ایده اصلی؛ از تشدید صوت در بطری تا تولید برق از نویزهای محیطی
برای درک سادهتر این فناوری، میتوان بخش اصلی نانوژنراتور را به یک محفظه تشدیدکننده صدا تشبیه کرد؛ درست مانند زمانی که با دمیدن در دهانه بطری خالی، صدایی تقویتشده تولید میشود.
محققان دانشگاه صنعتی اصفهان از همین اصل فیزیکی برای متمرکز کردن امواج صوتی و افزایش انرژی قابل برداشت استفاده کردهاند. در نتیجه، صداهایی که معمولاً بهعنوان نویز یا آلودگی صوتی شناخته میشوند (مانند صدای ترافیک، ماشینآلات صنعتی و قطارهای پرسرعت) میتوانند به منبعی پایدار برای تولید برق تبدیل شوند.
ساختار هوشمند؛ ترکیب الکترود پارچهای رسانا و رزوناتور هلمهولتز با طراحی ویژه
در این پروژه از دو عنصر کلیدی استفاده شده است:
-
الکترود پارچهای رسانای بافته شده
-
رزوناتور هلمهولتز (Helmholtz Resonator) با طراحی پیشرفته
نتایج پژوهش نشان میدهد که اصلاح سطح محفظه تشدیدکننده و بهبود آببندی آن، موجب افزایش حدود ۱۷۰ درصدی تقویت امواج صوتی در سامانه شده است.
همچنین استفاده از یک غشای انعطافپذیر لاتکسی در انتهای رزوناتور، فرکانس تشدید دستگاه را به کمتر از ۱۰۰ هرتز منتقل کرده و از طریق تقویت برهمکنش میان امواج صوتی و ساختار مکانیکی، افزایش حدود ۶۷۰ درصدی ولتاژ خروجی را به همراه داشته است.
نتایج شگفتانگیز عملکرد؛ ولتاژ ۴۱۲ ولت و روشن شدن ۲۹۰ LED
نمونه بهینهشده این سامانه برداشت انرژی صوتی توانست به عملکرد زیر دست یابد:
-
ولتاژ مدار باز: ۴۱۲ ولت
-
جریان اتصال کوتاه: ۴۱.۲ میکروآمپر
-
بار انتقالی: ۸۱.۱ نانوکولن
-
بیشینه چگالی توان سطحی: ۴.۶۶ وات بر متر مربع
🔹 این دستگاه قادر است بهطور مستقیم ۲۹۰ دیود نوری (LED) را روشن کند.
🔹 همچنین میتواند خازنهایی با ظرفیتهای مختلف را شارژ نماید.
پایداری فوقالعاده در شرایط محیطی سخت
بررسی عملکرد این نانوژنراتور تریبوالکتریک در شرایط گوناگون نشان داد:
-
در رطوبت نسبی ۸۰ درصد، ولتاژ مدار باز همچنان در سطح مطلوب حفظ میشود.
-
آزمایشهای دوام، عملکرد پایدار در بیش از ۳ میلیون چرخه کاری را بدون افت محسوس خروجی تأیید کردند.
این ویژگیها، فناوری مذکور را برای استفاده در محیطهای صنعتی و واقعی بسیار مناسب میسازد.
کاربردهای گسترده؛ از اینترنت اشیا (IoT) تا دیوارهای جاذب انرژی صوتی
به گفته پژوهشگران دانشگاه صنعتی اصفهان، این دستاورد یک چارچوب جدید برای افزایش بهرهوری سامانههای برداشت انرژی صوتی فراهم میکند. کاربردهای بالقوه این فناوری عبارتند از:
-
✅ تأمین انرژی تجهیزات الکترونیکی کممصرف
-
✅ سامانههای خودتأمین توان (Self-powered systems)
-
✅ حسگرهای هوشمند و اینترنت اشیا (IoT)
-
✅ برداشت انرژی از نویزهای صنعتی
-
✅ سامانههای حملونقل ریلی و قطارهای پرسرعت
-
✅ تجهیزات مکانیکی و سیستمهای تهویه
-
✅ دیوارهای جاذب و بازیاب انرژی صوتی
-
✅ سامانههای پایش محیطی
اعتبار علمی؛ انتشار در Nano Energy با ضریب تأثیر ۱۷.۱
این پژوهش با عنوان:
«Helmholtz-Resonator Triboelectric Nanogenerator with Trapezoidal Neck and Flexible End-Sealing for Enhanced Low-Frequency Acoustic Energy Harvesting»
در مجله Nano Energy (یکی از معتبرترین ژورنالهای حوزه نانوانرژی) منتشر شده است.
تیم تحقیقاتی:
-
راهنما: پرهام سلطانی و محسن شنبه (هیئت علمی مهندسی نساجی)
-
مشاوران: علی لقمانی و سعید ضیاییراد (هیئت علمی مهندسی مکانیک)
-
محقق اصلی: فاطمه ایراننژاد (دانشجوی کارشناسی ارشد)
جمعبندی؛ گامی مؤثر به سوی سامانههای الکترونیکی خودتأمین توان
این دستاورد نشان میدهد که انرژی صوتی محیط که امروزه عمدتاً بهعنوان آلودگی صوتی هدر میرود، میتواند به منبعی ارزشمند برای تولید برق تبدیل شود. فناوری نانوژنراتور تریبوالکتریک طراحیشده در دانشگاه صنعتی اصفهان، یک راهکار عملی و پایدار برای تأمین انرژی تجهیزات هوشمند آینده ارائه میدهد.
