Jaká je budoucnost sběru triboelektrické energie od průtoku kapaliny po výkonové PTFE ohřívací senzory?

Přidání bezdrátového teplotního senzoru k PTFE ponornému ohřívači zní teoreticky jednoduše. V praxi vede vedení vodičů přes korozivní procesní prostředí nebo výměna baterií uvnitř horkých chemických krytů vytváří překážky při údržbě, problémy se spolehlivostí a nebezpečí kontaminace. Ale nová myšlenka studie navrhuje zásadně odlišný přístup: nechat PTFE povrch sám vytvářet elektřinu pro provoz senzoru.

Může nastat triboelektřina, jev, kdy se při průchodu kapaliny PTFE generuje malý statický elektrický náboj. Toto nabití, jakkoli malé, by nakonec mohlo stačit k napájení zařízení s ultra-nízkou spotřebou. Výsledkem takového scénáře by mohla být samonapájená snímací platforma, kde by zdrojem energie pro bezdrátové monitorování byla samotná procesní kapalina.

Princip činnosti triboelektrického snímače PTFE ohřívače je jedním ze zajímavějších průsečíků pokročilé vědy o materiálech, tepelného zpracování a průmyslového internetu věcí.

Vysvětlení triboelektrického efektu
Triboelektřina je vytváření elektrického náboje kontaktem a oddělením různých materiálů.

Triboelektrická řada je seznam materiálů seřazených podle pravděpodobnosti, že získají nebo ztratí elektrony v těchto interakcích. PTFE leží na extrémním záporném konci této řady a je považován za jednu z nejvíce elektronegativních známých látek.

Když molekuly tekutiny proudí přes povrch PTFE, může na rozhraní dojít k oddělení náboje. V závislosti na chemii kapaliny, podmínkách proudění a koncentraci iontů se elektrony mohou přednostně shromažďovat na PTFE, přičemž v kapalině zůstávají opačné náboje.

Tento trvalý kontakt vede k malému, ale stabilnímu elektrickému potenciálu za podmínek proudění.

V normálních průmyslových systémech je takový statický náboj často nežádoucí a může být nutné jej uzemnit nebo rozptýlit. Ale v nových studiích-sběru energie se náboj stává potenciálním zdrojem energie.

Jak funguje triboelektrický PTFE topný senzor?
Navržený systém je myšlenkově jednoduchý, ale technologicky vyspělý.

PTFE ponorný ohřívač by sestával z:

Implantovaná vodivá elektroda.

Okruh získávání energie.

Malý kondenzátor nebo superkondenzátor

Ultra nízkoenergetický senzor

Bezdrátový komunikační modul s nízkou spotřebou energie

Když kapalina přetéká po povrchu PTFE, na zapuštěné elektrodě se akumuluje triboelektrický náboj. Nashromážděný náboj se neustále akumuluje do malého zásobníku energie.

Časem můžete vygenerovat dostatek energie na krátkou dobu napájení:

Teploměr

Monitor vodivosti

Senzor procesních podmínek

Bezdrátový nebo Bluetooth přenos s nízkou spotřebou

Protékající kapalina funguje jako napájecí kabel snímače, čímž odpadá požadavek na typické externí napájecí vedení.

Triboelektrické nanogenerátory a PTFE
Mnohé z těchto myšlenek jsou založeny na zařízeních zvaných triboelektrické nanogenerátory nebo zkráceně TENG.

TENG přeměňuje mechanický pohyb nebo interakci s tekutinou na využitelnou elektrickou energii pomocí přenosu triboelektrického náboje a elektrostatické indukce.

Díky silnému negativnímu triboelektrickému chování systémů na bázi PTFE-je tento materiál pro tyto účely velmi vhodný.

Triboelektrický nanogenerátor může za ideálních podmínek vytvářet velmi vysoká napětí, i když dostupný proud je stále poměrně skromný.

Typické výstupní charakteristiky jsou:

Vysoké napětí

Extrémně nízký proud

Přerušovaná výroba elektřiny

Úrovně výkonu v mikrowattech

Tento provozní profil nevyhovuje konvenční elektronice, ale stále lépe odpovídá současným technologiím senzorů s ultra{0}}nízkým{1}}výkonem.

Proč je PTFE obzvláště atraktivní pro získávání energie
PTFE je důležitý v chemických topných systémech, protože:

Vynikající chemická odolnost

• Elektrická izolační vlastnost

Tepelná stabilita

Chování nepřilnavých-povrchů

Vzrušující multifunkční vyhlídka je, že stejný materiál může také generovat použitelný elektrický náboj, když přes něj proudí tekutina.

Ohřívač PTFE lze použít pro:

Topné zařízení

Chemicky inertní procesní vložka

Elektrický nevodič.

Konstrukční prvek

Zdroj energie pro senzor s vlastním{0}}napájením

Tento souběh schopností je dobře sladěn s většími trendy v inteligentní výrobě s důrazem na vestavěnou inteligenci a distribuované snímání.

Možné průmyslové aplikace
Jakmile bude dostatečně vyspělá, technologie snímače PTFE ohřívače triboelektrické energie by mohla být slibným kandidátem na podporu mnoha průmyslových aplikací.

Chemické zpracovatelské nádoby
To by mohlo usnadnit bezdrátové monitorování teploty v drsných kyselinách nebo rozpouštědlech bez zranitelných prostupů kabelů.

Mokré lavice polovodiče
Bezbateriové -ultra{1}}čisté senzorové uzly by mohly pomoci řešit problémy s kontaminací ve vysoce regulovaných průmyslových prostředích.

Zařízení pro vzdálené procesy
„Sensory s vlastním{0}}napájením mohou být výhodné pro instalace, kde je tradiční kabeláž drahá a obtížně se udržuje.

Systémy prediktivní údržby
Autonomní snímací sítě mohou neustále monitorovat:

Teplota ohřívače

Průtokové podmínky

Vibrace

Spolehlivost procesu

kontaktu s chemikáliemi

Senzorový uzel sbírá energii přímo z pohybu tekutiny, a proto by mohla být značně snížena potřeba údržby.

Současná omezení technologie
Technologie je koncepčně atraktivní, ale stále je většinou ve fázi výzkumu a experimentálního vývoje.

Mnoho primárních technologických problémů zůstává nevyřešeno.

Velmi nízká spotřeba energie
Stávající triboelektrické harvestory obvykle pracují na úrovni mikrowattů.

Toto omezení výrazně omezuje:

Složitost senzorů

Frekvence přenosu dat

Rozsah komunikace

Možnost sledování v reálném-čase

V mnoha experimentálních systémech trvá několik minut, než se nahromadí energie, než dojde k jedinému krátkému bezdrátovému přenosu.

Závislost na charakteristice kapaliny
Generování nabití většinou závisí na:

Chemie tekutin

Vodivost (

Iontová koncentrace

Rychlost proudu

Stav povrchu

Některé kapaliny jsou mnohem triboelektricky aktivnější než jiné.

Jeho schopnost oddělit náboj v -polárních rozpouštědlech a některých iontových roztocích může být výhodnější než ve vysoce vodivých kapalinách.

Environmentální stabilita
Komplikace v průmyslovém prostředí zahrnují:

Znečištění

Znečištění povrchů

Variabilita vlhkosti

Chemický rozklad

Elektrický šum

Udržení konzistentního dlouhodobého-výkonu získávání energie v reálných průmyslových podmínkách je však stále problémem výzkumu.

Efektivita skladování energie.
Protože triboelektrické systémy vytvářejí velmi malé proudy, je velmi nutné mít dobrou elektroniku pro ukládání energie.

Pokud elektronika není správně navržena pro provoz s ultra{0}}nízkým{1}}příkonem, ztráty v nabíjecím obvodu mohou rychle převážit zachycenou energii.

Konektivita průmyslového internetu věcí
Triboelektrická sklizeň má dlouhodobé důsledky mimo ohřívače.

Průmyslová zařízení stále více spoléhají na distribuované snímací sítě, aby:

Prediktivní údržba

Optimalizace procesu

Sledování majetku

Energetický management

Bezpečnostní zařízení

Tradiční nasazení senzorů obvykle trpí:

Náklady na elektroinstalaci

Vyměňte baterii

Extrémní prostředí

Přístup k údržbě

Architektura senzoru s vlastním{0}}napájením může značně usnadnit rozsáhlé-zavádění bezdrátových průmyslových snímacích systémů.

Myšlenka získávání energie přímo z toku procesu je velmi přitažlivá, protože monitorovaný proces současně dodává provozní energii.

Proč je vize stále atraktivní
Úrovně výkonu jsou v tomto bodě malé, ale základní myšlenka je stále docela krásná.

Procesní prostředí již má chemicky inertní PTFE povrch. Tento povrch je již pokryt proudící tekutinou. Pokud dokážeme z této interakce důsledně získávat i malá množství elektrické energie, lze si představit zcela nové třídy autonomních průmyslových zařízení.

Pro: Nejsou potřeba žádné baterie.

Žádné poškození baterie

Žádné náhradní lhůty

Menší přístup k údržbě.

Menší šance na kontaminaci

Jednodušší požadavky na těsnění

Absence vnější kabeláže také snižuje potenciální cesty koroze a složitost instalace.

Tyto výhody jsou zvláště žádoucí v náročných chemických podmínkách.

Závěr:
Koncept snímače triboelektrické energie PTFE ohřívače je velmi slibná technologie budoucnosti, která kombinuje sofistikovanou vědu o materiálech, ultra-nízkoenergetickou-elektroniku a inženýrství průmyslových procesů. Drobná množství elektrického náboje vytvořeného proudící kapalinou by jednoho dne mohla pohánět uzly autonomních bezdrátových senzorů bez baterií nebo externích kabelů, což by využilo přirozené triboelektrické vlastnosti PTFE.

Současné systémy triboelektrických nanogenerátorů jsou stále omezeny na výkon v mikrowattech a implementace ve výzkumné -fáze, ale dlouhodobá vize- je zajímavá. Novým přístupem k průmyslovému monitorování je PTFE ohřívač se samočinným -systémem snímání řízeným ohřívanou kapalinou.

Ale dnes je získávání triboelektřiny z pracovní tekutiny PTFE ohřívače stále konceptem modrého-oblohy, který by nakonec mohl pomoci umožnit rozšířené, bezúdržbové-bezúdržbové snímací sítě v celé připojené továrně. Statická elektřina by jednoho dne mohla pohánět budoucnost průmyslových senzorů.