Tekstil esaslı triboelektrik nanojeneratörlerin (T-TENG) analizi
Analysis of textile based triboelectric nanogenerators (T-TENG)
Yazar: NİLAY CAN GÜLGÖNÜL
Danışman: PROF. DR. HİKMET ZİYA ÖZEK ; PROF. DR. DERMAN VATANSEVER BAYRAMOL
Tekirdağ Namık Kemal Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği = Textile and Textile Engineering

Özet:
Yenilenebilir enerjiye artan taleple birlikte, nano teknoloji odaklı enerji hasadı, enerji dönüşümü, enerji depolama ve uygulama alanları da sürekli gelişim göstermektedir. Bu kapsamda mekanik enerjiyi, elektrik potansiyeline dönüştürebilme kapasitesine sahip triboelektrik nanojeneratörler (TENG) yenilikçi cihazlar olarak öne çıkmıştır. TENG sistemleri ikinci nesil mekanik enerji hasat sistemidir ve son yıllarda temas ayırma moduyla çalışan bazı TENG sistemleri yüksek güç yoğunluklarına ulaşmayı başarmıştır.  İnsan vücudunun, hasat edilebilecek birden fazla enerji kaynağı olduğu dikkate alındığında, tekstil esaslı giyilebilir TENG sistemleri üzerine de yoğun çalışmalar başlamıştır. Bu tez çalışmasında, tekstil esaslı TENG sistemlerinin performans karakteristikleri ve tekstil malzemelerinin enerji hasadı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Yanal kaydırma modunda bir yatay TENG test cihazı ve dikey temas ayırma modunda bir dikey TENG test cihazı tasarlanıp üretilmiştir. Ardından farklı tekstil esaslı triboelektrik nanojeneratör (T-TENG) yapıları oluşturulmuştur. Yün, poliamid 6.6, poliamid 6 ve biyo bazlı poliamid lif içeren dokuma kumaşlar üretilmiş ve pozitif eğilimli dielektrik yüzeyler olarak kullanılmıştır. Negatif eğilimli triboelektrik yüzeyler olarak Silikon film, PTFE film, PTFE kumaş ve PI film yüzeyler kullanılıp bu malzeme çiftlerinden hasat edilen enerji verimi incelenmiştir. Oluşturulan yapıların triboelektrik voltaj değerlerine malzeme cinsinin, yüzey alanın, temas frekansının, çarpma kuvvetinin ve dielektrik yüzeyler arasındaki mesafenin etkisi araştırılmıştır. Dokuma esaslı TENG' lerin ortalama gerilim değerine liflerin triboelektrik karakteri ile kumaş kalınlığı, gözenekliliği ve yüzey yapısı ile temas frekansı, çarpma kuvveti ve ayırma uzaklığının kritik etkileri olduğu, önceki çalışmaları da doğrular şekilde ortaya konulmuştur. Deneysel verilerde en yüksek ortalama voltaj değeri, dielektrik sabiti görece düşük olan ve negatif yüklenme eğilimli PTFE ve PI malzemelerin, PA6.6 ve/veya PA6 içeren dokuma kumaşlar ile yaptığı temas ayırma (CS) triboelektrik modunda elde edilmiştir.  Ölçülen en yüksek ortalama gerilim değeri 252 mV, en yüksek ortalama akım değeri ise 210 nA olmuştur.

Anahtar Kelimeler: Triboelektrik Nanojeneratör (TENG), Tekstil Esaslı Triboelektrik Nanojeneratör (T-TENG), Dikey Temas Ayırma Modu, Dokuma kumaş

Abstract:
Nanotechnology-focused energy harvesting, energy conversion, energy storage and application areas are constantly evolving with the increasing demand for renewable energy. In this context, triboelectric nanogenerators (TENG) with the capacity to convert mechanical energy into electrical potential have emerged as innovative devices. TENG systems are the second generation of mechanical energy harvesting systems and in recent years some TENG systems operating in contact separation mode have managed to achieve high power densities.  Considering that the human body has more than one energy source that can be harvested, intensive studies have begun on textile-based wearable TENG systems. In this thesis, the performance characteristics of TENG systems based on textile materials and the effects of textile materials on energy harvesting were investigated. A horizontal TENG test device was designed for use in sliding mode and a vertical TENG test device was designed for the vertical contact-separation mode. Different T-TENG structures were formed. Woven fabrics containing wool, polyamide 6.6, polyamide 6 and bio-based polyamide fibers were produced and used as positive dielectric surfaces. Silicone film, PTFE film, PTFE fabric and PI film surfaces were used as negative triboelectric surfaces, and the energy efficiency harvested from these material pairs was examined. The effects of material type, surface area, impact frequency, impact force and distance between dielectric surfaces on the triboelectric voltage values of these structures were investigated. It has been shown that the triboelectric character of the fibers, fabric thickness, porosity and surface structure, impact frequency, impact force and separation distance have critical effects on the average voltage value of woven based TENGs, confirming previous studies. In respect of experimental measurements, the highest average voltage value was obtained in the contact separation (CS) triboelectric mode between PTFE and PI film materials which tend to be negatively charged due to a relatively low dielectric constant, and woven fabrics containing PA6.6 and/or PA6. The highest average voltage value measured was 252 mV while the highest average current was 210 nA.

Keywords: Triboelectric Nanogenerator (TENG), Textile Based Triboelectric Nanogenerator (T-TENG), Vertical Contact Separation Mode, Woven fabric