Nanofiber tabanlı triboelektrik nanogeneratörlerin verimini artırmak için dielektrik katmanların iyileştirilmesi
Improvement of dielectric layers to increase the efficiency of nanofiber-based triboelectric nanogenerators
Yazar: AZRA AYŞE GÖRGÖZ
Danışman: DOÇ. DR. ABDULKERİM KARABİBER
Bingöl Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Yenilenebilir Enerji Sistemleri Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy
Dizin: Alternatif enerji = Alternative energy ; Elektrik enerjisi = Electrical energy ; Enerji verimliliği = Energy efficiency ; Nanoteknoloji = Nanotechnology

Özet:
Elektronik cihazlar modern yaşamda giderek yaygınlaşmakta ve bu nedenle enerjiye olan talep ve yeni alternatif enerji kaynakları arayışı sürekli artmaktadır. Triboelektrik Nanogeneratörler (TENG), mekanik hareketleri elektrostatik prensiplerle elektrik enerjisine dönüştüren ve yakın gelecekte kendi kendine çalışan elektronik cihazlarda kullanım için umut vaat eden enerji dönüştürme teknolojileridir. Günümüzde TENG'lerden elde edilen anlık güç miktarı düşüktür ve günlük hayatta yaygın kullanımları için enerji verimliliklerinin artırılması gerekmektedir. Nanofiber dielektrikler, triboelektrik etkileşimler için daha etkili temas yüzeyleri sağlayan malzemelerdir. Artan etkili yüzey alanı, yük transferini güçlendirir, böylece elektrik enerjisi üretimini geliştirir. Ek olarak, TENG'lerin triboelektrik özellikleri, belirli malzemelerin katkılanmasıyla önemli ölçüde iyileştirilebilir. Nanofiber bazlı dielektrik katmanlarda, katkılama oranları ve malzeme türleri gibi faktörleri ayarlayarak triboelektrik performansını optimize etmek ve daha yüksek enerji dönüşüm verimliliği elde etmek mümkündür. Nanofiberlerin bir diğer önemli avantajı da hafif olmaları ve bu nedenle temas sırasında yük transferini başlatmak için minimum mekanik kuvvet gerektirmeleridir. Bu avantajlar, nanofiber tabanlı TENG'lerin düşük frekanslı titreşimler veya küçük hareketler altında bile verimli çalışmasını sağlar.

Bu çalışma, nanofiber tabanlı TENG'lerin verimliliğini artırmak için pozitif dielektrik katmana karpit katkısının rolünü araştırmaktadır. Deneylerde kullanılan TENG'lerde pozitif ve negatif katman olarak sırasıyla, ağırlıkça farklı oranlarda karpit katkılı PVP ve katkısız PAN kullanılmıştır. Katkılı PVP'ler ve PAN elektrospin teknolojisi kullanılarak nanofiberlere dönüştürülmüştür. Üretilen nanofiberlerin SEM ve AFM analizleri yapılmıştır. Triboelektrik özellikleri analiz etmek için değişen karpit katkı oranlarına (%1, %2,5, %5, %7,5 ve %10) sahip PVP'den üretilen TENG'lerin elektriksel ölçümleri yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar göre ağırlıkça %2,5 karpit katkılı PVP nanofiberler kullanılarak üretilen TENG'ler en yüksek güç çıkışını vermektedir. TENG'lerin elektriksel güç çıkışı %2,5 karpit katkı oranına kadar artmakta ve sonrasında kademeli bir şekilde azalmaktadır. Bu çalışmada elde edilen bulgular, artan enerji talebine yönelik sürdürülebilir bir enerji üretim aracı olan TENG'lerin gelişimi için önemli çıkarımlara sahiptir.

Abstract:
Electronic devices are becoming increasingly common in modern fibere, and therefore the demand for energy and the search for new alternative energy sources are constantly increasing. Triboelectric Nanogenerators (TENG) are energy conversion technologies that convert mechanical movements into electrical energy with electrostatic principles and are promising for use in self-powered electronic devices in the near future. The amount of instantaneous power obtained from TENGs today is low and their energy efficiency needs to be increased for their widespread use in daily fibere. Nanofiber dielectrics are materials that provide more effective contact surfaces for triboelectric interactions. The increased effective surface area strengthens charge transfer, thereby improving electrical energy production. In addition, the triboelectric properties of TENGs can be significantly improved by doping certain materials. In nanofiber-based dielectric layers, it is possible to optimize triboelectric performance and achieve higher energy conversion efficiency by adjusting factors such as doping rates and material types. Another important advantage of nanofibers is that they are light and therefore require minimal mechanical force to initiate charge transfer during contact. These advantages enable nanofiber-based TENGs to operate efficiently even under low-frequency vibrations or small movements.

This study explores the role of carbide additive to the positive dielectric layer to improve the efficiency of nanofiber-based TENGs. Carbide doped PVP and undoped PAN were used as positive and negative layers, respectively, in different weight ratios in TENGs used in the experiments. Doped PVPs and PAN were converted into nanofibers using elektrospin technology. SEM and AFM analyzes of the produced nanofibers were performed. To analyze the triboelectric properties, electrical measurements of TENGs produced from PVP with varying carbide additive ratios (1%, 2.5%, 5%, 7.5% and 10%) were made. According to the results obtained, TENGs produced by using 2.5% carbide doped PVP nanofibers give the highest power output. The electrical power output of TENGs increases up to 2.5% carbide additives and then gradually decreases. The findings obtained in this study have important implications for the development of TENGs, which are a sustainable energy production tool for increasing energy demand.