L’effetto triboelettrico per sistemi di energy harvesting

L'effetto triboelettrico è definito come una piccola quantità di elettricità statica generata dal contatto e dal movimento di superfici, utilizzata per generare energia che viene raccolta e immagazzinata per alimentare sensori ed elettronica a bassissima potenza. In questi ultimi anni si sono sviluppati molti modelli e soluzioni circuitali per sfruttarlo alla massima efficienza.

Introduzione

L'energia è una delle risorse più importanti che detta la qualità della nostra vita. Negli ultimi due decenni, le vaste applicazioni e distribuzioni
di elettronica mobile hanno raggiunto ogni angolo della nostra vita. Come previsto da Cisco, entro il 2020 il mondo avrà trilioni di unità IoT distribuite sulla terra. La maggior parte delle soluzioni IoT necessita di batterie.  È quindi desiderabile integrare un sistema di energy harvesting insieme ad una batteria per formare un sistema autoalimentato. Questo è l'obiettivo per la nascita di nanogeneratori, un approccio rivoluzionario alla nanoenergia.

La raccolta di energia è all'ordine del giorno, molte soluzioni impiegano talvolta materiali tossici, mentre altre forme si prestano all'elettronica strutturale. La raccolta di energia multimodale flessibile e robusta è necessaria per l'elettronica indossabile e l'IoT. Le più recenti invenzioni nel campo della raccolta di energia impiegano materiali a basso costo non tossici e, a differenza della maggior parte delle alternative, possono potenzialmente generare una sufficiente potenza per alimentare sistemi micromeccanici. I dispositivi di energy harvesting nei sistemi Wearable sono molto attraenti e ricevono intensi sforzi di ricerca negli ultimi anni, con l'obiettivo di alimentare vari dispositivi elettronici per soddisfare i requisiti di tessuti intelligenti, rilevamento del movimento e monitoraggio della salute. Gli scienziati hanno già sviluppato diversi modi per raccogliere piccole quantità di energia dal movimento nel mondo che ci circonda. I generatori triboelettrici (TEG o TENG nanogeneratore triboelettrico), ad esempio, sfruttano l'effetto triboelettrico per generare piccole quantità di corrente elettrica. Il nanogeneratore triboelettrico ha tre modalità operative di base: vertical contact-separation, in-plane sliding e modalità single-electrode.

Caratteristiche fisiche

L'effetto triboelettrico è un'elettrificazione indotta da contatto in cui un materiale diventa elettricamente carico dopo essere stato a contatto per attrito con un altro materiale. L'effetto triboelettrico è una causa generale dell'elettrostatica di tutti i giorni, ed è probabilmente l'unico tra i pochi effetti noti
da migliaia di anni. Anche se questo è uno degli effetti più frequenti che ognuno di noi sperimenta ogni giorno, il meccanismo dietro la triboelettrificazione è ancora oggetto di studio. Quando due materiali diversi entrano in contatto, c'è un legame chimico di adesione che si forma tra alcune parti delle due superfici; le cariche si muovono da un materiale all'altro per equalizzare il loro potenziale elettrochimico. Le cariche trasferite possono essere elettroni o ioni / molecole. I materiali che di solito hanno un forte effetto triboelettrico sono probabilmente meno conduttivi. Alcuni dispositivi elettronici, in particolare il semiconduttore di ossido di metallo complementare (CMOS)  e transistor MOSFET, possono essere distrutti accidentalmente da scariche elettrostatiche ad alta tensione. Pertanto, l'effetto triboelettrico è per lo più preso come un effetto negativo nella nostra vita quotidiana/lavorativa. Quindi, anche se è noto da migliaia di anni, non ha trovato una forte applicazione se non, a partire dagli ultimi anni, per la raccolta di energia e la possibilità di alimentare dispositivi ultra-low power (figura 1). L'effetto triboelettrico avviene quindi per contatto ed è differente dall'altro effetto denominato piezoelettrico, dove la generazione di corrente avviene in seguito alla deformazione dei materiali coinvolti nella struttura.

Figura 1: l'effetto triboelettrico

La NASA in accordo alla "Triboelectrification Rule" avrà la possibilità di annullare un lancio, evitando che il veicolo passi attraverso alcuni tipi di nuvole.  Volare attraverso nuvole di alto livello può generare carica "P-static" (P per precipitazione), che può creare elettricità statica attorno al veicolo di lancio che interferirà con i segnali radio inviati da o verso il veicolo. Ciò potrebbe impedire [...]

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Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 16 marzo 2018

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