازجمله ويژگي‌هاي اين ابزارها هستند. انباشتگي بارهاي اصطكاكي بر روي سطح لايه‌ي عايق يكي از عوامل اصلي توليد انرژي در اين ابزارها مي‌باشد. به همين دليل مدل‌سازي و شناخت تغييرات زماني اين بارها از اهميت بسيار بالايي برخوردار است. در اين رساله يك مدل جديد براي انباشتگي بار بر روي سطح لايه‌ي عايق در ابزارهاي TENG ارائه‌شده است. براي توسعه‌ي اين مدل تعريف جديدي از خازن يك اتصال فلز-عايق-فلز ناهموار و غير منطبق ارائه شد. در اين تعريف پارامترهاي ناهمواري دو سطح در حال تماس و فاصله‌ي هوايي مؤثر در نظر گرفته‌شده است. پارامترهاي مدل ارائه‌شده توسط يك روش نوين اندازه‌گيري چگالي سطحي بارها اندازه‌گيري مي‌شود. در اين روش برخلاف تكنيك‌هاي پيچيده‌ي موجود تنها از يك مدار يك‌سوساز نيم موج در اتصال به ابزار TENG استفاده مي‌شود. با استفاده از مدل ارائه‌شده خروجي شبيه‌سازي شده¬ي ابزار TENG با 5 تا 9 درصد دقت بيشتري انجام مي‌شود. همچنين در اين رساله براي اولين بار با استفاده از محاسبات تئوري و نتايج آزمايشگاهي ثابت‌شده است كه در انتقال حداكثر انرژي به بار خازني، يك‌سوساز نيم موج4.92 برابر بهتر از يك‌سوساز تمام موج عمل مي‌كند. به‌منظور شبيه‌سازي رفتار زماني بارهاي انباشته‌شده‌ي سطحي و اعتبار سنجي مدل ارائه‌شده براي انباشتگي بارها نياز به مدارهايي است كه حساسيت ويژه‌اي به بارهاي انباشته‌شده‌ي سطحي دارند. به همين منظور مدار بنت كه داراي خروجي ناپايدار است انتخاب شده است و رفتار ديناميكي آن نسبت به بارهاي سطحي مورد ارزيابي تئوري و آزمايش‌هاي عملي قرار گرفته است. نتايج حاصل‌ نشان مي¬دهد كه در مدار بنت خازن بار در زمان كوتاهي تا V 800 شارژ مي¬شود درحالي‌كه اين مقدار براي يك‌سوسازهاي نيم موج و تمام موج زير V 200 است. نوآوري ديگر حاصل‌شده در به‌كارگيري مدار بنت براي تشخيص علامت بارهاي انباشته‌شده بر روي سطح لايه‌ي عايق ابزارهاي TENG است. در اين رساله همچنين مدل‌هاي فشرده‌ي موجود براي ابزارهاي TENG كامل شده‌اند و به‌گونه‌اي توسعه داده‌شده‌اند كه مدار ارائه‌شده دربرگيرنده‌ي علامت بارهاي سطحي انباشته‌شده نيز باشد.

1398/08/27

Modeling and experimental evaluation of charge accumulation on the surface of dielectric layers in triboelelctric nanogenerators (TENG)

11/6/2019 12:00:00 AM

Recently triboelectric nanogenerators (TENG) has been the center of attention by many research groups as an energy source for low power electronic devices. Simple fabrication, flexibility and biocompatibility are among especiall features of TENG. Surface charge accumulation on dielectric layer is essential to energy production in TENG. Therefore, modeling and study of temporal behavior of surface charges in TENG are of utmost importance. In this reaecrh, a new model of charge accumulation in TENG devices is presented. To develop this model, a novel definition is offered for the non-conformal metal-insulator-metal contacts. In this vision, roughness parameters of both contacting layers and the effective air gap are considered. Parameters of the model are measured using a new surface charge evaluation technique. Unlike current surface charge evaluation techniques, this methode employs a simple half-wave rectifier as test circuit in connection to TENG. Employing the proposed model, simulation of the TENG output is performed more accurately with 5 to 9 percent improvement. In this thesis, for the first time, it is shown that half-wave rectifier outperforms full-wave rectifier in delivering the maximum energy to a capacitive load with a factor of 4.92. To simulate the dynamic behavior of surface charges and to validate the model, a charge sensitive circuit is offered. The circuit, Bennet’s doubler, which shows unstable output behavior is selected to simulate time-dependent variation of surface charges. The results show that the capacitive load in the Bennet circuit is quickly charged to 800 V, whearas this value is below 200 V for half-wave and full-wave circuits. This circuit, as another novelty in this research, is also employed to determine the sign of stored charges on the surface of the dielectric layer of TENG devices. Finally, in this research, current lumped models for TENG are improved to incorporate the sign of surface charges.