Яке майбутнє трибоелектричного збору енергії від потоку рідини для живлення датчиків нагрівача PTFE?

Додавання бездротового датчика температури до занурювального нагрівача PTFE теоретично звучить просто. На практиці прокладка проводів через корозійне технологічне середовище або заміна батарей у гарячих хімічних корпусах створює перешкоди для обслуговування, проблеми з надійністю та небезпеку забруднення. Але нова ідея дослідження пропонує принципово інший підхід: щоб поверхня PTFE сама створювала електроенергію для роботи датчика.

Може виникнути трибоелектрика, явище, при якому утворюється невеликий статичний електричний заряд, коли рідина протікає через PTFE. Цього заряду, хоч і невеликого, зрештою може вистачити для живлення гаджетів із над-малою потужністю. Такий сценарій може призвести до-саможивлення сенсорної платформи, де сама технологічна рідина є джерелом енергії для бездротового моніторингу.

Принцип роботи трибоелектричного датчика нагрівача PTFE, що збирає енергію, є одним із найцікавіших перетинів передового матеріалознавства, термічної обробки та промислового Інтернету речей.

Пояснення трибоелектричного ефекту
Трибоелектрика - це створення електричного заряду шляхом контакту та розділення різнорідних матеріалів.

Трибоелектричний ряд — це список матеріалів, упорядкованих за ймовірністю отримання або втрати електронів у цих взаємодіях. PTFE знаходиться в крайньому негативному кінці цього ряду і вважається однією з найбільш електронегативних речовин з відомих.

Коли молекули рідини течуть через поверхню PTFE, на межі розділу може статися розділення заряду. Залежно від хімічного складу рідини, умов потоку та концентрації іонів, електрони можуть накопичуватися переважно на PTFE, залишаючи протилежні заряди в рідині.

Цей постійний контакт призводить до крихітного, але постійного електричного потенціалу в умовах потоку.

У звичайних промислових системах такий статичний заряд часто є небажаним і може потребувати заземлення або розсіювання. Але в нових дослідженнях-збирання енергії заряд стає потенційним джерелом енергії.

Як працює трибоелектричний датчик нагрівача PTFE?
Розроблена система проста за ідеєю, але передова за технологією.

ПТФЕ занурювальний нагрівач складатиметься з:

Імплантований провідний електрод.

Схема збору енергії.

Малий конденсатор або суперконденсатор

Датчик наднизької потужності

Модуль бездротового зв'язку з низьким енергоспоживанням

Коли рідина протікає по поверхні PTFE, трибоелектричний заряд накопичується на вбудованому електроді. Зібраний заряд стабільно накопичується в невеликому накопичувачі енергії.

За певний час ви можете виробити достатньо енергії, щоб на короткий час:

Датчик температури

Монітор провідності

Датчик умов процесу

Бездротова або Bluetooth-передача з низьким споживанням енергії

Рідина, що тече, діє як кабель живлення датчика, усуваючи вимогу до типової зовнішньої електропроводки.

Трибоелектричні наногенератори та PTFE
Багато з цих ідей базуються на пристроях, які називаються трибоелектричними наногенераторами, або скорочено TENG.

TENG перетворює механічний рух або взаємодію з рідиною в корисну електричну енергію за допомогою трибоелектричного перенесення заряду та електростатичної індукції.

Сильна негативна трибоелектрична поведінка систем на основі PTFE- робить матеріал дуже придатним для таких цілей.

Трибоелектричний наногенератор може створювати дуже високі напруги за ідеальних умов, хоча доступний струм все ще досить скромний.

Типові вихідні характеристики:

НАПРУГА

Надзвичайно низький струм

Переривчасте виробництво електроенергії

Мікроватні рівні потужності

Цей робочий профіль погано підходить для звичайної електроніки, але все більше підходить для сучасних технологій сенсорів із над-низькою-потужністю.

Чому PTFE є особливо привабливим для збору енергії
PTFE важливий у хімічних системах опалення, оскільки:

Відмінна хімічна стійкість

• Електроізоляційні властивості

Термостабільність

Поведінка антипригарних поверхонь

Захоплююча багатофункціональна перспектива полягає в тому, що той самий матеріал може також генерувати корисний електричний заряд, коли рідина тече по ньому.

PTFE нагрівач можна використовувати для:

Нагрівальний прилад

Хімічно інертна технологічна підкладка

Електричний непровідник.

Конструкційний елемент

Джерело живлення для-датчика з автономним живленням

Це злиття можливостей добре узгоджується з більш широкими тенденціями в інтелектуальному виробництві, наголошуючи на вбудованому інтелекті та розподіленому зондуванні.

Можливе промислове застосування
Після досягнення достатньої зрілості технологія трибоелектричного датчика нагрівача PTFE може стати перспективним кандидатом для підтримки багатьох промислових застосувань.

Посудини для хімічної обробки
Це може спростити бездротовий моніторинг температури в агресивних кислотах або розчинниках без уразливих проникнень проводів.

Wet Bench Semiconductor
Ультрачисті-вузли датчиків без батареї можуть допомогти вирішити проблеми забруднення в суворо регульованих промислових середовищах.

Дистанційне технологічне обладнання
"Датчики- з автономним живленням можуть бути корисними для установок, де традиційна проводка є дорогою та важкою в обслуговуванні.

Системи прогнозованого технічного обслуговування
Автономні мережі зондування можуть постійно контролювати:

Температура нагрівача

Умови течії

Вібрації

Надійність процесу

контакт з хімічними речовинами

Сенсорний вузол збирає енергію безпосередньо від руху рідини, тому потреба в обслуговуванні може бути значно зменшена.

Поточні обмеження технології
Технологія є концептуально привабливою, але все ще перебуває на стадії дослідницької та експериментальної розробки.

Багато основних технологічних проблем залишаються невирішеними.

Дуже низьке енергоспоживання
Існуючі трибоелектричні комбайни зазвичай працюють на рівні мікроват.

Це обмеження значною мірою обмежує:

Складність датчиків

Частота передачі даних

Сфера спілкування

Можливість моніторингу в реальному-часі

У багатьох експериментальних системах для накопичення енергії потрібні хвилини, перш ніж може відбутися одна коротка бездротова передача.

Залежність від характеристик рідини
Генерація заряду в основному залежить від:

Хімія рідин

Провідність (

Іонна концентрація

Швидкість потоку

Стан поверхні

Деякі рідини набагато більш трибоелектрично активні, ніж інші.

Його здатність відокремлювати заряд у не-полярних розчинниках і деяких іонних розчинах може бути більш корисною, ніж у високопровідних рідинах.

Екологічна стабільність
Ускладнення в промислових умовах включають:

Обростання

Забруднення на поверхнях

Мінливість вологи

Хімічний розпад

Електричний шум

Однак підтримка стабільної довгострокової-ефективності збору енергії в реальних промислових ситуаціях все ще є дослідницькою проблемою.

Ефективність зберігання енергії.
Оскільки трибоелектричні системи створюють дуже малі струми, дуже необхідно мати хорошу електроніку накопичення енергії.

Якщо електроніка не розроблена належним чином для роботи з над-низькою-потужністю, втрати в ланцюзі заряджання можуть швидко перевищити отриману енергію.

Промислове підключення до Інтернету речей
Трибоелектричне збирання має довгострокові наслідки, окрім нагрівачів.

Промислові підприємства все більше покладаються на розподілені мережі зондування, щоб:

Прогнозне обслуговування

Оптимізація процесу

Спостереження за активами

Енергоменеджмент

Запобіжні пристрої

Традиційне розгортання датчиків зазвичай страждає від:

Вартість проводки

Замініть акумулятор

Екстремальні середовища

Доступ для обслуговування

Архітектура сенсора з автономним-живленням може значно полегшити широкомасштабне-розгортання бездротових промислових сенсорних систем.

Ідея отримання енергії безпосередньо з потоку процесу дуже приваблива, оскільки процес, що контролюється, одночасно постачає робочу потужність.

Чому бачення все ще привабливе
На даний момент рівні потужності невеликі, але основна ідея все ще досить красива.

Середовище процесу вже має хімічно інертну поверхню з PTFE. Ця поверхня вже вкрита текучою рідиною. Якщо ми зможемо постійно збирати навіть невелику кількість електричної енергії від цієї взаємодії, це робить можливими абсолютно нові класи автономних промислових пристроїв.

Переваги: ​​не потрібні батареї.

Відсутність пошкодження батареї

Періоди заміни відсутні

Менший доступ до технічного обслуговування.

Менший шанс зараження

Полегшені вимоги до ущільнення

Крім того, відсутність зовнішньої проводки зменшує можливі шляхи корозії та ускладнює монтаж.

Ці переваги особливо бажані в суворих хімічних умовах.

Висновок:
Концепція трибоелектричного датчика PTFE для збирання енергії є дуже багатообіцяючою технологією майбутнього, яка поєднує складне матеріалознавство, електроніку з ультра--потужністю та інжиніринг промислових процесів. Крихітні кількості електричного заряду, створюваного рідиною, що тече, одного дня могли б живити автономні бездротові сенсорні вузли без батарей або зовнішніх кабелів, використовуючи притаманні трибоелектричні характеристики PTFE.

Сучасні трибоелектричні наногенераторні системи все ще обмежуються рівнями потужності мікроват і дослідницькими -етапними впровадженнями, але довгострокове-бачення інтригує. Новим підходом до промислового моніторингу є PTFE-нагрівач із-системою саморозпізнавання, що приводиться в дію рідиною, що нагрівається.

Але сьогодні вилучення трибоелектрики з робочої рідини PTFE-нагрівача все ще є концепцією блакитного-неба, яка зрештою може сприяти створенню широкомасштабних-мереж датчиків, які не потребують обслуговування, на всій підключеній фабриці. Статична електрика колись може підживити майбутнє промислових датчиків.