위스콘신-매디슨 대학 공학자들이 중국의 연구그룹과 함께 자동차의 회전 타이어 마찰에서 에너지를 수확하는 나노발전기를 개발했다.
재사용 에너지의 혁신적인 방법인 나노발전기는 자동차에서 더 큰 효율을 추출하기 위한 새로운 방법을 자동차 제조업계에 궁극적으로 제공할 수 있다.
연구원들은 저널 나노 에너지에 최근 게재한 논문에서 그들의 발견을 보고했다.
UW-매디슨 재료공학과 부교수인 수동 왕 박사와 그의 PhD 학생인 얀챠오 마오는 약 일 년 동안 이 소자를 연구해 왔다.
나노발전기는 노면과 자동차 바퀴 사이에서 변하는 전기적인 포텐셜로 인한 에너지를 수확하는 마찰전기 효과에 의존한다. 이 마찰전기 효과는 서로 다른 두 물체들의 접촉이나 상호 문지름에 따라 발생하는 전하이다.
왕 교수는 나노발전기가 마찰로 인해 대부분 사라지는 에너지를 얻을 수 있는 훌륭한 방법을 제공하고 있다고 말했다.
타이어와 지면 사이 마찰은 자동차 연료의 약 10퍼센트를 소비한다. 이 에너지는 낭비되고 있어 만약 이런 에너지를 전환할 수 있다면 연료 효율를 매우 획기적으로 개선할 수 있을 것이다.
나노발전지는 타이어의 한 부분에 연결된 전극에 따른다. 타이어 표면의 이 부분이 지면과 접촉할 때, 이 두 표면 사이 마찰은 마찰전기 효과로 알려진 접촉 대전의 한 종류인 전하를 최종적으로 발생시킨다.
초기 시도에서, 왕 교수와 그의 동료들은 이 개념을 시험하기 위해 LED 조명들을 가진 장난감 차를 이용했다. 그들은 이 차의 바퀴들에 전극을 부착하고 이 전극이 지면을 따라 회전하면서, LED 조명이 켜지고 꺼졌다. 마찰에 의해 원인이 된 전자들의 움직임은 마찰에 의해 에너지 소실을 사실상 수집하고 재사용될 수 있는 아이디어로 조명에 전력을 공급할 만큼 충분한 에너지를 발전시킬 수 있었다.
이 에너지가 낭비되고 있음에도 불구하고 이 에너지를 재사용할 수 있으며 이는 자동차의 효율을 증가시킬 것이며 이 부분이 가장 흥미로운 부분이고 현재 자신이 항상 찾고 있는 것, 즉, 에너지 소비를 어떻게 줄일 수 있을까라고 왕 교수가 전했다.
또한 연구원들은 수확된 에너지 양이 자동차의 무게와 속도에 직접 관계된다는 것을 알아냈다. 그러므로, 절약된 에너지 양은 자동차에 따라 변할 수 있지만 50퍼센트 마찰 에너지 전환 효율로 주어진 평균 자동차 가스 연비에서 약 10퍼센트를 향상시킬 수 있을 것으로 계속했다.
왕 교수는 이런 종류의 에너지에 대한 큰 가능성이 있고 이에 따른 영향은 상당할 것이라고 기대하고 있다.
그림 설명: 왕 교수와 그의 동료들은 초기 시도 동안 장난감 차를 이용했다.
참고 자료: Single-electrode triboelectric nanogenerator for scavenging friction energy from rolling tires, Nano Energy, Volume 15, July 2015, Pages 227–234. DOI: 10.1016/j.nanoen.2015.04.026
New nanogenerator harvests power from rolling tires
Group of University of Wisconsin-Madison engineers and a collaborator from China have developed a nanogenerator that harvests energy from a car's rolling tire friction.
An innovative method of reusing energy, the nanogenerator ultimately could provide automobile manufacturers a new way to squeeze greater efficiency out of their vehicles.
The researchers reported their development, which is the first of its kind, in a paper published May 6, 2015, in the journal Nano Energy.
Xudong Wang, the Harvey D. Spangler fellow and an associate professor of materials science and engineering at UW-Madison, and his PhD student Yanchao Mao have been working on this device for about a year.
The nanogenerator relies on the triboelectric effect to harness energy from the changing electric potential between the pavement and a vehicle's wheels. The triboelectric effect is the electric charge that results from the contact or rubbing together of two dissimilar objects.
Wang says the nanogenerator provides an excellent way to take advantage of energy that is usually lost due to friction.
"The friction between the tire and the ground consumes about 10 percent of a vehicle's fuel," he says. "That energy is wasted. So if we can convert that energy, it could give us very good improvement in fuel efficiency."
The nanogenerator relies on an electrode integrated into a segment of the tire. When this part of the tire surface comes into contact with the ground, the friction between those two surfaces ultimately produces an electrical charge-a type of contact electrification known as the triboelectric effect.
During initial trials, Wang and his colleagues used a toy car with LED lights to demonstrate the concept. They attached an electrode to the wheels of the car, and as it rolled across the ground, the LED lights flashed on and off. The movement of electrons caused by friction was able to generate enough energy to power the lights, supporting the idea that energy lost to friction can actually be collected and reused.
"Regardless of the energy being wasted, we can reclaim it, and this makes things more efficient," Wang says. "I think that's the most exciting part of this, and is something I'm always looking for: how to save the energy from consumption."
The researchers also determined that the amount of energy harnessed is directly related to the weight of a car, as well as its speed. Therefore the amount of energy saved can vary depending on the vehicle-but Wang estimates about a 10-percent increase in the average vehicle's gas mileage given 50-percent friction energy conversion efficiency.
"There's big potential with this type of energy," Wang says. "I think the impact could be huge."
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