بخشی از مقاله
چکیده
در سالیان اخیر، موضوعات مربوط به برداشت انرژی از محیطزیست، چه از نظر صنایع و چه از دیدگاه تحقیقاتی، بسیار موردتوجه قرارگرفته است. مشکل باتریها از قبیل محدودیت عمر، مشکلات تعویض و محدودیت حجم برای سیستم هایی در ابعاد نانو و میکرو در کنار مشکلات محیط زیستی دفع باتریها، پژوهشگران را به ارائه راهکاری برای جایگزینی باتری ها، باهدف دستیابی به منابع پایدار انرژی و بدون نیاز به تعمیر و نگهداری در این سیستمها واداشته است.
نانوژنراتورها تجهیزاتی هستند که برای پاسخ به این نیاز، اختراع شدهاند. این تجهیزات، با استفاده از 3 خاصیت فیزیکی برخی مواد خاص یعنی پیزوالکتریسیته، تریبوالکتریسیته و پایروالکتریسیته، انرژی مکانیکی و حرارتی موجود در محیط را جذب و به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند. در این مقاله، ما ضمن بررسی اصول کارکرد نانوژنراتورها بر اساس هریک از این 3 خاصیت ذکرشده، به پیشرفت های انجامشده در این حوزه نیز خواهیم پرداخت.
مقدمه
بحرانهای انرژی و زیستمحیطی در سالیان اخیر، حرکت به سمت انرژیهای پاک، تجدید پذیر در مقیاس و ابعاد گوناگون را به امری اجتنابناپذیر بدل کرده است
نقش فناوری های نوین درحرکت بهسوی چنین اقداماتی حیاتی است. آژانس بینالمللی انرژی در گزارش اخیر خود، استفاده ازفنّاوری های نوین و با بازده بالاتر را، راهکاری مؤثر در جهت یافتن مسیری پایدار برای موضوع انرژی جهان دانسته است
در مقیاس بزرگ، انرژیهای خورشیدی، بادی، زمینگرمایی، پتانسیل آبی، بایومس و ...، ازجمله انرژیهایی هستند که حرکت به سمت بهرهبرداری و استفاده از آنها در بسیاری از کشورهای جهان، آغاز شده است. در مقیاس کوچک، به دنبال منابع انرژی پایدار، پاک و بدون نیاز به تعمیر و نگهداری هستیم تا بتوانیم توان موردنیاز سیستمهایی در ابعاد کوچکتر مانند سیستم های میکرو الکترومکانیکی، نانو الکترومکانیکی، تجهیزات پزشکی قابل کاشت در بدن انسان، تجهیزات الکترونیکی همراه، نانو ربات ها و ... را تأمین نماییم
شکل - 1 سیستم های با مصرف انرژی در مقیاس کوچک - کاربردهای احتمالی نانوژنراتورها
در حال حاضر، باتری ها متداول ترین تجهیز برای تأمین انرژی موردنیاز این نوع سیستم ها هستند. اما تجهیز پزشکی را در نظر بگیرید که در بدن انسان کاشته شده و با باتری کار کند. ما با مشکلات جدی برای تعویض باتری این سیستم در فواصل زمانی مختلف، روبهرو هستیم. مشکل حجم، عمر محدود و اثرات زیستمحیطی ناشی از دفع باتری ها هم در کنار دسترسیپذیری و تعمیر و نگهداری، از دیگر مشکلات ناشی از استفاده از باتریها هستند
استفاده از فناوری های نوین برداشت انرژی از محیط را می توان پاسخی برای این مشکلات در نظر گرفت. ازجمله مهم ترین این فناوری ها، نانوژنراتورها1 هستند که از سوی ارگانها و ژورنالهای متعدد و معتبر بینالمللی، در زمره برترین اختراعات بشر در سالیان اخیر معرفی شده است
شکل 2 شماتیکی از فرآیند صورت گرفته در یک نانوژنراتور را نشان میدهد. انرژی های موجود در محیط زیست به دلیل مصرف پایین انرژی نانو و میکرو سیستم ها، برای تأمین انرژی مورد نیازشان، کافی هستند. ازجمله این انرژیهای رایگان و در دسترس در محیط، می توان به انواع ارتعاشات مکانیکی، امواج صوتی، حرکات عضلات بدن، جریان خون، انرژی باد، اختلاف دمای محیط و ... اشاره کرد.
شکل -2 نانوژنراتور؛ تجهیزی برای برداشت انرژی مکانیکی و حرارتی از محیط و تولید الکتریسیته
بهطورکلی نانوژنراتورها به سه دسته تقسیم میشوند: نانوژنراتور پیزوالکتریک2 با قابلیت تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی، نانوژنراتور تریبوالکتریک3 برای تبدیل انرژی مالشی بین دو سطح به الکتریسیته و نانوژنراتور پایروالکتریک4 با قابلیت تبدیل نوسانات دمایی به انرژی الکتریکی
در این مقاله، ما به بررسی اصول کارکرد هریک از انواع نانوژنراتورها و روند پیشرفت هریک خواهیم پرداخت.
نانوژنراتور پیزوالکتریک
خاصیت پیزوالکتریسیته در برخی جامدات کریستالی فاقد تقارن مرکزی، شکل میگیرد. این ویژگی باعث می شود در هنگام اعمال یک تنش مکانیکی و به وجود آمدن کرنش در این مواد، ساختار اتمی آنها دچار تغییر شکل شده و مراکز شارژ کاتیونها و آنیونها از هم جدا میگردد و در نتیجه دوقطبی الکتریکی تشکیل میگیرد. این دوقطبی های الکتریکی باعث ایجاد ولتاژ و درنتیجه جریان الکتریسیته می شود - . - Bowen et al., 2014 این مسئله در شکل 3 به نمایش درآمده است.
