제주대학교 Repository

Development of Hybrid Generator using Triboelectric-Electromagnetic Components for Scavenging Wind and Water Wave Energy

Metadata Downloads
Abstract
Developing a sustainable power source for powering low power consumer electronic devices is very important because of increasing environmental issues such as global warming and pollution due to use of fossil fuels. Also, it will take thousands of years to recover the fossil fuels that have been utilized so far. To overcome these environmental issues, researchers have been developing a sustainable and clean energy source. The invention of nanogenerator paves the way for the generation of green energy through the waste mechanical energy in our day-to-day life. The nanogenerators such as triboelectric nanogenerator (TENG) and piezoelectric nanogenerators (PENGs) work on triboelectric effect and piezoelectric effect, respectively, upon actuating by an external mechanical force. Mechanical energy is abundant in the environment, such as human walking, water wave, vibrations, and can easily be utilized to convert into useful electrical energy. The generated electrical output from the TENGs and PENGs individually is not that efficient to power various electronic devices. The power and power density of these generators are not high to perform various real-time applications. In order to overcome this problem, hybrid nanogenerators were introduced by combining different energy harvesters in a single unit. The hybrid nanogenerators such as TENG-PENG, NGs-Solar cell, NGs-electromagnetic generator (EMG) have been introduced in the recent past. Each component has its unique advantages and several drawbacks. Herein, a hybrid generator made of TENG and EMG in a single package with varying structures for scavenging mechanical energy from water wave and the wind has been fabricated. The device consists of a tubular-shaped structure with coils - xii - wound on either side of the tubes. The inner portion of the tube has a kapton film with interdigitated electrode pattern, which acts as a triboelectric layer. The magnet is placed inside the tube, which slides over the kapton layer leads to the generation of triboelectric potential, and also the sliding magnet moves into the inner side of the coil developing the EMG potential upon simultaneous mechanical motions. The tubular structure is then placed into a buoy made of plastic and kept into the sea for scavenging the water wave motions. The buoy is then used for a real-time application of water spill detection. The other type of hybrid generator made of TENG-EMG components for scavenging wind energy based on a flutter mechanism. A lightweight kapton film is used as a triboelectric layer with the creation of micro surface roughness using an inductively coupled plasma etching process. The roughness enhances the contact points leading to the generation of high triboelectric output. The other side of kapton film is coated with platinum for electrical connections. Also the kapton film is attached with a lightweight coil in a flat manner with a turn of 100 numbers. The kapton film is then placed inside an acrylic chamber with the inner top side attached with aluminum, which acts as a positive triboelectric layer as well as electrode. And the outer portion of acrylic on the top was attached with magnets for the generation of electromagnetic flux in the coil. These devices can effectively generate electrical output upon wind force and can also be used as wind speed and wind direction monitoring sensors. Thus the hybrid nanogenerators can scavenge electrical output effectively, which is much higher than the individual components and can also be used for many applications that require power in the range of milliwatts and can be used in the future internet of things (IoT).
화석 연료 사용으로 인한 지구 온난화 및 오염과 같은 환경 문제가 증가 하기 때문에 저전력 소비자 전자 기기에 전원을 공급하기 위한 지속 가능한 전원을 개발하는 것이 매우 중요하다. 또한 지금까지 사용된 화석 연료가 다 시 생성될 때까지 수천 년이 걸릴 것이다. 이러한 환경 문제를 극복하기 위 해 연구원들은 지속 가능하며 깨끗한 에너지원을 개발해 왔다. 나노발전기의 발명은 일상생활에서 버려지는 기계적 에너지를 통해 녹색 에너지를 생산할 수 있는 길을 열어준다. TENG (Triboelectric Nanogenerator) 및 PENG (Piezoelectric Nanogenerator)과 같은 나노발전기는 외부의 기계적 힘이 가해질 때 각각 마찰 전기 효과 및 압전 효과에 의해 발전한다. 사람의 보행, 파도, 진동 등으로부터 기계 에너지를 쉽게 찾을 수가 있으며 이것은 유용한 전기 에너지로 쉽게 변환 할 수 있다. TENG 및 PENG에서 개별적으로 생성된 전 력은 다양한 전자 장치에 전력을 공급하기에 충분할 정도로 효율적이지 않 다. 이러한 발전기의 전력 및 전력 밀도는 다양한 실시간 어플리케이션을 수 행하기에는 부족하다. 이 문제를 극복하기 위해, 다른 나노발전기를 단일 유 닛으로 조합함으로써 하이브리드 나노발전기를 제작하였다. 최근에는 TENG-PENG, NGs-Solar cell, NGs-electromagnetic generator (EMG) 와 같은 하이브리드 나노발전기가 여러 논문에 소개되었으며, 각각의 발전기 는 고유의 장점 및 단점들이 있다. 본 학위 논문에서는 파도와 바람으로부터 기계적 에너지를 전기 에너지로 바꾸기 위하여 TENG과 EMG로 이루어진 하 이브리드 발전기가 다양한 형태의 단일 유닛형태로 제작되었다. 한 장치는 코일이 두 군데 감긴 튜브형 구조로 제작되었다. 튜브의 안쪽 면은 전극이 코팅된 캡톤 필름이 배치되었다. 튜브의 내부에는 네오디뮴자석이 있으며, 이 자석이 튜브 내부에서 미끄러지며 마찰 전위를 발생시킴과 동시에 코일 내부를 이동하며 EMG 전위를 발생시키는 과정을 통하여 자석의 기계적 에 너지를 전기 에너지로 변환하게 된다. 이 튜브형 발전기는 부표 내부에 위치 하는 것을 고려하여 제작되었으며, 그 부표는 수면 위에 떠 있는 상태에서 파도에 의한 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하게 된다. 다른 형태의 하이브리드 발전기는 풍력 발전을 위하여 펄럭이는 형태의 TENG-EMG로 이루어져 있다. 가벼운 캡톤 필름의 한 면은 접점을 향상시켜 높은 마찰출력을 얻기 위해 플라즈마 에칭 공정을 통하여 표면 거칠기를 형 성시켰으며 다른 한 면은 전극이 코팅되었다. 또한 면 형태의 경량 구리 코 일이 부착되었으며, 이 캡톤 필름은 알루미늄과 더불어 아크릴로 만들어진 터널 내부에 배치되었다. 또한 네오디뮴자석도 배치되어 바람에 의해 캡톤 필름이 진동 형태의 운동을 하여 전기 출력을 효과적으로 생성 할 수 있다. 이러한 하이브리드 나노발전기들은 개별적인 나노발전기보다 효과적으로 높 은 전기출력을 발생할 수 있으며 향후 밀리와트 (mW) 범위의 전력을 필요로 하는 IoT 분야에도 적용이 가능할 수 있다.
Author(s)
Kim, Woo Joong
Issued Date
2020
Awarded Date
2020. 2
Type
Dissertation
URI
http://dcoll.jejunu.ac.kr/common/orgView/000000009316
Affiliation
제주대학교 대학원
Department
대학원 메카트로닉스공학과
Advisor
Kim, Sang Jae
Table Of Contents
1. Introduction 1
1.1 Introduction 1
1.2 Working modes of TENG 3
1.2.1 Contact separation mode 5
1.2.2 Linear Sliding mode 5
1.2.3 Single electrode mode 5
1.2.4 Free-standing mode 6
2. Materials and methods 8
2.1 Materials used 8
2.2 Materials Characterization and Measurements 9
2.2.1 Field emission scanning electron microscope (FE-SEM) 9
2.2.2 Sputter coating 9
2.2.3 Reactive ion etching 9
2.2.4 Linear Motor 10
2.2.5 Electrometer 10
3. Development of tubular shape triboelectric-electromagnetic hybrid generator for blue energy scavenging and oil spill detection 12
3.1 Experimental Section 12
3.1.1 Device fabrication and measurements 12
3.2 Working mechanism 13
3.3 Results and discussions 15
3.4 Conclusion 25
4. Development of Wind Energy harvesting hybrid generator made of Triboelectric and Electromagnetic components for wind speed and Wind direction monitoring 27
4.1 Experimental Section 27
4.1.1 Device fabrication and measurements 27
4.2 Results and discussions 28
4.3 Conclusion 34
5. References 35
Appendix: Publications 41
Appendix: Conferences 42
Appendix: List of awards 44
Declaration 45
Degree
Master
Publisher
제주대학교 대학원
Citation
Kim, Woo Joong. (2020). Development of Hybrid Generator using Triboelectric-Electromagnetic Components for Scavenging Wind and Water Wave Energy
Appears in Collections:
Faculty of Applied Energy System > Mechatronics Engineering
Authorize & License
  • AuthorizeOpen
Files in This Item:

Items in Repository are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.