Какво е бъдещето на събирането на трибоелектрическа енергия от флуиден поток за захранване на PTFE нагревателни сензори?

Добавянето на безжичен температурен сензор към PTFE потопяем нагревател звучи просто на теория. На практика прокарването на кабели през корозивна среда на процеса или смяната на батерии в горещи химически заграждения създава препятствия при поддръжката, проблеми с надеждността и опасности от замърсяване. Но една нова идея за проучване предлага фундаментално различен подход: самата PTFE повърхност да създава електричество за работа на сензора.

Може да възникне трибоелектричество, явление, при което се генерира малък статичен електрически заряд, когато течност преминава през PTFE. Това зареждане, колкото и малко да е, в крайна сметка може да е достатъчно за захранване на джаджи с ултра-ниска мощност. Такъв сценарий може да доведе до-самозахранваща се сензорна платформа, където самият процесен флуид е източник на енергия за безжично наблюдение.

Принципът на работа на трибоелектричния PTFE нагревателен сензор за събиране на енергия е една от най-интересните пресечни точки на напредналата наука за материалите, термичната обработка и индустриалния интернет на нещата.

Трибоелектричният ефект обяснен
Трибоелектричеството е създаването на електрически заряд чрез контакт и разделяне на различни материали.

Трибоелектричната серия е списък от материали, класирани според вероятността да получат или загубят електрони при тези взаимодействия. PTFE се намира в крайния отрицателен край на тази серия и се счита за сред най-електроотрицателните познати вещества.

Когато молекулите на флуида преминават през PTFE повърхност, може да се получи разделяне на заряда на интерфейса. В зависимост от химията на течността, условията на потока и концентрацията на йони, електроните могат да се събират предимно върху PTFE, оставяйки противоположните заряди в течността.

Този непрекъснат контакт води до малък, но постоянен електрически потенциал при условия на поток.

В нормалните индустриални системи такъв статичен заряд често е нежелан и може да се наложи да бъде заземен или разсеян. Но в нови{1}}проучвания за събиране на енергия зарядът се превръща в потенциален източник на енергия.

Как работи трибоелектрическият PTFE сензор за нагревател?
Проектираната система е проста като идея, но напреднала като технология.

PTFE потопяем нагревател ще се състои от:

Имплантиран проводящ електрод.

Верига за събиране на енергия.

Малък кондензатор или суперкондензатор

Сензор с ултра ниска мощност

Безжичен комуникационен модул с ниска консумация на енергия

Докато течността тече върху повърхността на PTFE, трибоелектричен заряд се натрупва върху вградения електрод. Събраният заряд се натрупва стабилно в малък склад за енергия.

След известно време може да генерирате достатъчно енергия, за да захранвате за кратко:

Температурен датчик

Монитор за проводимост

Сензор за условията на процеса

Безжично или Bluetooth предаване с ниска мощност

Течащата течност действа като захранващ кабел на сензора, премахвайки изискването за типично външно захранващо окабеляване.

Трибоелектрични наногенератори и PTFE
Много от тези идеи се основават на устройства, наречени трибоелектрични наногенератори или накратко TENG.

TENG превръща механичното движение или взаимодействието с течност в използваема електрическа енергия чрез трибоелектричен трансфер на заряд и електростатична индукция.

Силното отрицателно трибоелектрическо поведение на системите, базирани на PTFE-, прави материала много подходящ за такива цели.

Трибоелектричен наногенератор може да създаде много високо напрежение при идеални условия, въпреки че наличният ток все още е доста скромен.

Типичните изходни характеристики са:

Високо напрежение

Изключително нисък ток

Прекъснато производство на електроенергия

Микроватни нива на мощност

Този работен профил е лошо съвпадение с конвенционалната електроника, но все по-добро съвпадение с настоящите сензорни технологии с ултра-ниска-мощност.

Защо PTFE е особено привлекателен за събиране на енергия
PTFE е важен в химическите отоплителни системи, защото:

Отлична химическа устойчивост

• Електроизолационни свойства

Термична стабилност

Поведение на незалепващи повърхности-

Вълнуващата мултифункционална перспектива е, че същият материал може също да генерира използваем електрически заряд, когато течност тече върху него.

PTFE нагревателят може да се използва за:

Отоплителен уред

Химически инертен технологичен слой

Електрически непроводник.

Структурен елемент

Източник на захранване за-самозахранващ се сензор

Това сливане на възможности е добре съобразено с по-големите тенденции в интелигентното производство, наблягащо на вградения интелект и разпределеното наблюдение.

Възможни индустриални приложения
След като бъде достатъчно зряла, трибоелектрическата технология за събиране на енергия от PTFE нагревател може да бъде обещаващ кандидат за поддръжка на много индустриални приложения.

Съдове за химическа обработка
Това може да улесни безжичното наблюдение на температурата в силни киселини или разтворители без уязвими прониквания на кабели.

Wet Benchs Semiconductor
Свръх{0}}чистите сензорни възли-без батерии могат да помогнат за справяне с опасенията за замърсяване в строго регулирани индустриални среди.

Отдалечени технологични съоръжения
„С-самозахранващите се сензори могат да бъдат от полза за инсталации, където традиционното окабеляване е скъпо и трудно за поддръжка.

Системи за прогнозна поддръжка
Автономните сензорни мрежи могат постоянно да наблюдават:

Температура на нагревателя

Условия на потока

Вибрации

Надеждност на процеса

контакт с химикали

Сензорният възел събира енергия директно от движението на течността и следователно необходимостта от поддръжка може да бъде значително намалена.

Текущи ограничения на технологията
Технологията е концептуално привлекателна, но все още е предимно в етап на изследване и експериментално развитие.

Много от основните технологични предизвикателства остават неразрешени.

Много ниска консумация на енергия
Съществуващите трибоелектрически комбайни обикновено работят на ниво микроват.

Това ограничение силно ограничава:

Сложност на сензорите

Честота на предаване на данни

Обхват на комуникация

Възможност за наблюдение в реално-време

В много експериментални системи са необходими минути за натрупване на енергия, преди да може да се осъществи еднократно безжично предаване.

Зависимост от характеристиките на флуида
Генерирането на заряд зависи най-вече от:

Химия на течностите

Проводимост (

Йонна концентрация

Скорост на потока

Състояние на повърхността

Някои течности са много по-трибоелектрически активни от други.

Способността му да разделя заряда в не-полярни разтворители и някои йонни разтвори може да бъде по-полезна, отколкото във високопроводими течности.

Стабилност на околната среда
Усложненията в индустриалната среда включват:

Обрастване

Замърсяване на повърхности

Променливост на влагата

Химично разлагане

Електрически шум

Въпреки това поддържането на постоянна дългосрочна-производителност при събиране на енергия при реални индустриални ситуации все още е изследователски проблем.

Ефективност при съхранение на енергия.
Тъй като трибоелектричните системи създават много малки токове, е много необходимо да има добра електроника за съхранение на енергия.

Ако електрониката не е правилно проектирана за работа при ултра-ниска-мощност, загубите във веригата за зареждане могат бързо да надхвърлят уловената енергия.

Свързаността на индустриалния интернет на нещата
Трибоелектрическото събиране има дългосрочни последици отвъд нагревателите.

Индустриалните съоръжения все повече разчитат на разпределени сензорни мрежи за:

Прогнозна поддръжка

Оптимизиране на процеса

Наблюдение на активи

Управление на енергията

Предпазни устройства

Традиционното внедряване на сензори обикновено страда от:

Разходи за окабеляване

Сменете батерията

Екстремни среди

Достъп за поддръжка

Самозахранващата се сензорна архитектура- може значително да улесни широкомащабното-разгръщане на безжични индустриални сензорни системи.

Идеята за извличане на енергия директно от потока на процеса е много привлекателна, тъй като наблюдаваният процес едновременно доставя работната мощност.

Защо визията все още е привлекателна
Нивата на мощност са малки в този момент, но основната идея все още е доста красива.

Процесната среда вече има химически инертна PTFE повърхност. Тази повърхност вече е покрита с течаща течност. Ако можем постоянно да събираме дори малки количества електрическа енергия от това взаимодействие, това прави възможни напълно нови класове автономни индустриални устройства.

Плюсове: Не са необходими батерии.

Няма влошаване на батерията

Без периоди за смяна

Необходим е по-малък достъп до поддръжка.

По-малък шанс за замърсяване

По-лесни изисквания за запечатване

Освен това липсата на външно окабеляване намалява потенциалните пътища на корозия и сложността на монтажа.

Тези предимства са особено желани при тежки химически условия.

Заключение:
Концепцията за трибоелектричен PTFE нагревателен сензор за събиране на енергия е многообещаваща бъдеща технология, съчетаваща усъвършенствана наука за материалите, електроника със свръх-ниска-енергия и инженеринг на индустриални процеси. Малки количества електрически заряд, създаден от течаща течност, биха могли един ден да захранват автономни безжични сензорни възли без батерии или външни кабели, като използват присъщите трибоелектрични характеристики на PTFE.

Настоящите трибоелектрични наногенераторни системи все още са ограничени до микроватни нива на мощност и внедряване-на етап на изследване, но дългосрочната-визия е интригуваща. Нов подход за индустриален мониторинг е PTFE нагревател със само-чувствителна система, управлявана от нагрявания флуид.

Но днес извличането на трибоелектричество от работния флуид на PTFE нагревател все още е концепция за синьо-небе, която в крайна сметка би могла да помогне за разрешаването на широко разпространени сензорни-мрежи без поддръжка в цялата свързана фабрика. Статичното електричество може някой ден да подхрани бъдещето на индустриалните сензори.