Termoplastik keçe esaslı triboelektrik nanojeneratörlerin çıktı performanslarının incelenmesi
Investigation of the output performances of thermoplastic veil- based triboelectric nanogenerators
Yazar: ARYA YILMAZ
Danışman: DOÇ. DR. ADEM YAR
Bingöl Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekanik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Enerji üretimi = Energy generation ; Keçeler = Felts ; Silikonlar = Silicones ; Termoplastik malzemeler = Thermoplastic materials ; İndüksiyon = Induction

Özet:
Triboelektrik nanojeneratör (TENG), yaygın olan mekanik hareketleri toplayarak elektrik enerjisine dönüştüren bir cihazdır. Günümüzde, TENG'lerin enerji verimliliği düşüktür bu nedenle kendi kendine çalışan elektronik cihazları çalıştırmak için kullanılmamaktadır. Elektronik cihazlarda enerji kaynağı olarak kullanılması için TENG'in güç performansının iyileştirilmesi gerekmektedir. Bu nedenle, enerji verimliliği, daha yüksek elektrik şarj kapasitesine sahip yeni dielektrik malzemeler kullanılarak artırılabilir. Bu amaçla, bu çalışmada tribo-katmanlar olarak % 2,5 Al katkılı silikon ve termoplastik keçeler (Poliimid (PI), Polifenilen Sülfit (PPS), Polietereterketon (PEEK), Polieterimid (PEI) ve Poliimid bağlayıcı ince cam (GP)) kullanılarak TENG üretilmiştir. Üretilen bu TENG biyomekanik enerji üretimi için uygun bir dikey temas ayırma modu kullanılarak tasarlanmıştır. Termoplastik keçelerin yüzey morfolojisi için taramalı elektron mikroskobu (SEM), profilometre ve optik mikroskop kullanılmıştır. Termoplastik keçeler (GP, PEEK, PEI, PI ve PPS) kullanılarak üretilen TENG'lerin çıkış güçleri, voltajları ve akımları ölçüldü. İlk olarak tek katman termoplastik keçeler (GP, PEEK, PEI, PI ve PPS) elektriksel ölçümleri yapıldı. Yapılan ölçümlere göre en iyi güç çıktısını veren malzemenin PEEK olduğu belirlendi. PEEK kullanılarak üretilen TENG'in maksimum çıkış gücü 37.48 mW olarak hesaplanmıştır. İkinci olarak TENG'lerin çıkış gücünü iyileştirmek için termoplastik keçelerin (GP, PEEK, PEI, PI ve PPS) katman sayısı arttırılarak elektriksel ölçümleri yapılmıştır. Yapılan çalışmada GP, PEEK, PEI, PI ve PPS termoplastik keçeleri için optimize katman sayıları sırasıyla 2, 2, 6, 5 ve 2 olarak belirlenmiştir. Bu termoplastik keçeler arasında iyi elektriksel çıkış performansı sergileyen PEI termoplastik keçesi olduğu belirlenmiştir. PEI termoplastik keçesinin anlık voltajları tek katmanda 446 V iken 6 kat katmanda 500 V olarak ölçülmüştür. Yani PEI termoplastik keçesinin katman sayısı arttırılarak PEI termoplastik keçesinin anlık voltajı %12,1 kat arttırılmıştır. Son olarak katman optimizasyonu yapılan termoplastik keçeler (GP, PEEK, PEI, PI ve PPS) için çok hücreli TENG fabrikasyonu yapıldı. Çok hücreli TENG tasarımında tüm termoplastik keçeler (GP, PEEK, PEI, PI ve PPS) anlık voltaj sabit kalırken kapasite geriliminin arttığı gözlemlenmiştir. Yapılan ölçümlere bakıldığında katman sayısındaki artış ve çok hücreli TENG kullanımının TENG'in çıktı performanslarında önemli bir katkısı olduğu söylenebilir.

Anahtar Kelimeler: Termoplastik keçe, silikon,  triboelektrik nanojeneratörler,  enerji üretimi, elektrostatik indüksiyon.

Abstract:
Triboelectric nanogenerator (TENG) generates electricity by collecting common mechanical movements.It is a device that converts energy. Nowadays, TENGs have low energy efficiency and are therefore not used to power self-powered electronic devices. To be employed as an energy source in electronic equipment, TENG's power performance needs to be enhanced. Therefore, by utilizing novel dielectric materials with greater electrical charging capacity, energy efficiency can be raised. For this purpose, in this study, TENG was fabriceted by using 2.5% Al added silicon and thermoplastic veils Polyimide (PI), Polyphenylene Sulphite (PPS), Polyetheretherketone (PEEK), Polyetherimide (PEI) and Polyimide binder thin glass (GP)) as tribo-layers. This TENG fabricted was designed using a vertical contact separation mode suitable for biomechanical power generation. Scanning electron microscope (SEM), profilometer and optical microscope were exploited for the surface morphology of thermoplastic veils. Output powers, voltages and currents of TENGs fabricated using thermoplastic veils (GP, PEEK, PEI, PI and PPS) were successfully measured. First, electrical measurements of single layer thermoplastic veils (GP, PEEK, PEI, PI and PPS) were carried out. According to the achieved measurements, it was determined that the material that gave the best power output was PEEK. Secondly, to enhance the output power of TENGs, electrical measurements of thermoplastic veils (GP, PEEK, PEI, PI and PPS) were achieved by increasing the layer. In the study, optimized layer for GP, PEEK, PEI, PI and PPS thermoplastic veils were determined as 2, 2, 6, 5 and 2 layers, respectively. The instantaneous voltages of the PEI thermoplastic veil were measured as 446 V in a single layer and 500 V in 6 layers. In other words, by increasing the layers of the PEI thermoplastic veil, the instantaneous voltage of the PEI thermoplastic veil was increased by 12.1%. Finally, multi-cell TENG fabrication was performed for layer optimized thermoplastic veils (GP, PEEK, PEI, PI and PPS). In the multi-cell TENG design, it was observed that the capacitance voltage increased while the instantaneous voltage remained constant for all thermoplastic veils (GP, PEEK, PEI, PI and PPS). Based on the measurements, it is possible to conclude that increasing the number of layers and using multi-cell TENG have a significant influence on TENG output performance.

Keyword: Thermoplastic veil, silicon, triboelectric nanogenerators, energy harvesting, electrostatic induction.