బబ్లర్: రివర్స్ ఎలెక్ట్రోవెట్టింగ్ ఆధారంగా ఒక నవల అల్ట్రా-హై పవర్ డెన్సిటీ ఎనర్జీ హార్వెస్టింగ్ పద్ధతి | శాస్త్రీయ నివేదికలు

బబ్లర్: రివర్స్ ఎలెక్ట్రోవెట్టింగ్ ఆధారంగా ఒక నవల అల్ట్రా-హై పవర్ డెన్సిటీ ఎనర్జీ హార్వెస్టింగ్ పద్ధతి | శాస్త్రీయ నివేదికలు

Anonim

విషయము

  • బయోమెడికల్ ఇంజనీరింగ్
  • మెకానికల్ ఇంజనీరింగ్

నైరూప్య

మైక్రోఫ్లూయిడిక్స్ ఉపయోగించి యాంత్రిక శక్తిని విద్యుత్ శక్తిగా మార్చడానికి ఒక నవల విధానాన్ని మేము ప్రతిపాదించాము మరియు విజయవంతంగా ప్రదర్శించాము. ఈ పద్ధతి గతంలో ప్రదర్శించిన రివర్స్ ఎలెక్ట్రోవేటింగ్‌ను డైఎలెక్ట్రిక్ (REWOD) దృగ్విషయంతో బబుల్ పెరుగుదల మరియు పతనం యొక్క వేగవంతమైన స్వీయ-డోలనం ప్రక్రియతో మిళితం చేస్తుంది. REWOD తో కలిపి ఉపయోగించబడే ఫాస్ట్ బబుల్ డైనమిక్స్, REWOD తో పోల్చితే, ఉత్పత్తి చేయబడిన శక్తి సాంద్రతను మాగ్నిట్యూడ్ క్రమం ద్వారా పెంచే అవకాశాన్ని అందిస్తుంది. ఈ శక్తి మార్పిడి విధానం ముఖ్యంగా శక్తి పెంపకం అనువర్తనాలకు బాగా సరిపోతుంది మరియు విస్తృతమైన యాంత్రిక వ్యవస్థలకు సమర్థవంతమైన కలయికను ప్రారంభించగలదు, వీటిలో సర్వత్రా, తక్కువ-పౌన frequency పున్య శక్తి వనరులను మానవ మరియు యంత్ర కదలికగా ఉపయోగించడం కష్టం. ఈ పద్ధతి 10 W6 W అవుట్‌పుట్‌తో ఒకే మైక్రో సెల్ నుండి 10 W కంటే ఎక్కువ మొత్తం విద్యుత్ ఉత్పత్తితో పవర్ సెల్ శ్రేణుల వరకు స్కేల్ చేయవచ్చు. ఇది చిన్న తేలికపాటి శక్తి పెంపకం పరికరాల కల్పనను విస్తృత శ్రేణిని ఉత్పత్తి చేయగలదు శక్తి ఉత్పాదనలు సాధ్యమే.

పరిచయం

1990 ల చివరి నుండి మొబైల్ ఫోన్లు, టాబ్లెట్‌లు మరియు ల్యాప్‌టాప్‌లు వంటి పోర్టబుల్ ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలు మన దైనందిన జీవితంలో ఒక అనివార్యమైన భాగంగా మారాయి. అయినప్పటికీ, మొబైల్ ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలకు శక్తినివ్వడం ఒక సవాలు - ఎలక్ట్రికల్ బ్యాటరీలు తరచుగా పోర్టబుల్ ఎలక్ట్రానిక్స్ వాడకం మరియు అభివృద్ధికి ఆటంకం కలిగించే క్లిష్టమైన సమస్యగా బయటపడతాయి. అధిక-శక్తి యాంత్రిక శక్తి పెంపకం బ్యాటరీల వాడకానికి విలువైన ప్రత్యామ్నాయాన్ని అందిస్తుంది, కానీ ఇప్పటి వరకు, తగిన యాంత్రిక-నుండి-విద్యుత్ శక్తి మార్పిడి సాంకేతిక పరిజ్ఞానం లేకపోవడం వల్ల దాని విస్తృత-వ్యాప్తికి ఆటంకం ఏర్పడింది.

ఇటీవల, రచయితలు విద్యుద్వాహక (REWOD) దృగ్విషయం 2 పై రివర్స్ ఎలక్ట్రోవెట్టింగ్ ఆధారంగా మెకానికల్-టు-ఎలక్ట్రికల్ ఎనర్జీ మార్పిడి యొక్క కొత్త పద్ధతిని ప్రతిపాదించారు. ఈ పద్ధతి విద్యుదయస్కాంత, పైజోఎలెక్ట్రిక్ లేదా ఎలెక్ట్రోస్టాటిక్ వంటి సాంప్రదాయ మార్పిడి పద్ధతులపై అనేక ప్రయోజనాలను కలిగి ఉంది. మరీ ముఖ్యంగా, ఇది చాలా అధిక శక్తి సాంద్రతలను ఉత్పత్తి చేయగల సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉంది, విస్తృత శ్రేణి శక్తులు మరియు స్థానభ్రంశాలను ఉపయోగించుకునే సామర్ధ్యం మరియు విస్తృత శ్రేణి ప్రవాహాలు మరియు వోల్టేజీలలో (అనేక వోల్ట్ల నుండి పదుల వోల్ట్ల వరకు) శక్తిని ఉత్పత్తి చేసే సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉంటుంది. పైకి లేదా క్రిందికి మార్పిడి అవసరం.

అంజీర్ 1 (ఎ) లో చూపినట్లుగా, విద్యుద్వాహక శక్తిని యాంత్రిక శక్తిగా మార్చే ప్రక్రియగా విద్యుద్వాహక (EWOD) దృగ్విషయంపై సంప్రదాయ ఎలక్ట్రోవెట్టింగ్ చూడవచ్చు. వాహక ద్రవ బిందు మరియు విద్యుద్వాహక-పూతతో కూడిన ఎలక్ట్రోడ్ మధ్య విద్యుత్ వోల్టేజ్ వర్తించినప్పుడు, ద్రవ మరియు ఎలక్ట్రోడ్ మధ్య ఇంటర్ఫేస్ వద్ద ఒక ఎలెక్ట్రోస్టాటిక్ ఫీల్డ్ ఏర్పడుతుంది. ప్రతిస్పందనగా బిందువు వ్యవస్థ 3 యొక్క ఉచిత శక్తిని తగ్గించడానికి బిందు మరియు ఎలక్ట్రోడ్ మధ్య సంబంధ ప్రాంతాన్ని పెంచడానికి కదులుతుంది. ఈ విధంగా, EWOD ప్రక్రియలో విద్యుత్ శక్తి పాక్షికంగా ఒక బిందువు యొక్క కదలికతో సంబంధం ఉన్న యాంత్రిక శక్తిగా మార్చబడుతుంది. REWOD సారాంశంలో EOWD కు రివర్స్ ప్రాసెస్, ఎందుకంటే ఇది యాంత్రిక శక్తిని విద్యుత్ శక్తిగా మారుస్తుంది. బిందువును క్రమానుగతంగా వైకల్యం చేయడానికి బాహ్య యాంత్రిక శక్తి ఉపయోగించబడుతుంది మరియు తద్వారా బిందువు మరియు విద్యుద్వాహక-పూతతో కూడిన ఎలక్ట్రోడ్ మధ్య సంబంధాల ప్రాంతంలో మార్పును ప్రేరేపిస్తుంది, ఇది బయాస్ వోల్టేజ్ మూలానికి అనుసంధానించబడి ఉంటుంది, ఇది అంజీర్ 1 (ఎ) లో చూపిన విధంగా. సంపర్క ప్రాంతం యొక్క ఈ ఆవర్తన మార్పు ఇంటర్ఫేస్ యొక్క విద్యుత్ కెపాసిటెన్స్లో మార్పును ప్రేరేపిస్తుంది మరియు విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని లోడ్ రెసిస్టర్ అంతటా ముందుకు వెనుకకు ప్రవహించేలా చేస్తుంది, శక్తిని ఉత్పత్తి చేస్తుంది.

Image

( ) EWOD మరియు REWOD ప్రక్రియ యొక్క స్కీమాటిక్స్. కాంటాక్ట్ ఏరియా మార్పు సమయంలో శక్తి ఉత్పత్తి అవుతుంది. ( బి ) డోలనం పౌన .పున్యం యొక్క విధిగా ఒక డోలనం చక్రానికి యూనిట్ ప్రాంతానికి ఉత్పత్తి అయ్యే శక్తికి సాధారణ ఫలితాలు. చుక్కలు వాస్తవ ప్రయోగాత్మక డేటాను సూచిస్తాయి; దృ lines మైన పంక్తులు ఉత్తమ సరిపోయే 2 ను సూచిస్తాయి .

పూర్తి పరిమాణ చిత్రం

గరిష్టంగా సాధించగల శక్తి సాంద్రత అనేక అనువర్తనాలలో శక్తి మార్పిడి పద్ధతి యొక్క ముఖ్యమైన లక్షణాలలో ఒకటి. శక్తి పెంపకంలో అధిక శక్తి సాంద్రత (వాల్యూమ్ ద్వారా లేదా ప్రాంతం ద్వారా) చాలా అవసరం, ఎందుకంటే ఇది చిన్న మరియు తేలికైన పరికరాల కల్పనను విస్తృత శ్రేణి శక్తి వనరులతో కలుపుతుంది. REWOD ఉపయోగించి ఉత్పత్తి చేయబడిన శక్తిని రెండు ప్రధాన పద్ధతుల ద్వారా పెంచవచ్చు. ప్రతి బిందు డోలనం సమయంలో ఉత్పత్తి అయ్యే శక్తిని పెంచడం ఒకటి, ముఖ్యంగా అనువర్తిత బయాస్ వోల్టేజ్ పెంచడం ద్వారా లేదా ద్రవ-ఘన ఇంటర్ఫేస్ యొక్క కెపాసిటెన్స్ పెంచడం ద్వారా. ఏది ఏమయినప్పటికీ, అధిక కెపాసిటెన్స్‌కు సన్నని విద్యుద్వాహక చిత్రం అవసరం కాబట్టి ఈ విధానం స్పష్టమైన పరిమితిని కలిగి ఉంది, ఇది విద్యుత్ విచ్ఛిన్నం ప్రమాదం లేకుండా ఇంటర్ఫేస్ అంతటా వర్తించే గరిష్ట బయాస్ వోల్టేజ్‌ను పరిమితం చేస్తుంది.

రెండవ విధానం బిందు యొక్క డోలనం ఫ్రీక్వెన్సీని పెంచడం. ఇది యూనిట్ సమయానికి ఎక్కువ శక్తిని ఉత్పత్తి చేసే సంఘటనలను ఉత్పత్తి చేయడం ద్వారా మొత్తం శక్తిని పెంచడమే కాక, REWOD ప్రాసెస్ 2 సమయంలో ఎలక్ట్రికల్ ఛార్జ్ బదిలీ యొక్క డైనమిక్స్ కారణంగా ప్రతి డోలనం కోసం ఉత్పత్తి చేయబడిన శక్తిని పెంచుతుంది. ఒక నిర్దిష్ట బయాస్ వోల్టేజ్ కోసం ఫ్రీక్వెన్సీ యొక్క విధిగా ప్రతి చక్రానికి శక్తిలో ఈ మార్పు అంజీర్ 1 (బి) లో వివరించబడింది. అందువల్ల బిందు డోలనం పౌన frequency పున్యాన్ని పెంచడం REWOD ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన శక్తి సాంద్రతను పెంచడానికి ముఖ్యంగా ప్రభావవంతమైన మార్గాన్ని సూచిస్తుంది. ఏదేమైనా, సాధారణ పరిస్థితులలో, అధిక బిందు డోలనం పౌన frequency పున్యాన్ని సాధించడానికి అధిక శక్తి పౌన .పున్యంతో యాంత్రిక ఉత్తేజాలను అందించగల శక్తి వనరు అవసరం. యాంత్రిక శక్తి యొక్క ఇటువంటి వనరులు అసాధారణం కాదు, సాధారణంగా వాహనాలు లేదా ఆపరేటింగ్ మెషినరీల ద్వారా ఉత్పన్నమయ్యే కంపనాలు ప్రధాన ఉదాహరణ. దురదృష్టవశాత్తు, మన వాతావరణంలో సర్వవ్యాప్త సంభావ్య యాంత్రిక శక్తి వనరుల యొక్క విస్తృత శ్రేణి తక్కువ నుండి మధ్యస్థ పౌన encies పున్యాల ద్వారా వర్గీకరించబడుతుంది, Hz యొక్క భిన్నం నుండి అనేక Hz వరకు. ఈ మూలాల యొక్క విలక్షణ ఉదాహరణలు మానవ మరియు యంత్ర కదలికలు, తరంగాలు మరియు ఆటుపోట్లు, గాలి మరియు ఉష్ణోగ్రత ప్రేరేపిత భవనం లేదా ఇతర పెద్ద నిర్మాణాలు మొదలైనవి. ఆ మూలాలన్నీ అధిక స్థాయి శక్తులను ఉత్పత్తి చేయగలవు, తద్వారా గణనీయమైన యాంత్రిక శక్తిని అందిస్తాయి, కానీ వాటి లక్షణం REWOD ప్రక్రియ సాధించగల అధిక శక్తి పెంపకం శక్తి సాంద్రతలను ప్రారంభించడానికి ఫ్రీక్వెన్సీ చాలా తక్కువ. ఈ సమస్యను అధిగమించడానికి ఒక మార్గం, అవసరమైన అధిక పౌన frequency పున్య ఉత్తేజితాలను ఉత్పత్తి చేయడానికి యాంత్రిక శక్తి వనరుపై ఆధారపడని శక్తి పెంపకం విధానాన్ని ఉపయోగించడం, బదులుగా, అంతర్గత వేగవంతమైన డోలనం ప్రక్రియను ఉపయోగించుకుంటుంది, ఇది యాంత్రిక శక్తి వనరు ప్రవర్తన నుండి స్వతంత్రంగా ఉంటుంది . సంక్లిష్ట యాంత్రిక లేదా హైడ్రాలిక్ వ్యవస్థలను ఆశ్రయించకుండా ఇటువంటి వేగవంతమైన అంతర్గత డోలనం డైనమిక్స్ సాధించడానికి ఒక ఆచరణాత్మక పద్ధతిని కనుగొనడం ఈ విధానంతో ఉన్న సవాలు.

REWOD దృగ్విషయాన్ని అధిక పౌన frequency పున్య డోలనం ప్రక్రియతో కలపడం ద్వారా “బబ్లర్” పద్ధతి ఈ సమస్యకు ఒక సొగసైన పరిష్కారాన్ని అందిస్తుంది, ఇది సహజంగా బబుల్ పెరుగుదల మరియు పతనం సమయంలో సంభవిస్తుంది. ఇది విస్తృత శ్రేణి పౌన encies పున్యాల ద్వారా వర్గీకరించబడిన వివిధ రకాల యాంత్రిక శక్తి వనరుల నుండి శక్తిని వెలికితీసేందుకు బాగా సరిపోతుంది మరియు ఉత్పత్తి చేయబడిన శక్తిని నాటకీయంగా పెంచడానికి అనుమతిస్తుంది, ఇది డోలనం పౌన frequency పున్యం యొక్క ఉత్పత్తికి మరియు ప్రతి డోలనం సమయంలో ఉత్పత్తి అయ్యే శక్తికి అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది.

ఫలితాలు

బబ్లర్ కాన్సెప్ట్

బబ్లర్ సంభావిత రూపకల్పన చాలా సులభం మరియు అంజీర్ 2 లో చూపబడింది. బబ్లర్ యొక్క ప్రధాన భాగంలో కదిలే యాంత్రిక భాగాలు లేవు మరియు మూడు ప్రధాన అంశాలను మాత్రమే కలిగి ఉంటాయి: (i) విద్యుద్వాహక-పూతతో వృత్తాకార ఎలక్ట్రోడ్ల శ్రేణితో ఒక REWOD చిప్, ప్రతి మధ్యలో రంధ్రం ఉన్న ఎలక్ట్రోడ్, (ii) REWOD చిప్ నుండి చిన్న గ్యాప్ ద్వారా వేరు చేయబడిన సన్నని పొర, మరియు (iii) ఒక టాప్ ప్లేట్, ఇది పొరకు మద్దతు ఇవ్వడానికి ఉపయోగపడుతుంది మరియు విద్యుద్వాహక ద్రవం తప్పించుకోవడానికి అనుమతిస్తుంది. REWOD చిప్ మరియు పొర మధ్య అంతరం వాహక ద్రవంతో నిండి ఉంటుంది, ఇది పొరను తడి చేయదు మరియు అందువల్ల అది చొచ్చుకుపోదు, అంజీర్ 2 (బి) లో చూపిన విధంగా. ఒత్తిడితో కూడిన విద్యుద్వాహక ద్రవం (ఉదా. గాలి, జడ వాయువు లేదా విద్యుద్వాహక ద్రవం) చిప్‌లోని రంధ్రాల ద్వారా సరఫరా చేయబడుతుంది, దీనివల్ల ప్రతి వృత్తాకార ఎలక్ట్రోడ్ పైన విద్యుద్వాహక బుడగలు పెరుగుతాయి. పెరుగుతున్న బుడగలు వాహక ద్రవాన్ని స్థానభ్రంశం చేస్తాయి మరియు తద్వారా వాహక ద్రవ మరియు ఎలక్ట్రోడ్ల మధ్య అతివ్యాప్తి యొక్క ప్రాంతాన్ని తగ్గిస్తుంది, సర్క్యూట్లో విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని ప్రేరేపిస్తుంది. ప్రతి బుడగ పొరను తాకేంత పెద్దదిగా అయ్యే వరకు పెరుగుతూనే ఉంటుంది. ఈ సమయంలో విద్యుద్వాహక ద్రవం పొర ద్వారా తప్పించుకోవడం మొదలవుతుంది, దీనివల్ల వేగంగా బబుల్ కూలిపోతుంది. బబుల్ పెరుగుదల మరియు పతనం ప్రక్రియ పునరావృతమయ్యే పౌన frequency పున్యం, పొర మరియు ఎలక్ట్రోడ్ మధ్య అంతరం యొక్క పరిమాణం, ద్రవాల స్నిగ్ధత ద్వారా మరియు విద్యుద్వాహక ద్రవం మరియు వాహక ద్రవానికి వర్తించే ఒత్తిళ్ల ద్వారా నియంత్రించబడుతుంది. బబ్లర్ ఆపరేషన్ యొక్క యానిమేషన్ ఉన్న వీడియో సప్లిమెంటరీ మెటీరియల్స్ లో అందించబడింది (అనుబంధ వీడియో 1 చూడండి). బబ్లర్ పరికర కల్పన యొక్క వివరణాత్మక వివరణ మెథడ్స్ విభాగంలో ఇవ్వబడింది.

Image

( ) బబ్లర్ సంభావిత రూపకల్పన: (1) REWOD చిప్, (2) పొర, (3) టాప్ ప్లేట్, (4) బుడగలు, మరియు (5) ఎలక్ట్రోడ్ల శ్రేణిని సూచిస్తుంది. ( బి ) ప్రయోగంలో ఉపయోగించిన సరళీకృత సింగిల్-ఎలక్ట్రోడ్ పరికరం యొక్క స్కీమాటిక్స్: (1) REWOD చిప్, (2) పొర, (3) టాప్ ప్లేట్, (4) బబుల్, (5) మెటల్ ఎలక్ట్రోడ్, (6) విద్యుద్వాహక పూత, మరియు (7) వాహక ద్రవ. ( సి ) ఒకే-ఎలక్ట్రోడ్ పరికరానికి సమానమైన ఎలక్ట్రికల్ సర్క్యూట్.

పూర్తి పరిమాణ చిత్రం

బబ్లర్ సింపుల్ డిజైన్ దీనిని అనేక రకాల ఆకారాలు మరియు పరిమాణాలలో అమలు చేయడానికి అనుమతిస్తుంది, మరియు బబుల్ శ్రేణి యొక్క పరిమాణాన్ని తగిన విధంగా సర్దుబాటు చేయడం ద్వారా బబ్లర్ అవుట్పుట్ శక్తిని సులభంగా కొలవవచ్చు. శక్తి పెంపకం పరికరానికి బాహ్య పీడనం ఉన్నంతవరకు బబుల్ స్వీయ-డోలనం సహజంగా సంభవిస్తుంది, తద్వారా చాలా విస్తృతమైన శక్తులు, స్థానభ్రంశాలు మరియు పౌన .పున్యాలు కలిగి ఉన్న యాంత్రిక శక్తి వనరులకు పరికరాన్ని సమర్థవంతంగా కలపడానికి అనుమతిస్తుంది.

మానవ, యంత్రం లేదా భవనాల కదలిక వంటి తక్కువ-పౌన frequency పున్య శక్తి వనరులకు ఇది ప్రత్యేకంగా వర్తిస్తుంది. అటువంటి కదలికకు విలక్షణమైన చాలా తక్కువ పౌన encies పున్యాలు (అనేక Hz నుండి 1 Hz కన్నా తక్కువ) యూనిట్ సమయానికి శక్తిని ఉత్పత్తి చేసే సంఘటనల సంఖ్యను నాటకీయంగా తగ్గించడం ద్వారా శక్తి పెంపకాన్ని తీవ్రంగా దెబ్బతీస్తాయి. అయినప్పటికీ, బబ్లర్ శక్తిని ఉత్పత్తి చేసే సంఘటనల పౌన frequency పున్యం బబుల్ స్వీయ-డోలనం యొక్క పౌన frequency పున్యం ద్వారా నిర్ణయించబడుతుంది, ఇది శక్తి వనరుతో సంబంధం ఉన్న పౌన frequency పున్యం నుండి స్వతంత్రంగా ఉంటుంది, బబ్లర్ పద్ధతి యొక్క శక్తి సాంద్రత ఎక్కువగా ఉంటుంది.

ఉదాహరణకు, మానవ లోకోమోషన్ (సుమారు 1 హెర్ట్జ్ ఫ్రీక్వెన్సీ) నుండి శక్తి పెంపకాన్ని ప్రారంభించడానికి పాదరక్షల్లోకి విలీనం చేయగల ఒక సాధారణ బబ్లర్ పరికరం అంజీర్‌లో చూపబడింది. 3. ఈ సందర్భంలో బబ్లర్ చిప్ ఒత్తిడితో కూడిన వాయువుతో నిండిన రెండు గదుల మధ్య ఉంది . మడమ సమ్మె సమయంలో టాప్ సాగే గది కుదించబడుతుంది మరియు అనేక వేల బబుల్ డోలనాలను ప్రేరేపించే REWOD చిప్ ద్వారా వాయువు స్థానభ్రంశం చెందుతుంది, వీటిలో ప్రతి ఒక్కటి మడమ సమ్మె యొక్క యాంత్రిక శక్తి యొక్క కొంత భాగాన్ని విద్యుత్ శక్తిగా మారుస్తుంది. కాలి-ఆఫ్ ప్రక్రియలో, సంపీడన వాయువు చక్రం పూర్తిచేసే సహాయక బైపాస్ చెక్ వాల్వ్ ద్వారా దిగువ గది నుండి తిరిగి పై గదికి ప్రవహిస్తుంది. అంచనాలు, క్రింద చర్చించినట్లుగా, అటువంటి పరికరం 1 W వాడుకోగలిగే విద్యుత్ శక్తిని ఉత్పత్తి చేయగలదని చూపిస్తుంది. ఇదే విధమైన పరికరం, ఇది యంత్ర కదలిక నుండి శక్తిని సేకరిస్తుంది మరియు 5 W కంటే ఎక్కువ శక్తిని ఉత్పత్తి చేయగల సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉంటుంది.

Image

( ) మానవ లోకోమోషన్ యొక్క స్కీమాటిక్: ఎరుపు వృత్తాలు మడమ-సమ్మె మరియు బొటనవేలును సూచిస్తాయి. ( బి ) బబ్లర్ విధానం ఆధారంగా పాదరక్షల-ఇంటిగ్రేటెడ్ ఎనర్జీ హార్వెస్టర్ యొక్క క్రాస్ సెక్షన్. బైపాస్ చెక్ వాల్వ్ చూపబడలేదు. (1) సంపీడన జడ వాయువుతో నిండిన టాప్ ఫ్లెక్సిబుల్ చాంబర్‌ను సూచిస్తుంది, (2) REWOD చిప్ మరియు (3) దిగువ గ్యాస్ చాంబర్. ( సి ) పాదరక్షల ఏకైక భాగంలో పొందుపరిచిన హార్వెస్టర్ పరికరం యొక్క స్కీమాటిక్ ప్రాతినిధ్యం.

పూర్తి పరిమాణ చిత్రం

బబుల్ పెరుగుదల మరియు పతనం ప్రక్రియ ద్వారా ప్రేరేపించబడిన ఓసిలేటరీ ప్రవాహం అనివార్యంగా జిగట శక్తుల కారణంగా యాంత్రిక శక్తి వెదజల్లడానికి కారణమవుతుంది. ఇది బబ్లర్ శక్తి మార్పిడి సామర్థ్యాన్ని ప్రభావితం చేస్తుంది. శక్తి వెదజల్లే రేటు బబ్లర్ జ్యామితి వివరాలపై బలంగా ఆధారపడి ఉంటుంది. గ్యాప్ మందం, బబుల్ పరిమాణం మరియు ఇన్లెట్-హోల్ వ్యాసం, అలాగే ద్రవ స్నిగ్ధత మరియు బబుల్ డోలనం పౌన .పున్యం ప్రధాన కారణాలు. ఫలితాల విభాగంలో చర్చించినట్లు అంచనాలు, ప్రస్తుత ప్రయోగంలో ఉపయోగించిన బబ్లర్ సెటప్ యొక్క శక్తి మార్పిడి సామర్థ్యం అనేక శాతం క్రమం మీద ఉందని చూపిస్తుంది. అయినప్పటికీ, ఇది సాంకేతిక పరిజ్ఞానం యొక్క అంతర్గత పరిమితులను సూచించదు, ఎందుకంటే ప్రస్తుత ప్రయోగాత్మక సెటప్ సామర్థ్యం కోసం ఆప్టిమైజ్ చేయబడలేదు. అనేక సందర్భాల్లో శక్తి మార్పిడి సామర్థ్యం శక్తి పెంపకం సాంకేతిక పరిజ్ఞానం యొక్క అతి ముఖ్యమైన లక్షణం కాదని మేము గమనించాలనుకుంటున్నాము. విస్తృత శ్రేణి అనువర్తనాల కోసం, హార్వెస్టర్ చేత గ్రహించబడిన శక్తి శక్తి వనరు యొక్క శక్తి కంటే చాలా తక్కువగా ఉంటుంది, మూలం యొక్క ప్రవర్తన హార్వెస్టర్ చేత విలువైన పద్ధతిలో ప్రభావితం కాదు. అటువంటి పరిస్థితులలో, పంటకోత సాంకేతిక పరిజ్ఞానం యొక్క అతి ముఖ్యమైన లక్షణం దాని శక్తి సాంద్రత, ఎందుకంటే ఇది ఒక నిర్దిష్ట పరిమాణంలోని హార్వెస్టర్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయగల గరిష్ట శక్తిని నేరుగా నిర్ణయిస్తుంది. దీని దృష్ట్యా, బబ్లర్ పద్ధతి యొక్క శక్తి సాంద్రతను ప్రభావితం చేసే వివిధ పారామితుల పరిశోధనపై మేము ఈ పనిలో దృష్టి కేంద్రీకరించాము, ప్రత్యేక పని కోసం బబ్లర్ మార్పిడి సామర్థ్యం యొక్క పరిశోధనను వదిలివేసాము.

సైద్ధాంతిక నమూనా మరియు ప్రయోగాత్మక ఫలితాలు

స్థిరమైన మరియు able హించదగిన బబుల్ స్వీయ-డోలనం ప్రక్రియను సాధించగల సామర్థ్యంపై బబ్లర్ విధానం అంచనా వేయబడుతుంది. అందువల్ల మేము బబుల్ పెరుగుదల మరియు పతనం డైనమిక్స్ యొక్క సైద్ధాంతిక మరియు ప్రయోగాత్మక పరిశోధనపై ప్రత్యేక దృష్టి పెట్టాము. ఈ మేరకు మేము బబుల్ ప్రవర్తన యొక్క ప్రయోగాత్మక అధ్యయనాలను బబుల్ పెరుగుదల మరియు పతనం ప్రక్రియ యొక్క గణన ద్రవ డైనమిక్స్ (CFD) మోడలింగ్‌తో కలిపాము. ద్రవ వేగం పంపిణీ మరియు బబుల్ ఇంటర్ఫేస్ డైనమిక్స్ కోసం సంఖ్యా పరిష్కారాన్ని పొందటానికి లామినార్ రెండు దశల ప్రవాహం CFD మోడల్ ఉపయోగించబడింది. విద్యుద్వాహక ద్రవం మరియు చాలా అనుకరణలలో ఉపయోగించే వాహక ద్రవం వరుసగా గాలి మరియు పాదరసం. గది-ఉష్ణోగ్రత ద్రవ లోహాలను వాహక ద్రవంగా ఉపయోగించినప్పుడు REWOD ప్రక్రియ ఉత్తమంగా పనిచేస్తుందని మా మునుపటి ప్రయోగాలు 2 నిరూపించాయి. ముఖ్యంగా, పాదరసం మరియు గాలిన్‌స్టాన్ అని పిలువబడే గాలియం-ఇండియం మిశ్రమం REWOD 2 తో ఉపయోగించడానికి బాగా సరిపోతాయి. ఈ పనిలో మేము పాదరసం యొక్క రసాయన స్థిరత్వం మరియు ఆక్సీకరణ నిరోధకత కారణంగా ఉపయోగించాము. సంభావ్య వాణిజ్య అనువర్తనాల్లో పాదరసం దాని విషపూరితం కారణంగా అవాంఛనీయమైనది మరియు గాలియం-ఇండియం మిశ్రమాల వాడకానికి ప్రాధాన్యత ఇవ్వవచ్చు. వాయు ఇన్లెట్ వద్ద (అనగా ఎలక్ట్రోడ్ ద్వారా రంధ్రం) మరియు ఎలక్ట్రోడ్ మరియు పొర మధ్య పాదరసం నిండిన అంతరం వద్ద అనువర్తిత గేజ్ ఒత్తిళ్లు డోలనం ప్రక్రియలో స్థిరంగా ఉంచబడ్డాయి. అనుకరణ డొమైన్ (ఎలక్ట్రోడ్ వ్యాసం) 1, 000 μm మరియు 1, 200 betweenm మధ్య వైవిధ్యంగా ఉంది. గాలి ఇన్లెట్ యొక్క వ్యాసం 140 μm మరియు 200 μm మధ్య వైవిధ్యంగా ఉంది. ఎలక్ట్రోడ్ మరియు పొర మధ్య అంతరం 100 μm మరియు 130 μm మధ్య మారుతూ ఉంటుంది. CFD మోడలింగ్ విధానం యొక్క వివరాలు అనుబంధ పదార్థాలలో లభిస్తాయి. మోడల్‌లో గమనించిన బబుల్ డోలనం ప్రక్రియ యొక్క నాలుగు ప్రధాన దశలు అంజీర్ 4 (a-d) లో చూపబడ్డాయి (అనుబంధ వీడియో 2 కూడా చూడండి). డోలనం చక్రం ప్రారంభంలో, ఇన్లెట్ ద్వారా సరఫరా చేయబడిన సంపీడన గాలి బబుల్ పెరుగుదలను ప్రారంభిస్తుంది (Fig. 4 (ఎ) చూడండి), ఇది బబుల్ పొరను తాకే వరకు కొనసాగుతుంది, మిగిలిన పాదరసం ఫిల్మ్‌ను విచ్ఛిన్నం చేస్తుంది మరియు ఇది వేగంగా వెనక్కి తగ్గుతుంది ఎలక్ట్రోడ్ యొక్క అంచు, అంజీర్ 4 (బి, సి) లో చూపిన విధంగా. ఈ సమయంలో బబుల్ పాన్కేక్ ఆకారాన్ని తీసుకుంటుంది మరియు ఎలక్ట్రోడ్ మధ్యలో కుప్పకూలిపోతుంది, అంజీర్ 4 (డి) లో చూపిన విధంగా స్వీయ-డోలనం చక్రాన్ని వేగంగా పూర్తి చేస్తుంది.

Image

( a-d ) బబుల్ పెరుగుదల మరియు కూలిపోయే ప్రక్రియ యొక్క CFD అనుకరణ. ఎరుపు రంగు గాలి ఆక్రమించిన వాల్యూమ్‌ను సూచిస్తుంది మరియు నీలం రంగు పాదరసం ఆక్రమించిన వాల్యూమ్‌ను సూచిస్తుంది. ( ) గాలి ఆక్రమించిన ప్రాంతానికి CFD మోడలింగ్ ఫలితాలు. ఈ అనుకరణ కోసం ఎయిర్ ఇన్లెట్ (పి ఎయిర్ - పి హెచ్జి ) మరియు పాదరసం (పి హెచ్జి ) వద్ద గేజ్ పీడనాలు వరుసగా 0.08 బార్ మరియు 0.08 బార్. Os హించిన డోలనం కాలం సుమారు 1.4 ఎంఎస్. ( ఎఫ్ ) సాపేక్ష కాంతి తీవ్రత వర్సెస్ సమయం కోసం ప్రయోగాత్మక ఫలితాలు. పొందిన డోలనం కాలం 1.7 ms.

పూర్తి పరిమాణ చిత్రం

బబుల్ యొక్క పాదముద్ర ప్రాంతం యొక్క సమయం ఆధారపడటం కోసం CFD మోడలింగ్ ద్వారా పొందిన సాధారణ ఫలితాలు అంజీర్ 4 (ఇ) లో చూపబడ్డాయి. ఎలక్ట్రోడ్ మరియు పొర మధ్య అంతరం యొక్క పరిమాణంపై బబుల్ డోలనం కాలం మరియు గరిష్ట బబుల్ విస్తరణ వ్యాసం వరుసగా అంజీర్ 5 (సి) మరియు అంజీర్ 5 (బి) లో చూపబడ్డాయి. గ్యాప్ పరిమాణం బబుల్ డైనమిక్స్‌పై తీవ్ర ప్రభావాన్ని చూపుతుంది. అంజీర్ 5 (బి, సి) నుండి చూడగలిగినట్లుగా, b హించిన బబుల్ డోలనం కాలం గ్యాప్ పరిమాణం యొక్క లైనర్ ఫంక్షన్‌గా కనిపిస్తుంది, అయితే అంచనా వేసిన గరిష్ట బబుల్ విస్తరణ వ్యాసం గ్యాప్ పరిమాణం యొక్క చతురస్రాకార ఫంక్షన్‌గా కనిపిస్తుంది.

Image

( ) బబుల్ డోలనం కాలానికి CFD అనుకరణ మరియు ప్రయోగాత్మక ఫలితాలు results మరియు ఇన్లెట్ క్రాస్-సెక్షనల్ ప్రాంతం యొక్క విధిగా గరిష్ట బబుల్ విస్తరణ వ్యాసం D. A. నీలం చుక్కలు బబుల్ డోలనం కాలానికి అనుకరణ ఫలితాలను సూచిస్తాయి while, నీలి రేఖ ప్రాతినిధ్యం వహిస్తుంది form ~ A −1/2 రూపం యొక్క ఉత్తమ సరిపోలిక . ఎరుపు చుక్కలు బబుల్ డోలనం కాలం for కోసం ప్రయోగాత్మక ఫలితాలను సూచిస్తాయి, అయితే మెజెంటా లైన్ form ~ A −1/2 రూపం యొక్క ఉత్తమ సరిపోలికను సూచిస్తుంది . ఆకుపచ్చ చుక్కలు గరిష్ట బబుల్ విస్తరణ వ్యాసం కోసం అనుకరణ ఫలితాలను సూచిస్తాయి. డాష్ చేసిన ఆకుపచ్చ గీత కంటికి మాత్రమే మార్గనిర్దేశం చేస్తుంది. కింది విలువలు ఉపయోగించబడతాయి: τ 0 = 10 ms, D 0 = 0.16 mm, A 0 = 0.0154 mm 2 . ( బి ) పొర మరియు ఎలక్ట్రోడ్ మధ్య అంతరం H యొక్క విధిగా గరిష్ట బబుల్ విస్తరణ వ్యాసం D కొరకు CFD అనుకరణ మరియు ప్రయోగాత్మక ఫలితాలు. నీలం చుక్కలు గరిష్ట బబుల్ విస్తరణ వ్యాసం కోసం అనుకరణ ఫలితాలను సూచిస్తాయి. ఎరుపు చుక్కలు గరిష్ట బబుల్ విస్తరణ వ్యాసం D కోసం ప్రయోగాత్మక ఫలితాలను సూచిస్తాయి, అయితే మెజెంటా లైన్ D ~ H 2 రూపం యొక్క ఉత్తమ సరిపోలికను సూచిస్తుంది. కింది విలువలు ఉపయోగించబడతాయి: τ 0 = 10 ms, H 0 = 0.16 mm. ( సి ) పొర మరియు ఎలక్ట్రోడ్ మధ్య అంతరం H యొక్క విధిగా బబుల్ డోలనం కాలానికి CFD అనుకరణ మరియు ప్రయోగాత్మక ఫలితాలు. నీలం చుక్కలు బబుల్ డోలనం కాలానికి అనుకరణ ఫలితాలను సూచిస్తాయి, అయితే నీలిరంగు form form H రూపం యొక్క ఉత్తమ సరిపోలికను సూచిస్తుంది. ఎరుపు చుక్కలు బబుల్ డోలనం కాలం for కోసం ప్రయోగాత్మక ఫలితాలను సూచిస్తాయి, అయితే మెజెంటా లైన్ form ~ H 4 రూపం యొక్క ఉత్తమ సరిపోలికను సూచిస్తుంది. కింది విలువలు ఉపయోగించబడతాయి: H 0 = D 0 = 0.16 mm. ( డి ) బుడగ డోలనం కాలం-పాదరసం మరియు గాలి ఇన్లెట్ పీడనాలపై ఆధారపడటం, వరుసగా పి హెచ్జి మరియు పి ఎయిర్ . దృ lines మైన పంక్తులు కంటికి మాత్రమే మార్గనిర్దేశం చేస్తాయి.

పూర్తి పరిమాణ చిత్రం

బబుల్ డోలనం కాలం యొక్క ఆధారపడటం మరియు ఇన్లెట్ క్రాస్-సెక్షనల్ ప్రాంతంపై గరిష్ట బబుల్ విస్తరణ వ్యాసం అంజీర్ 5 (ఎ) లో చూపబడింది. గ్యాప్ పరిమాణం యొక్క ప్రభావంతో పోలిస్తే, బబుల్ డోలనం డైనమిక్స్‌పై ఇన్లెట్ క్రాస్-సెక్షనల్ ప్రాంతం యొక్క అంచనా ప్రభావం చాలా పరిమితం. Bub హించిన బబుల్ డోలనం కాలం ఇన్లెట్ క్రాస్-సెక్షనల్ ప్రాంతం యొక్క వర్గమూలానికి విలోమానుపాతంలో ఉంటుంది, అనగా ఇన్లెట్ వ్యాసానికి విలోమానుపాతంలో ఉంటుంది. గరిష్ట బబుల్ విస్తరణ వ్యాసం ఇన్లెట్ క్రాస్-సెక్షనల్ ప్రాంతంపై స్పష్టమైన ఆధారపడటాన్ని చూపించదు.

పాదరసం మరియు గాలి ఇన్లెట్ ఒత్తిళ్లపై బబుల్ డోలనం కాలం యొక్క ఆధారపడటం అంజీర్ 5 (డి) లో చూపబడింది. పాదరసం పీడనం బబుల్ పతనం ప్రక్రియ యొక్క రేటును నియంత్రిస్తుంది, అయితే గాలి పీడనం మరియు పాదరసం పీడనం మధ్య వ్యత్యాసం బబుల్ పెరుగుదల ప్రక్రియ రేటును నియంత్రిస్తుంది. ఎయిర్ ఇన్లెట్ పీడనాన్ని పెంచడం ద్వారా బబుల్ డోలనం ఫ్రీక్వెన్సీని పెంచుతుంది, డోలనం కాలాన్ని 0.5 ఎంఎస్ కంటే తక్కువగా నడుపుతుంది, ఇది అంజీర్ 5 (డి) లో చూపిన విధంగా 2 kHz కంటే ఎక్కువ పౌన encies పున్యాలకు అనుగుణంగా ఉంటుంది.

CFD మోడల్ యొక్క అంచనాలకు బబ్లర్ అసెంబ్లీ ద్వారా చొచ్చుకుపోయే కాంతి యొక్క తీవ్రత యొక్క ప్రయోగాత్మక కొలతలు మద్దతు ఇచ్చాయి. ఈ సరళమైన పద్ధతి, వాటి వివరాలు అంజీర్ 6 లో వివరించబడ్డాయి, అధిక పౌన encies పున్యాల వద్ద బబ్లర్ డోలనం డైనమిక్స్ యొక్క ప్రయోగాత్మక పరిశీలనను అనుమతిస్తుంది (అనుబంధ వీడియో 3 చూడండి). గమనించిన కాంతి తీవ్రత అంజీర్ 6 (a-c) లో చూపిన విధంగా, బబుల్ మరియు పొర మధ్య సంబంధాల ప్రాంతంతో సరళంగా కొలవబడుతుంది. గాలి బబుల్ స్వీయ-డోలనాల యొక్క సాధారణ ఫలితం అంజీర్ 4 (ఎఫ్) లో చూపబడింది. కాలంతో సాపేక్ష కాంతి తీవ్రత యొక్క వైవిధ్యం అంజీర్ 4 (ఇ) లో చూపిన విధంగా, బబుల్ యొక్క పాదముద్ర ప్రాంతం యొక్క సమయం ఆధారపడటానికి సైద్ధాంతిక వక్రతతో మంచి గుణాత్మక ఒప్పందంలో ఉంది. కాంతి తీవ్రత యొక్క ప్రయోగాత్మకంగా పొందిన శిఖరాలు గుర్తించదగిన వైవిధ్యాన్ని కలిగి ఉన్నాయి, ఇది మా అభిప్రాయం ప్రకారం, ఆదర్శ వృత్తం నుండి బబుల్ పాదముద్ర ఆకారం యొక్క యాదృచ్ఛిక విచలనం కారణమని చెప్పవచ్చు, అప్పుడప్పుడు పాదరసం సంపర్క రేఖ యొక్క లోపాలు ఎలక్ట్రోడ్ ఉపరితలం. ఈ విచలనాలు బబుల్ పాదముద్ర ప్రాంతంలో యాదృచ్ఛిక వైవిధ్యాలను ఉత్పత్తి చేస్తాయి, దీని ఫలితంగా, నమోదిత కాంతి తీవ్రత యొక్క వైవిధ్యం ఏర్పడుతుంది. దానికి తోడు మోడల్ సెటప్ కొన్ని సరళమైన ump హలను కలిగి ఉంటుంది. ముఖ్యంగా అంజీర్ 4 (ఇ) లో చూపిన బబుల్ పాదముద్ర ప్రాంతానికి లెక్కించిన ఫలితాలు బబ్లర్ చిప్ లోపల గాలి పీడనం వాయు సరఫరా రేఖలోని గాలి పీడనానికి సమానం అనే on హపై ఆధారపడి ఉంటుంది, ఇది ఖచ్చితంగా నిజం కాకపోవచ్చు. ఇది మోడల్ మరియు ప్రయోగాత్మక ఫలితాల మధ్య కొంత అదనపు వ్యత్యాసాన్ని కలిగిస్తుంది.

Image

ప్రయోగం యొక్క స్కీమాటిక్స్ ఎడమ వైపున చూపబడింది మరియు లైట్ డిటెక్టర్ స్పాట్ వద్ద ఉంచబడిన హై-స్పీడ్ కెమెరా ద్వారా కనిపించే కాంతి మూలం యొక్క వాస్తవ చిత్రం కుడి వైపున చూపబడుతుంది. వాస్తవ చిత్రంలోని బ్లాక్ సెంట్రల్ స్పాట్ ఒత్తిడితో కూడిన విద్యుద్వాహక ద్రవంతో అనుసంధానించే గొట్టాన్ని సూచిస్తుంది. ఈ ప్రయోగంలో నీటిని విద్యుద్వాహక ద్రవంగా ఉపయోగించారు. ( ) బబుల్ పెరుగుదల యొక్క ప్రారంభ దశ, ( బి ) బబుల్ పెరుగుదల యొక్క చివరి దశ మరియు ( సి ) బబుల్ పతనం సూచిస్తుంది.

పూర్తి పరిమాణ చిత్రం

గ్యాప్ మందంపై గరిష్ట బబుల్ విస్తరణ వ్యాసం యొక్క ప్రయోగాత్మకంగా గమనించిన ఆధారపడటం అంజీర్ 5 (బి) లో చూపిన విధంగా సైద్ధాంతిక అంచనాలతో మంచి ఒప్పందంలో ఉంది. ప్రయోగాత్మకంగా గమనించిన గ్యాప్ పరిమాణంపై బబుల్ డోలనం వ్యవధి సైద్ధాంతిక అంచనా కంటే బలంగా కనిపిస్తుంది, డోలనం కాలం నాల్గవ శక్తికి అనులోమానుపాతంలో గ్యాప్ పరిమాణానికి అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది, అంజీర్ 5 (సి) లో చూపిన విధంగా. ఈ విచలనం ప్రస్తుత ప్రయోగాత్మక సెటప్ మద్దతు ఇవ్వగల గరిష్ట వాయు ప్రవాహ రేటుపై పరిమితులకు సంబంధించినదని మేము నమ్ముతున్నాము. ఈ అంశంపై సమగ్ర దర్యాప్తు ప్రస్తుతం జరుగుతోంది. అదేవిధంగా, ఇన్లెట్ క్రాస్-సెక్షనల్ ప్రాంతంపై ప్రయోగాత్మకంగా గమనించిన ఆధారపడటం సైద్ధాంతిక అంచనా వలె గుణాత్మక ప్రవర్తనను కలిగి ఉంటుంది, కానీ సంఖ్యాపరంగా దీనికి భిన్నంగా ఉంటుంది, అంజీర్ 5 (ఎ) చూడండి. మళ్ళీ, పైన పేర్కొన్న వాయు సరఫరా పరిమితుల వల్ల ఈ విచలనం సంభవించవచ్చని మేము నమ్ముతున్నాము.

గాలి, నీరు మరియు హెక్సేన్ వంటి విస్తృత స్నిగ్ధత కలిగిన విద్యుద్వాహక ద్రవాలు ఈ పనిలో పరీక్షించబడ్డాయి. విద్యుద్వాహక ద్రవం యొక్క స్నిగ్ధత పెరుగుదల బబుల్ డోలనం పౌన .పున్యంలో నాటకీయంగా తగ్గుతుంది. అందువల్ల గాలిని (0.019 సిపి యొక్క డైనమిక్ స్నిగ్ధత) నీటితో భర్తీ చేయడం (0.9 సిపి యొక్క డైనమిక్ స్నిగ్ధత) ఫలితంగా డోలనం ఫ్రీక్వెన్సీని మాగ్నిట్యూడ్ క్రమం ద్వారా మారుస్తుంది, గాలికి 300 హెర్ట్జ్ నుండి నీటికి 17 హెర్ట్జ్ వరకు. వ్యవస్థ యొక్క జ్యామితిపై బబుల్ డైనమిక్స్ మరియు దానిపై ఉన్న పదార్థాలపై ఆధారపడటం గురించి మరింత వివరణాత్మక ప్రయోగాత్మక పరిశోధన ప్రస్తుతం జరుగుతోంది మరియు ఫలితాలు మరెక్కడా ప్రచురించబడతాయి.

అంజీర్ 2 (సి) లో చూపిన ఎలక్ట్రికల్ సర్క్యూట్‌ను విశ్లేషించడం ద్వారా బబ్లర్ యొక్క శక్తి ఉత్పత్తిని అంచనా వేయవచ్చు. సర్క్యూట్ ప్రవర్తన క్రింది సమీకరణం ద్వారా వివరించబడింది:

Image

ఇక్కడ Q అనేది ఎలక్ట్రోడ్పై ఛార్జ్, R అనేది లోడ్ ఇంపెడెన్స్, C అనేది పాదరసం-ఎలక్ట్రోడ్ ఇంటర్ఫేస్ యొక్క సమయ-ఆధారిత కెపాసిటెన్స్, C 0 అనేది యూనిట్ ప్రాంతానికి పాదరసం-ఎలక్ట్రోడ్ ఇంటర్ఫేస్ యొక్క కెపాసిటెన్స్, V అనేది బయాస్ వోల్టేజ్, మరియు t సమయం. పాదరసం-ఎలక్ట్రోడ్ ఇంటర్ఫేస్ యొక్క కెపాసిటెన్స్ AC 0, ఇక్కడ A అనేది పాదరసం మరియు ఎలక్ట్రోడ్ మధ్య సంబంధాల ప్రాంతం, ref చూడండి. 2 మరింత వివరణాత్మక చర్చ కోసం. ప్రస్తుత పనిలో C 0 విలువ 0.84 nF mm −2 . ఆవర్తన ఆవర్తన బబుల్ పెరుగుదల మరియు కూలిపోయే ప్రక్రియ ఫలితంగా సున్నా మరియు ఎలక్ట్రోడ్ ప్రాంతం మధ్య డోలనం చేస్తుంది. పైన చర్చించిన విధంగా CFD మోడల్ నుండి సమయం t పై ప్రాంతం A యొక్క ఆధారపడటం పొందబడింది. ఫలిత ఫంక్షన్ A ( t ) సమీకరణం (1) లో ప్రత్యామ్నాయం చేయబడింది మరియు సమయ-ఆధారిత ఛార్జ్ Q ( t ) మరియు విద్యుత్ ప్రవాహం I ( t ) = d Q / d t లకు పరిష్కారాలు సంఖ్యాపరంగా ఈక్వేషన్ (1) ద్వారా పొందబడ్డాయి. . 4.5 I యొక్క బయాస్ వోల్టేజ్ కోసం ప్రస్తుత I ( t ) మరియు ఉత్పత్తి శక్తి P ( t ) = RI 2 యొక్క సాధారణ ఫలితాలు అంజీర్ 7 (a, b) లో చూపబడ్డాయి. ఒక డోలనం సమయంలో బబుల్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన శక్తి ఒక డోలనం వ్యవధిలో P ( t ) ను సమగ్రపరచడం ద్వారా పొందబడింది. 4.5 V బయాస్ వోల్టేజ్ వద్ద గరిష్ట గరిష్ట శక్తి సాంద్రత కోసం పొందిన ఫలితాలు సుమారు 80 Wm −2 మరియు ఒక డోలనం యొక్క శక్తి సాంద్రత 16 mJm −2, ఇది అంజీర్ 1 (సి) లో చూపిన గతంలో ప్రదర్శించిన REWOD ఫలితాలకు అనుగుణంగా ఉంటుంది. .

Image

( ) లోడ్ రెసిస్టర్ ద్వారా ప్రవహించే విద్యుత్తు యొక్క సైద్ధాంతిక అంచనా. (1) బబుల్ పతనం ప్రక్రియను సూచిస్తుంది, (2) బబుల్ వృద్ధి ప్రక్రియ ప్రారంభం మరియు (3) బబుల్ పాదముద్ర ఎలక్ట్రోడ్‌ను మించిన వృద్ధి ప్రక్రియ యొక్క చివరి దశ. ( బి ) లోడ్ రెసిస్టర్‌పై ఉత్పత్తి అయ్యే శక్తి యొక్క సైద్ధాంతిక అంచనా. ( సి ) 4.5 వి. బయాస్ వోల్టేజ్ వద్ద లోడ్ రెసిస్టర్ ద్వారా ప్రవహించే ప్రయోగాత్మక ఫలితాలు ( డి ) 4.5 వి. బయాస్ వోల్టేజ్ వద్ద లోడ్ రెసిస్టర్‌పై ఉత్పత్తి అయ్యే శక్తికి ప్రయోగాత్మక ఫలితాలు. ( ) ప్రస్తుత ప్రవాహం కోసం ప్రయోగాత్మక ఫలితాలు 3 V. యొక్క బయాస్ వోల్టేజ్ వద్ద లోడ్ రెసిస్టర్ ( ఎఫ్ ) 3 V యొక్క బయాస్ వోల్టేజ్ వద్ద లోడ్ రెసిస్టర్‌పై ఉత్పత్తి అయ్యే శక్తి కోసం ప్రయోగాత్మక ఫలితాలు.

పూర్తి పరిమాణ చిత్రం

REWOD- ఆధారిత శక్తి ఉత్పాదక ప్రక్రియను ప్రయోగాత్మకంగా పరిశోధించడానికి, ఎలక్ట్రోడ్ మరియు పాదరసం స్థిరమైన బయాస్ వోల్టేజ్ మూలానికి (అనగా ఎలక్ట్రోకెమికల్ బ్యాటరీ) అనుసంధానించబడి ఉన్నాయి మరియు బబుల్ స్వీయ-డోలనం సమయంలో లోడ్ రెసిస్టర్ అంతటా ప్రేరేపించబడిన వోల్టేజ్ సమయం యొక్క పనిగా కొలుస్తారు . ఎలక్ట్రోడ్లు టాంటాలమ్ నుండి ఉత్పత్తి చేయబడ్డాయి, ఇది దాని అనోడిక్ ఆక్సైడ్ యొక్క ఉన్నతమైన లక్షణాల కారణంగా ఎంపిక చేయబడింది, ముఖ్యంగా 25 కి సమానమైన అధిక విద్యుద్వాహక స్థిరాంకం మరియు అధిక విచ్ఛిన్న విద్యుత్ క్షేత్రం 4, 5, 6, 7 . చిప్ ద్వారా లేజర్ డ్రిల్లింగ్ ఎయిర్ ఇన్లెట్ హోల్‌ను వంతెన చేయడానికి మరియు చిప్ యొక్క వెనుక వైపు మరియు చిప్ ముందు వైపున వృత్తాకార REWOD ఎలక్ట్రోడ్ మధ్య విద్యుత్ కనెక్షన్‌ని అందించడానికి టాంటాలమ్ ఫిల్మ్ క్వార్ట్జ్ REWOD చిప్ యొక్క రెండు వైపులా జమ చేయబడింది. . టాంటాలమ్ ఎలక్ట్రోడ్ అప్పుడు ఎలక్ట్రోడ్ను కప్పి ఉంచే 200 ఎన్ఎమ్ మందపాటి టాంటాలమ్ పెంటాక్సైడ్ ఫిల్మ్ పొందటానికి యానోడైజ్ చేయబడింది. టాంటాలమ్ పెంటాక్సైడ్ పైన 6 ఎన్ఎమ్ పొర సైటోప్ ఫ్లోరోపాలిమర్ స్పిన్ పూతను ఉపయోగించి జమ చేయబడింది. దిగువ పద్ధతుల విభాగంలో బబ్లర్ పరికర కల్పన యొక్క వివరణాత్మక వివరణ ఇవ్వబడింది.

బబ్లర్ ఆపరేషన్ సమయంలో లోడ్ రెసిస్టర్ అంతటా ప్రవహించే సాధారణ ఫలితాలు 4.5 V మరియు 3.0 V బయాస్ వోల్టేజ్‌ల కోసం అంజీర్ 7 (సి-ఎఫ్) లో చూపబడ్డాయి. Expected హించినట్లుగా, బబుల్ పెరుగుదల మరియు పతనం ప్రస్తుత స్పైక్‌లను ప్రేరేపిస్తుంది. ప్రయోగాత్మకంగా పొందిన విద్యుత్ ప్రవాహంపై సమయానికి ఆధారపడటం మధ్య మంచి పరిమాణాత్మక ఒప్పందం ఉందని చాలా స్పష్టంగా ఉంది, ఇది అంజీర్ 7 (సి) మరియు సిద్ధాంతపరంగా icted హించిన వక్రతలు, అంజీర్ 7 (ఎ) లో చూపబడింది. పీక్ కరెంట్ విలువల్లో గమనించిన యాదృచ్ఛిక వైవిధ్యం పైన చర్చించిన కాంతి తీవ్రత శిఖరాలలో వైవిధ్యాలు, అంటే యాదృచ్ఛిక బాబుల్ పాదముద్ర అసిమెట్రీకి కారణమని చెప్పవచ్చు.

ప్రయోగాత్మక ప్రాంతీయ శక్తి సాంద్రత ప్లాట్లు అంజీర్ 7 (డి) లో చూపబడ్డాయి మరియు ఇది అంజీర్ 7 (బి) లో చూపిన సైద్ధాంతిక అంచనాతో మంచి ఒప్పందంలో ఉంది. 4.5 V బయాస్ వోల్టేజ్ వద్ద ప్రయోగాత్మకంగా సాధించిన గరిష్ట శక్తి సాంద్రత చాలా ఎక్కువగా ఉంటుంది మరియు 100 Wm −2 కు చేరుకుంటుంది, ఇది మునుపటి REWOD ప్రయోగాలలో రచయితలు పొందిన శక్తి సాంద్రతలకు సమానంగా ఉంటుంది. ఒక డోలనం సమయంలో బబుల్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన శక్తి ఒక డోలనం వ్యవధిలో పి ( టి ) ను సమగ్రపరచడం ద్వారా పొందబడింది మరియు అంజీర్ 7 (సి) లో చూపిన వక్రరేఖకు సుమారు 13 nJ కి సమానం. మోడలింగ్ డేటా (సుమారు 400 nJ) నుండి అంచనా వేసిన ప్రతి చక్రానికి జిగట శక్తి వెదజల్లడంతో ఈ విలువను పోల్చడం ద్వారా ప్రస్తుత సెటప్ యొక్క శక్తి మార్పిడి సామర్థ్యాన్ని 3.5% గా అంచనా వేయవచ్చు.

చర్చా

సమీకరణం (1) తో కలిపి తీసుకున్న బబుల్ స్వీయ-డోలనం ప్రక్రియ యొక్క అభివృద్ధి చెందిన CFD మోడల్ వివిధ పరిస్థితులలో బబ్లర్ పద్ధతి యొక్క పనితీరును అంచనా వేయడానికి ఉపయోగించవచ్చు. బబ్లర్ శక్తి సాంద్రత పైన ఇప్పటికే చర్చించినట్లుగా, బయాస్ వోల్టేజ్ పెంచడం ద్వారా లేదా డోలనం ఫ్రీక్వెన్సీని మరింత పెంచడం ద్వారా మరింత పెంచవచ్చు. ప్రయోగంలో ఉపయోగించిన దానికంటే ఎక్కువ పౌన encies పున్యాలు మరియు అధిక బయాస్ వోల్టేజ్‌ల కోసం power హించిన శక్తి సాంద్రతలు అంజీర్‌లో చూపించబడ్డాయి. 50 V కంటే ఎక్కువ బయాస్ వోల్టేజ్‌ల వద్ద మరియు 2 kHz కంటే ఎక్కువ డోలనం పౌన encies పున్యాల వద్ద అంచనా వేసిన సగటు విద్యుత్ సాంద్రత 10 kWm కంటే ఎక్కువగా ఉంటుందని డేటా చూపిస్తుంది −2, ఇది REWOD పద్ధతి నుండి మాత్రమే expected హించిన గరిష్ట శక్తి సాంద్రత కంటే ఎక్కువ పరిమాణం యొక్క క్రమం, అనగా ఇది బబుల్ స్వీయ-డోలనం ప్రక్రియతో కలపకుండా. బబ్లర్ విధానాన్ని ఉపయోగించి ప్రయోగాత్మకంగా పొందగల గరిష్ట శక్తి సైద్ధాంతిక అంచనాల కంటే తక్కువగా ఉంటుంది, విద్యుద్వాహక చలన చిత్ర నాణ్యత మరియు దాని విద్యుత్ విచ్ఛిన్న ఒత్తిడి ప్రధాన పరిమితి కారకాలుగా ఉండవచ్చు. ఈ అంశం కొనసాగుతున్న పరిశోధన యొక్క అంశం మరియు ఫలితాలు మరెక్కడా ప్రచురించబడతాయి.

Image

( ) డోలనం కాలం a మరియు అనువర్తిత బయాస్ వోల్టేజ్ యొక్క విధిగా ఒక డోలనం సంఘటనలో పొందిన యూనిట్ ప్రాంతానికి అంచనా వేసిన శక్తి. ( బి ) డోలనం కాలం τ మరియు అనువర్తిత బయాస్ వోల్టేజ్ యొక్క విధిగా యూనిట్ ప్రాంతానికి సగటు శక్తి అంచనా. పెద్ద ఎరుపు మరియు నీలం చుక్కలు పొందిన ప్రయోగాత్మక ఫలితాలను సూచిస్తాయి.

పూర్తి పరిమాణ చిత్రం

అధిక శక్తి సాంద్రతలను సాధించగల సామర్థ్యం కాంపాక్ట్ ఎనర్జీ హార్వెస్టింగ్ పరికరాలను అనేక వాట్ల స్థాయిలో విద్యుత్ ఉత్పత్తితో చాలా సాధ్యమయ్యేలా చేస్తుంది. ప్రత్యేకించి, పైన చర్చించిన మరియు అంజీర్ 3 లో చూపిన పాదరక్షల ఎంబెడెడ్ హార్వెస్టర్ పరికరం 30 V బయాస్ వోల్టేజ్ మరియు 2 kHz యొక్క బబుల్ స్వీయ-డోలనం పౌన frequency పున్యంలో పనిచేయడానికి రూపొందించబడింది. ఈ పరికరం 40 మిమీ × 40 మిమీ సైజు REWOD చిప్‌ను కలిగి ఉంటుంది, ఇది 1 మిమీ వ్యాసంతో 800 ఎలక్ట్రోడ్ల శ్రేణిని కలిగి ఉంటుంది మరియు మొత్తం వైశాల్యం 628 మిమీ 2 తో ఉంటుంది . అంజీర్ 8 (బి) లో చూపిన ఫలితాలు 0.25 సె హీల్ స్ట్రైక్ వ్యవధి మరియు సెకనుకు ఒక అడుగు వాకింగ్ కాడెన్స్ ఆధారంగా హార్వెస్టర్ యొక్క సగటు విద్యుత్ ఉత్పత్తిని 1 వాట్ గా అంచనా వేయడానికి ఉపయోగించవచ్చు.

In summary, we have proposed and experimentally demonstrated the “bubbler” – a novel approach to direct conversion of mechanical energy into electrical energy. The main advantage of the bubbler approach is its ability to combine a high frequency self-oscillation process, naturally occurring during the air bubble growth and collapse, with the REWOD-based energy conversion process, which is capable of producing large quantities of energy per each oscillation. This allows one to maximize the produced power, which is proportional to the product of the oscillation frequency and the energy produced during each oscillation. Experimentally obtained power density was about 100 Wm −2, and theoretical estimates show that power densities in excess of 10 kWm −2 can be expected under the right conditions. The bubble self-oscillation occurs naturally as long as there is an external pressure applied to the device thus allowing effective coupling of the device to mechanical energy sources possessing a wide range of forces, displacements, and frequencies. The simplicity and flexibility of the bubbler approach makes it particularly suitable for the energy harvesting applications, especially for cases where direct coupling to low-frequency, high-force mechanical energy sources, such as human, machine, or buildings motion is desired. We hope that this novel approach will lead to the development of a broad range of REWOD-based energy harvesting devices.

పద్ధతులు

Fabrication of REWOD chip

The REWOD chips were fabricated using a 300 μm thick 2 inch diameter quartz wafer acquired from University Wafer, USA. The wafer was diced into 10 mm by 10 mm square chips. At the center of each sample a 160 μm diameter hole was fabricated by using laser drilling (performed by K Jet Laser Technologies, INC, Taiwan). A 1 μm thick Ta layer was sputter deposited on both sides of the chip using a shadow mask to define the pattern. The Ta layer was deposited using a CVC 601 Sputter System with a power of 1.0 kW. The Ta layer was also deposited on the walls of the hole to form an electrical connection between the front and the backside of the chip. To increase the breakdown voltage of tantalum pentoxide formed after anodization, a mixture of argon and nitrogen (Ar/N 2 ratio 20/1.45 sccm) was used for the sputter deposition 6 . The Ta layer was then anodized using constant electrical current (2.6 × 10 −4 A/cm 2 ) in 0.01 wt% citric acid aqueous solution to form a thin Ta 2 O 5 layer of 200 nm on top of the Ta. The Ta 2 O 5 thickness was determined by the anodization voltage 6 yielding about 2 nm/V. Finally, a Cytop fluoropolymer, acquired from Asahi Glass Company, Japan, was used to deposit a thin fluoropolymer film on the Ta 2 O 5 . A Cytop solution, consisting of 0.5 wt % concentration in perflurohexane 8, was spin-coated on top of the Ta 2 O 5 layer and cured at 180 °C for 1 h. A summary of the major steps in the REWOD chip fabrication is shown schematically in Fig. 9.

Image

( a ) shows the 10 mm × 10 mm quartz substrate with a laser drilled hole in the center, ( b ) sputter deposition of tantalum on front and back side which electrically bridges the center hole, ( c ) anodization of tantalum film in citric acid, and ( d ) cytop spin-coated on tantalum pentoxide.

పూర్తి పరిమాణ చిత్రం

Experimental Setup

Figure 10 shows a blow-up view of the bubbler experimental setup. The bubbler is composed of three housing plates, a membrane, a REWOD chip and several electrical connectors. A CNC milling machine was used to make the housing plates, and the mixed cellulose ester (MCE) membrane with the pore size of about 8 μm was obtained from Sterlitech Corporation, USA. The thickness of the gap between the membrane and the REWOD chip varied from about 100 μm to 200 μm, and the inlet pressure required to initiate the bubble growth process was about 0.05 bar. A 0.877 MΩ resistor was used as a load. Stainless steel rods were selected as the electrical connection material because of their chemical stability in mercury, which was used as the conductive liquid in this experimental setup.

Image

( a ) shows the top housing plate with an array of tiny holes, ( b ) membrane, ( c ) REWOD chip, ( d ) mid housing plate which serves as the support for REWOD chip and the reservoir for the conductive liquid, ( e ) bottom housing plate with the connector for the pressurized dielectric fluid. (1) denotes electrical connector to REWOD chip and (2) the electrical connector to conductive liquid.

పూర్తి పరిమాణ చిత్రం

అదనపు సమాచారం

How to cite this article : Hsu, T.-H. ఎప్పటికి. Bubbler: A Novel Ultra-High Power Density Energy Harvesting Method Based on Reverse Electrowetting. సైన్స్. Rep. 5, 16537; doi: 10.1038/srep16537 (2015).

అనుబంధ సమాచారం

పద పత్రాలు

  1. 1.

    అనుబంధ సమాచారం

వీడియోలు

  1. 1.

    అనుబంధ వీడియో 1

  2. 2.

    అనుబంధ వీడియో 2

  3. 3.

    అనుబంధ వీడియో 3

వ్యాఖ్యలు

వ్యాఖ్యను సమర్పించడం ద్వారా మీరు మా నిబంధనలు మరియు సంఘ మార్గదర్శకాలకు కట్టుబడి ఉండాలని అంగీకరిస్తున్నారు. మీరు దుర్వినియోగమైనదాన్ని కనుగొంటే లేదా అది మా నిబంధనలు లేదా మార్గదర్శకాలకు అనుగుణంగా లేనట్లయితే దయచేసి దాన్ని అనుచితమైనదిగా ఫ్లాగ్ చేయండి.