Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí development of liquid solid triboelectric nanogenerators towards low frequency mechanical harvesting

Nghiên cứu phát triển máy phát điện triboelectric nano thể lỏng rắn nhằm thu hoạch năng lượng cơ học tần số thấp trong kỹ thuật cơ khí.

• Tác giả: Le Chau Duy
• Người hướng dẫn: Professor Kyoung Kwan Ahn
• Trường học: University of Ulsan
• Chuyên ngành: Mechanical Engineering
• Đề tài: Nghiên Cứu Phát Triển Nanogenerator Triboelectric Lỏng-Rắn Cho Thu Hoạch Năng Lượng Cơ Học Tần Số Thấp
• Loại tài liệu: dissertation
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Ulsan

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VÀ TỔNG QUAN
• 1.1. Nguyên lý cơ bản của TENG
• 1.1.1. Nguồn gốc của hiện tượng ma sát tích điện
• 1.1.2. Lý thuyết nguyên lý và mô hình toán học của TENG
• 1.1.3. Cơ chế làm việc và các chế độ vận hành của TENG
• 1.1.4. Các ứng dụng tiềm năng của TENG
• 1.2. Tổng quan ban đầu về TENG lỏng-rắn
• 1.3. Động lực và mục tiêu nghiên cứu
• 1.4. Bố cục của luận án
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN NANO MA SÁT LỎNG-RẮN: CƠ SỞ LÝ THUYẾT, CẤU TRÚC VÀ ỨNG DỤNG
• 2.1. Cơ sở lý thuyết về ma sát tích điện lỏng-rắn
• 2.2. Cơ chế hoạt động của máy phát điện nano ma sát lỏng-rắn
• 2.3. Thiết kế cấu trúc của máy phát điện nano ma sát lỏng-rắn
• 2.3.1. TENG dựa trên giọt chất lỏng
• 2.3.2. TENG dựa trên khối chất lỏng
• 2.3.3. TENG chứa chất lỏng
• 2.4. Các ứng dụng của TENG lỏng-rắn
• 2.4.1. Nguồn cấp điện vi mô/nano
• 2.4.2. Cảm biến tự cấp nguồn chủ động
• 2.4.3. Mạng lưới TENG lỏng-rắn thu nhận năng lượng biển
• 3. CHƯƠNG 3: PHÁT TRIỂN VÀ PHÂN TÍCH MÁY PHÁT ĐIỆN NANO MA SÁT LỎNG-RẮN DẠNG XOAY CHUYỂN MẠCH CHO HỆ THỐNG GIÁM SÁT XE
• 3.1. Chế tạo RSW-TENG
• 3.2. Kết quả và thảo luận
• 3.2.1. Hoạt động cơ bản và cơ chế làm việc của RSW-TENG
• 3.2.2. Hiệu suất đầu ra của RSW-TENG
• 3.2.3. RSW-TENG ứng dụng làm thiết bị giám sát phương tiện
• 4. CHƯƠNG 4: PHÁT TRIỂN VÀ PHÂN TÍCH MÁY PHÁT ĐIỆN NANO MA SÁT LỎNG-RẮN CẤU TRÚC ĐỐI XỨNG TỎA TRÒN THU NHẬN NĂNG LƯỢNG CƠ HỌC
• 4.1. Chế tạo màng xốp nano PVDF
• 4.2. Chế tạo DCR-TENG
• 4.3. Kết quả và thảo luận
• 4.3.1. Đặc tính của màng xốp nano PVDF
• 4.3.2. Nguyên lý hoạt động của DCR-TENG đơn cell
• 4.3.3. Hiệu suất đầu ra của DCR-TENG đơn cell
• 4.3.4. Hiệu suất đầu ra của DCR-TENG đa cell
• 5. CHƯƠNG 5: PHÁT TRIỂN VÀ PHÂN TÍCH MÁY PHÁT ĐIỆN NANO MA SÁT LỎNG-RẮN DẪN ĐỘNG BỞI DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA CHO ĐẦU VÀO KÍCH THÍCH NGẮT QUÃNG
• 5.1. Chế tạo TENG dạng xoay
• 5.2. Chế tạo bộ chỉnh lưu chuyển động cơ học
• 5.3. Kết quả và thảo luận
• 5.3.1. Nguyên lý hoạt động của IKER
• 5.3.2. Hiệu suất của IKER dưới tác động lực thẳng đứng
• 5.3.3. Hiệu suất của IKER dưới tác động lực nằm ngang
• 5.3.4. Thử nghiệm trình diễn IKER dưới kích thích ngắt quãng thực tế
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO
• 6.1. Tóm tắt và kết luận
• 6.2. Đề xuất cho các nghiên cứu tiếp theo

Tóm tắt

I. Giới thiệu và Bối cảnh Chung

Nhu cầu năng lượng toàn cầu trong những thập kỷ qua đã tăng mạnh do sự gia tăng dân số và các hoạt động của con người. Việc khai thác năng lượng từ môi trường xung quanh trở thành một giải pháp khả thi để thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống. Nanogenerator triboelectric (TENG) đã được giới thiệu như một công nghệ tiềm năng cho việc thu hoạch năng lượng cơ học. Đặc biệt, nanogenerator lỏng-rắn có khả năng khai thác năng lượng từ các chuyển động cơ học tần số thấp, điều này mở ra nhiều cơ hội cho ứng dụng trong thực tiễn.

II. Nguyên lý và Cơ chế Hoạt động của TENG

Nguyên lý hoạt động của TENG dựa trên hiện tượng triboelectric, trong đó hai vật liệu tiếp xúc và tách rời nhau sẽ tạo ra điện tích. Cấu trúc của nanogenerator lỏng-rắn cho phép khai thác hiệu quả năng lượng từ các chuyển động như sóng nước và dòng chảy. Việc thiết kế cấu trúc hợp lý giúp tối ưu hóa hiệu suất thu hoạch năng lượng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, hiệu suất thu hoạch có thể được cải thiện thông qua việc áp dụng các công nghệ tiên tiến trong thiết kế và vật liệu.

III. Phát triển và Phân tích Các Mô Hình TENG Lỏng Rắn

Nghiên cứu đã phát triển một số mô hình TENG lỏng-rắn để thu hoạch năng lượng từ chuyển động cơ học tần số thấp. Một trong những mô hình đáng chú ý là TENG chế độ xoay, cho phép thu thập năng lượng từ các chuyển động quay và phát hiện độ dốc của đường. Mô hình này không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn mở rộng khả năng ứng dụng trong các hệ thống giám sát phương tiện. Các kết quả thực nghiệm cho thấy tích trữ năng lượng từ các mô hình này có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử nhỏ.

IV. Ứng Dụng của TENG Lỏng Rắn trong Thực Tiễn

TENG lỏng-rắn có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực như cảm biến tự động, hệ thống thu hoạch năng lượng xanh và các thiết bị điện tử tự cấp nguồn. Việc phát triển các cảm biến tự cấp nguồn từ TENG có thể giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng bên ngoài, đồng thời tạo ra các giải pháp bền vững cho các vấn đề năng lượng hiện tại. Năng lượng tái tạo từ TENG có thể được tích hợp vào các hệ thống năng lượng hiện có để cải thiện hiệu suất và giảm thiểu tác động đến môi trường.

V. Kết luận và Hướng phát triển trong Tương lai

Nghiên cứu về nanogenerator triboelectric lỏng-rắn đã chỉ ra rằng công nghệ này có thể đóng góp đáng kể vào việc thu hoạch năng lượng cơ học tần số thấp. Từ việc cải thiện hiệu suất thu hoạch đến việc mở rộng khả năng ứng dụng, TENG lỏng-rắn hứa hẹn sẽ mang lại nhiều lợi ích cho xã hội. Hướng phát triển trong tương lai cần tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế và vật liệu, cũng như nghiên cứu sâu hơn về các ứng dụng thực tiễn của công nghệ này.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Bối cảnh chuyển dịch năng lượng toàn cầu đang chứng kiến sự xung đột gay gắt giữa nhu cầu tiêu thụ năng lượng sơ cấp không ngừng gia tăng—với nhiên liệu hóa thạch chiếm tới 85% tổng tiêu thụ toàn cầu dẫn đến suy thoái môi trường và biến đổi khí hậu—và yêu cầu cấp thiết về các nguồn năng lượng bền vững phi tập trung. Trong kỷ nguyên vạn vật kết nối (Internet of Things - IoT), việc duy trì nguồn điện liên tục cho hàng tỷ thiết bị cảm biến phân tán với mức tiêu thụ từ $\mu\text{W}$ đến $\text{mW}$ đặt ra bài toán công nghệ nan giải. Máy phát điện nano ma sát (Triboelectric Nanogenerator - TENG), phát minh tiên phong dựa trên hiệu ứng ghép nối giữa hiện tượng nhiễm điện tiếp xúc (contact electrification) và cảm ứng tĩnh điện (electrostatic induction), đã nổi lên như một giải pháp đột phá. Mặc dù TENG tiếp xúc rắn - rắn đã đạt được nhiều tiến bộ, nhưng sự suy giảm hiệu suất do mài mòn bề mặt cơ học và tính nhạy cảm với độ ẩm môi trường vẫn là điểm nghẽn nghiêm trọng. Luận án tiến sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí tại Đại học Ulsan (Hàn Quốc) của nghiên cứu sinh Lê Châu Duy dưới sự hướng dẫn của Giáo sư Kyoung Kwan Ahn đã giải quyết triệt để vấn đề này thông qua công trình: "Phát triển máy phát điện nano ma sát tiếp xúc lỏng - rắn hướng tới thu nhận năng lượng cơ học tần số thấp" (Development of Liquid-Solid Triboelectric Nanogenerators Towards Low-Frequency Mechanical Energy Harvesting).

Nhu cầu năng lượng IoT phân tán (μW - mW)
   Hạn chế của TENG rắn - rắn truyền thống
   (Mài mòn cơ học, nhạy cảm độ ẩm, cản trở tần số thấp)
   PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG TENG TIẾP XÚC LỎNG - RẮN (L-S TENG)
   Thu hồi năng lượng cơ học tần số thấp (< 2 Hz) & Tự cấp nguồn

Khoảng trống nghiên cứu then chốt (research gap) nằm ở chỗ: hầu hết các nghiên cứu về TENG lỏng - rắn trước đây tập trung vào động năng quy mô lớn như sóng biển (blue energy) hay giọt nước mưa, mà bỏ qua các chuyển động cơ học tần số thấp ($< 2\text{ Hz}$), biên độ dao động bất thường và ngắt quãng vốn tồn tại phổ biến trong hoạt động của con người và máy móc công nghiệp. Luận án đặt ra ba câu hỏi nghiên cứu và giả thuyết tương ứng:

• RQ1: Làm thế nào để loại bỏ xung dòng điện xoay chiều hai chiều và tối ưu hóa mật độ công suất tức thời trong hệ thống TENG quay lỏng - rắn?
  Giả thuyết H1: Cơ chế chuyển mạch ngắt quãng (switched-mode) kết hợp phân bố điện cực bán nguyệt sẽ cho phép tích lũy điện tích tĩnh và phóng điện định hướng một chiều (unidirectional current spike).
• RQ2: Cấu trúc vật liệu điện môi xốp nano và sự đồng bộ hình học đối xứng tâm có thể nâng cao công suất đầu ra như thế nào?
  Giả thuyết H2: Cấu trúc màng xốp nano Polyvinylidene fluoride (PVDF) làm tăng diện tích tiếp xúc hiệu dụng lỏng - rắn, kết hợp cấu trúc đối xứng tâm 6 tế bào sẽ đồng bộ hóa dòng chuyển dịch điện tích, nâng cao công suất tức thời lên gấp nhiều lần so với cấu trúc dẫn liên tục (continuous conduction).
• RQ3: Phương pháp cơ học nào có thể chuyển đổi kích thích xung ngẫu nhiên tần số thấp thành chuyển động quay liên tục hiệu quả cho TENG lỏng - rắn?
  Giả thuyết H3: Sự tích hợp giữa bộ dao động điều hòa (harmonic oscillator) và bộ chỉnh lưu chuyển động cơ học (mechanical motion rectifier - MMR) sẽ chuyển đổi dao động điều hòa suy giảm thành chuyển động quay một chiều liên tục, kéo dài đáng kể chu kỳ phát điện từ một lần kích thích đơn lẻ.

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết dòng điện dịch chuyển Maxwell mở rộng (expanded Maxwell’s displacement current) và mô hình lớp điện kép lai hai bước (hybrid Electric Double Layer - EDL) của Z.L. Wang. Phạm vi thực nghiệm bao gồm việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm nghiêm ngặt các mẫu thử nghiệm với chất lỏng làm việc là nước khử ion (DI water), màng điện môi Polytetrafluoroethylene (PTFE) và PVDF xốp nano, được đo kiểm động lực học từ dải tần số siêu thấp $0{,}25\text{ Hz}$ đến $2\text{ Hz}$, kiểm chứng độ bền trên $12.000$ chu kỳ hoạt động liên tục.

---

Literature Review và Positioning

Cơ sở lý thuyết về hiện tượng nhiễm điện tiếp xúc lỏng - rắn đã trải qua bước chuyển biến mang tính lịch sử. Trong hơn một thế kỷ, các lý thuyết điện hóa kinh điển (như Helmholtz, Gouy-Chapman và Stern) đều đồng thuận rằng sự hấp phụ ion (ion adsorption) là cơ chế duy nhất dẫn đến sự tích điện tại giao diện tiếp xúc giữa dung dịch điện ly và chất rắn. Tuy nhiên, các nghiên cứu mang tính bước ngoặt gần đây của Z.L. Wang và cộng sự (2019, 2021) đã chứng minh rằng chuyển dịch electron (electron transfer) đóng vai trò nền tảng và chiếm ưu thế tuyệt đối trong việc hình thành lớp điện kép ban đầu, được mô tả qua mô hình thế giếng đám mây electron (electron-cloud-well-potential model hay "Wang transition model").

Mô hình hai bước hình thành lớp điện kép (EDL) tại giao diện Lỏng - Rắn:

Bước 1: Chuyển dịch Electron & Hấp phụ Ion
[Chuyển dịch electron chiếm ưu thế khi góc tiếp xúc θ > 90°]
Bước 2: Tụ tập Ion tự do & Cân bằng tĩnh điện

Tổng quan y văn phân định rõ hai luồng quan điểm đối lập:

1. Trường phái điện hóa truyền thống (Classic Electrochemical Adsorption): Cho rằng điện tích giao diện hoàn toàn xuất phát từ sự dịch chuyển các cation/anion trong nước và sự phân ly nhóm chức bề mặt.
2. Trường phái vật lý lượng tử và tiếp xúc bề mặt hiện đại (Wang's Electron Transfer Paradigm): Khẳng định sự chồng phủ đám mây electron ở khoảng cách tiếp xúc nguyên tử là động lực chính tạo ra điện tích bề mặt nguyên thủy, sau đó các ion tự do trong dung dịch mới bị hút về để tạo nên lớp khuếch tán. Nghiên cứu của Wang (2020) chỉ ra rằng khi bề mặt có góc tiếp xúc nước (water contact angle) lớn hơn $90^\circ$ (bề mặt kỵ nước), tỷ lệ chuyển dịch electron trên ion ($E/I$) tăng vọt, xác lập vai trò vượt trội của chuyển dịch electron.

Về mặt thiết kế cấu trúc thu hồi năng lượng, các nghiên cứu quốc tế đã phát triển nhiều dạng TENG lỏng - rắn:

• Dạng giọt nước (Droplet-based TENG): Liang et al. (2016) phát triển màng trong suốt đa đơn vị MT-TENG thu năng lượng mưa; Zhang et al. (2018) tích hợp máy phát thủy lực H-TENG với siêu tụ sợi FSCs; Yun et al. (2017) ứng dụng hệ điện cực răng lược (interdigital electrodes - IDE) để tăng xung dòng điện. Tuy nhiên, nhược điểm chí mạng của hệ giọt nước là phụ thuộc hoàn toàn vào thời tiết ngẫu nhiên và mật độ năng lượng trên một đơn vị thể tích rất thấp.
• Dạng dòng chất lỏng khối (Bulk liquid-based TENG): Jiang et al. (2019) chế tạo bánh xe nước ww-TENG trên sông chảy chậm; Liu et al. (2019) thiết kế điện cực chữ $\bar{\text{U}}$ để thu năng lượng sóng biển; Zhao et al. (2018) phát triển mạng tích hợp NI-TENG với mảng chỉnh lưu cầu cấp nguồn cho bộ phát không dây ($5{,}8\text{ V}$, $10\text{ mW}$). Tuy nhiên, các hệ thống mở này đối mặt với nguy cơ bay hơi chất lỏng, nhiễm bẩn hóa học và rêu mốc sinh học (biofouling).
• Dạng chất lỏng đóng kín (Liquid-filled TENG): Cấu trúc ống nước đa chế độ WT-TENG (2021) hay gậy lắc MSW-TENG (2022) đã khắc phục được sự bay hơi nhưng gặp phải trở kháng tải cao và không thể đồng bộ hóa hiệu quả năng lượng từ các chuyển động ngẫu nhiên tần số thấp.

Luận án của Lê Châu Duy đã định vị chính xác vị trí tiên phong bằng việc chuyển dịch từ cấu trúc hở sang cấu trúc đóng kín hoàn toàn (liquid-filled sealed systems), đồng thời đột phá về mặt cơ chế điện tử - cơ học: thay thế phương thức phóng điện liên tục bằng phương thức chuyển mạch gián đoạn (discontinuous conduction/switched-mode) kết hợp cấu trúc chỉnh lưu động học (MMR). Đóng góp này giải quyết đồng thời bài toán suy giảm điện tích do rò rỉ và hiện tượng lệch pha trở kháng trong các chuyển động tần số thấp dưới $2\text{ Hz}$.

---

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án mở rộng trực tiếp ba khung lý thuyết vật lý cốt lõi:

1. Lý thuyết dòng điện dịch chuyển Maxwell mở rộng (Expanded Maxwell's Displacement Current Theory) do Z.L. Wang đề xuất năm 2019: Mật độ dòng điện dịch chuyển được biểu diễn qua phương trình: $$J_D = \frac{\partial D}{\partial t} = \varepsilon \frac{\partial E}{\partial t} + \frac{\partial P_s}{\partial t}$$ Trong đó, số hạng thứ hai $\frac{\partial P_s}{\partial t}$ đại diện cho sự biến thiên theo thời gian của phân cực bề mặt do điện tích ma sát lỏng - rắn gây ra. Luận án đã cụ thể hóa mô hình toán học của $P_s$ trong điều kiện tiếp xúc động học kín với chất lỏng dao động tự do.
2. Mô hình tương đương điện dung biến thiên tĩnh điện: Điện thế mạch hở $V$ được xác lập dựa trên mô hình: $$V = -\frac{1}{C(z)}Q + V_{oc}(z)$$ Đối với cấu trúc RSW-TENG, luận án đã xây dựng phương trình giải tích chính xác liên hệ giữa điện thế đầu ra $V_0$ và góc pha tiếp xúc $\theta$: $$V_0 = \frac{\sigma \pi r^2}{2C}$$ với điện dung trạng thái dẫn $C$ được xác định bởi: $$C = \frac{\varepsilon_0 \varepsilon_r r^2}{2\pi d}(\pi \theta - \theta^2)$$ Phương trình này chứng minh mối quan hệ tỷ lệ nghịch phi tuyến giữa điện áp đầu ra và góc pha, thiết lập cơ sở toán học thuần túy cho cảm biến độ dốc tự cấp nguồn.
3. Mô hình chuyển tiếp electron Wang (Wang Transition Model): Luận án củng cố mô hình thế giếng electron thông qua việc chứng minh rằng việc sử dụng màng PTFE và PVDF kỵ nước cao giúp duy trì rào cản thế bề mặt $E_2$, ngăn chặn sự tái phát xạ nhiệt của electron trở lại pha lỏng.

Khung Phân Tích Độc Đáo Tích Hợp Đa Tầng Của Luận Án:

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp ba trụ cột: Động lực học chất lưu tự do bên trong vỏ kín (internal fluid dynamics), Nhiễm điện tiếp xúc điện môi kỵ nước và Động học chỉnh lưu cơ điện. Các điều kiện biên xác định rõ:

• Tốc độ quay kích thích giới hạn trong dải tần số thấp từ $0{,}25\text{ Hz}$ đến $2\text{ Hz}$ để đảm bảo thể tích nước không bị phân tán do lực ly tâm mà duy trì trạng thái ổn định dưới tác dụng của trọng lực.
• Thể tích nước khử ion được cố định chính xác ở mức $50%$ dung tích hình trụ để phủ kín hoàn toàn một điện cực bán nguyệt ở trạng thái nằm ngang.

---

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Luận án tuân thủ chặt chẽ thế giới quan thực chứng (positivism) với phương pháp tiếp cận định lượng thực nghiệm đa tầng (multi-level empirical experimental design). Các cấp độ nghiên cứu được cấu trúc từ đặc tính hóa vật liệu cấp độ micro/nano, phân tích động học tế bào đơn lẻ (single-cell dynamics), đến đồng bộ hóa hệ thống đa tế bào tích hợp (multi-cell integrated systems).

Sơ đồ thiết kế và bố trí thực nghiệm đo kiểm hệ thống:

       [Đo Dòng & Điện Áp Đầu Ra]                                                  [Đo Tích Lũy Điện Tích]
  - Tiền khuếch đại SRS SR570 (Low-noise)                                    - Đồng hồ tĩnh điện Keithley 6517B
  - Đồng hồ vạn năng số Keithley DMM7510                                     - Tụ điện tiêu chuẩn (10 μF - 470 μF)
  - Tải biến trở ngoài (1 kΩ - 1 GΩ)                                         - Mạch giám sát Arduino Mega

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình chế tạo và thực nghiệm được tiến hành theo các tiêu chuẩn vật lý chính xác:

• Chế tạo màng xốp nano PVDF: Sử dụng phương pháp chuyển pha nhiệt ẩm để tạo cấu trúc xốp nano. Bề mặt vật liệu được kiểm tra hình thái qua kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) và kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), cho thấy độ nhám vượt trội và góc tiếp xúc nước $> 90^\circ$ so với màng PVDF nguyên bản.
• Chế tạo cơ khí RSW-TENG và DCR-TENG: Trục xoay acrylic đường kính $90\text{ mm}$, chiều sâu $12\text{ mm}$. Hai điện cực đồng bán nguyệt bán kính $r = 43\text{ mm}$ với khe hở cách điện $2\text{ mm}$. Màng PTFE dày $d$ được dán phủ kín bề mặt điện cực trước khi nạp nước DI.
• Bộ IKER: Kết hợp cơ cấu cân bằng trọng lực (Gravity-Balancing - GB) sử dụng đòn bẩy lò xo cho lực tác động thẳng đứng và cơ cấu con lắc phẳng (Planar Pendulum - PP) cho lực tác động ngang, kết nối qua bộ ly hợp một chiều (one-way clutch) của bộ chỉnh lưu cơ học MMR.

Data và phân tích

Hệ thống thiết bị đo kiểm tín hiệu điện cao cấp bao gồm:

• Thiết bị tiền khuếch đại dòng điện độ nhiễu thấp: Stanford Research Systems SR570 (USA).
• Đồng hồ vạn năng kỹ thuật số tốc độ cao: Keithley DMM7510 (USA) đo điện áp thời gian thực với điện trở tải trong $20\text{ M}\Omega$.
• Đồng hồ đo tĩnh điện: Keithley 6517B (USA) phân tích điện lượng truyền ($Q_{tr}$).
• Hệ thống vi điều khiển: Arduino Mega kết hợp driver Motorbank DMD-400 (Korea) và động cơ DC Geared Motor (GB37Y3530-12V-90EN) điều khiển tốc độ góc chính xác.
• Kiểm tra độ vững chắc (Robustness checks): Đo kiểm liên tục với các dải biến trở ngoài từ $1\text{ k}\Omega$ đến $1\text{ G}\Omega$, tính toán mật độ công suất tức thời và kiểm tra độ ổn định theo thời gian.

---

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

Luận án mang lại 4 phát hiện thực nghiệm mang tính đột phá:

Hệ thống TENG	Tần số / Điều kiện kích thích	Điện áp đỉnh ($V_{peak}$)	Dòng điện đỉnh ($I_{peak}$)	Mật độ công suất / Hiệu năng	Ứng dụng thực nghiệm đã chứng minh
RSW-TENG	$1{,}25\text{ Hz}$, góc pha $0^\circ$, tải $20\text{ M}\Omega$	$1{,}78\text{ V} - 1{,}82\text{ V}$	Dạng xung nhọn đơn hướng	Ổn định qua hàng nghìn chu kỳ	Cảm biến độ dốc đường ray ($10^\circ, 20^\circ, 30^\circ$) & Tốc độ bánh xe
DCR-TENG (6-cell)	Dải tần $< 2\text{ Hz}$, màng PVDF xốp	Xung đồng bộ đa cực	Tăng gấp nhiều lần CCR-TENG	Công suất tức thời cực đại tại $20\text{ M}\Omega$	Thắp sáng dãy LED nối tiếp, cấp nguồn cảm biến nhiệt - ẩm
GB-IKER (Lực dọc)	Va chạm cứng/mềm từ bước chân người	Điện áp cao ổn định	Tích phóng điện tức thời	Chuyển đổi $100%$ xung lực thành quay 1 chiều	Tự nạp tụ điện, cấp nguồn hệ thống đèn báo bước chân
PP-IKER (Lực ngang)	Dao động con lắc từ thanh chắn barrier	Tín hiệu duy trì kéo dài	Dòng điện duy trì liên tục	Tối ưu hóa chuyển đổi thế năng - động năng	Cấp nguồn cảm biến không dây theo dõi dữ liệu qua Smartphone

1. Cơ chế xung dòng điện đơn hướng độc lập với chiều quay (RSW-TENG): Dữ liệu thực nghiệm xác nhận tại góc pha $0^\circ$ và tốc độ quay $1{,}25\text{ Hz}$, thiết bị tạo ra điện áp đỉnh $1{,}78\text{ V}$ với dạng sóng xung nhọn đơn hướng (unidirectional spike waveform). Nhờ bố trí chổi quét đối xứng, dạng sóng và biên độ dòng điện hoàn toàn đồng nhất dù quay theo chiều kim đồng hồ (CW) hay ngược chiều kim đồng hồ (CCW).
2. Khắc phục hoàn toàn hiện tượng suy giảm điện áp do điện trở tải: Theo phương trình lý thuyết, điện áp cực đại tỷ lệ thuận với mật độ điện tích ma sát tích lũy mà không phụ thuộc vào điện trở ngoài, thực nghiệm chứng minh biên độ điện áp duy trì gần như không đổi trong khoảng $1{,}82\text{ V}$ khi biến trở thay đổi từ dải thấp lên dải cao.
3. Đột phá công suất tức thời nhờ cấu trúc xốp nano và chuyển mạch đối xứng (DCR-TENG): So sánh đối chứng trực tiếp giữa chế độ dẫn gián đoạn (DCR-TENG) và chế độ dẫn liên tục (Continuous-Conduction Rotational TENG - CCR-TENG) cho thấy DCR-TENG đạt mật độ công suất tức thời vượt trội ở điện trở $20\text{ M}\Omega$. Thiết bị 6 tế bào hoạt động ổn định tuyệt đối sau $12.000$ chu kỳ thử nghiệm liên tục mà không có dấu hiệu suy thoái vật liệu.
4. Kéo dài chu kỳ phát điện từ kích thích xung đơn lẻ (IKER): Bộ chỉnh lưu MMR kết hợp bộ dao động điều hòa đã hấp thụ hoàn toàn xung lực ngẫu nhiên (va chạm bước chân hoặc va đập cơ học), chuyển hóa thành thế năng đàn hồi/thế năng trọng trường và giải phóng chậm dần dưới dạng chuyển động quay một chiều, giúp thiết bị duy trì hoạt động phát điện trong nhiều giây sau khi xung lực kích thích đã kết thúc.

So sánh cơ chế vận hành: CCR-TENG (Truyền thống) vs DCR-TENG (Luận án):

CCR-TENG (Dẫn liên tục):

DCR-TENG (Chuyển mạch ngắt quãng):

Implications đa chiều

• Về mặt lý thuyết: Cung cấp bằng chứng thực nghiệm củng cố mô hình chuyển tiếp electron Wang tại giao diện lỏng - chất điện môi cao phân tử; giải thích chi tiết động học tích phóng điện tích trong hệ thống chuyển mạch cưỡng bức.
• Về phương pháp luận: Thiết lập quy trình chuẩn hóa trong việc tích hợp cơ cấu chỉnh lưu chuyển động cơ học (MMR) với máy phát điện nano, mở ra phương pháp tiếp cận mới cho các hệ thống thu hồi năng lượng tần số thấp.
• Về ứng dụng thực tiễn: Minh chứng khả năng tự cấp nguồn hoàn chỉnh cho các nút cảm biến IoT công nghiệp, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm, và hệ thống giám sát an toàn giao thông thời gian thực (real-time vehicle monitoring system).

---

Limitations và Future Research

Luận án thừa nhận một cách khách quan các giới hạn nghiên cứu:

• Giới hạn tốc độ góc và phân tán chất lỏng: Khi tần số kích thích vượt quá $2\text{ Hz}$ (thực nghiệm tại $1{,}75\text{ Hz}$ và $2\text{ Hz}$), lực ly tâm làm khối nước phân tán bám vào thành ống thay vì duy trì một khối tĩnh tại đáy, làm suy giảm diện tích tiếp xúc hiệu dụng và biến dạng tín hiệu điện.
• Hiện tượng mài mòn cơ học tại tiếp điểm chổi quét: Dù giao diện lỏng - rắn hoàn toàn không bị mài mòn, hệ thống chổi quét cơ học (mechanical brush switch) vẫn chịu ma sát cơ học rắn - rắn sau hàng triệu chu kỳ, đòi hỏi giải pháp chuyển mạch không tiếp xúc (contactless switching).
• Ranh giới điều kiện môi trường: Các thử nghiệm chủ yếu tiến hành với nước DI ở nhiệt độ phòng; ảnh hưởng của nồng độ muối cao, sự thay đổi độ nhớt chất lỏng và dao động nhiệt độ cực đoan chưa được mô hình hóa toàn diện.

Chương trình nghiên cứu tương lai đề xuất 4 định hướng:

1. Nghiên cứu chuyển mạch từ tính hoặc chuyển mạch quang điện không tiếp xúc để nâng tuổi thọ hệ thống lên mức vô hạn.
2. Tích hợp chất lỏng ion (ionic liquids) hoặc dung dịch nano (nanofluids) có độ dẫn và hằng số điện môi cao nhằm tối ưu hóa mật độ điện tích bề mặt $\sigma$.
3. Thiết kế mạch tích hợp quản lý năng lượng (PMM) siêu nhỏ gọn chuyên dụng trên chip silicon.
4. Mở rộng quy mô thử nghiệm thực địa trên xe tự hành và phao quan trắc hải dương học thực tế.

---

Tác động và ảnh hưởng

• Tác động học thuật: Định hình lại hướng tiếp cận nghiên cứu TENG lỏng - rắn toàn cầu, chuyển trọng tâm từ các nguồn năng lượng quy mô lớn sang các nguồn kích thích cơ học ngẫu nhiên tần số thấp. Ước tính các công bố từ luận án tạo ra chỉ số trích dẫn cao trong các tạp chí hàng đầu như Nano Energy, Advanced Energy Materials, và IEEE Transactions on Industrial Electronics.
• Chuyển đổi công nghiệp: Tạo đột phá cho ngành công nghiệp chế tạo thiết bị IoT tự hành, công nghiệp ô tô thông minh và hệ thống cảm biến giám sát kết cấu hạ tầng giao thông mà không cần bảo trì định kỳ thay pin.
• Lợi ích xã hội và môi trường: Giảm thiểu việc thải bỏ hàng tỷ viên pin hóa học độc hại ra môi trường mỗi năm, đóng góp thiết thực vào mục tiêu phát triển bền vững (SDGs) của Liên Hợp Quốc về năng lượng sạch và hành động vì khí hậu.

---

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh & Nhà khoa học: Tiếp cận mô hình toán học hoàn chỉnh về điện dung biến thiên và lý thuyết dòng điện dịch chuyển trong hệ thống chuyển mạch lỏng - rắn; khai thác các khoảng trống nghiên cứu về chất lỏng dẫn điện phi tuyến.
• Kỹ sư R&D công nghiệp: Ứng dụng bản vẽ thiết kế, thông số chế tạo màng xốp nano PVDF và cơ cấu chỉnh lưu MMR để thương mại hóa các module cảm biến tự cấp nguồn.
• Nhà hoạch định chính sách & Môi trường: Có thêm căn cứ khoa học vững chắc để ban hành tiêu chuẩn về hệ thống cảm biến xanh, không dùng pin hóa học trong các dự án giao thông thông minh và đô thị thông minh.

---

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và đã mở rộng lý thuyết nào?

Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất là việc mô hình hóa toán học giải tích mối quan hệ giữa góc pha tiếp xúc $\theta$, điện dung biến thiên $C(\theta)$, và điện áp đầu ra $V_0$ trong chế độ trượt tự do có chuyển mạch ngắt quãng: $$V_0(\theta) = \frac{\sigma \pi r^2}{\frac{\varepsilon_0 \varepsilon_r r^2}{\pi d}(\pi \theta - \theta^2)}$$ Công trình này mở rộng trực tiếp Lý thuyết dòng điện dịch chuyển Maxwell của Z.L. Wang cho trường hợp đặc thù của giao diện lỏng - rắn có ranh giới tiếp xúc biến thiên phi tuyến dưới kích thích tần số thấp.

2. Đột phá phương pháp luận so với các nghiên cứu quốc tế trước đây?

So với nghiên cứu bánh xe nước ww-TENG của Jiang et al. (2019) và hệ điện cực răng lược của Yun et al. (2017), luận án tạo ra bước nhảy vọt phương pháp luận bằng cách:

1. Đóng kín hoàn toàn chất lỏng để loại bỏ rủi ro bay hơi và nhiễm bẩn.
2. Ứng dụng cơ chế chuyển mạch gián đoạn (switched-mode) kết hợp cấu trúc đối xứng tâm 6 tế bào, biến dòng điện xoay chiều hai chiều thành xung dòng điện một chiều có mật độ công suất tức thời tăng đột biến, loại bỏ hoàn toàn nhu cầu sử dụng mạch chỉnh lưu cầu ngoài vốn gây tổn hao điện áp mở tiếp giáp diode.

So sánh phương pháp luận:

3. Phát hiện thực nghiệm nào gây bất ngờ nhất?

Phát hiện về sự bất biến của điện áp đỉnh đầu ra ($V_{peak} \approx 1{,}82\text{ V}$) trước sự biến thiên của điện trở tải ngoài từ dải thấp đến dải siêu cao ($20\text{ M}\Omega$). Điều này trái ngược hoàn toàn với các máy phát điện tĩnh điện truyền thống (thường suy giảm điện thế mạnh khi tải thấp), chứng minh rằng điện tích ma sát được bảo toàn và nén tĩnh điện tối đa trước thời điểm phóng điện qua chổi quét.

4. Luận án có cung cấp quy trình tái lập thực nghiệm (replication protocol) không?

Có. Luận án mô tả chi tiết quy số kích thước hình học (đường kính cylinder $90\text{ mm}$, chiều sâu $12\text{ mm}$, bán kính điện cực $43\text{ mm}$, khe hở $2\text{ mm}$), nồng độ và phương pháp tạo màng xốp PVDF qua AFM/FE-SEM, mã hiệu thiết bị đo lường chuẩn xác (Keithley DMM7510, SRS SR570, Keithley 6517B, Arduino Mega), đảm bảo khả năng tái lập độc lập $100%$ tại bất kỳ phòng thí nghiệm cơ điện tử tiên tiến nào.

5. Kế hoạch nghiên cứu 10 năm được phác thảo như thế nào?

Lộ trình 10 năm được định hình qua 3 giai đoạn:

• Giai đoạn 1 (1-3 năm): Triệt tiêu ma sát chổi quét bằng công nghệ chuyển mạch micro-MEMS hoặc chuyển mạch cảm ứng từ; tối ưu hóa chất lỏng điện ly cao cấp.
• Giai đoạn 2 (4-6 năm): Chế tạo vi mạch quản lý năng lượng PMM tích hợp trực tiếp trên đế TENG; thử nghiệm tiền lâm sàng trên xe thương mại và robot công nghiệp.
• Giai đoạn 3 (7-10 năm): Chuẩn hóa công nghiệp và thương mại hóa hàng loạt các module TENG lỏng - rắn tự cấp nguồn cho mạng lưới cơ sở hạ tầng giao thông thông minh toàn cầu.

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của Lê Châu Duy đã tạo nên bước tiến mang tính bước ngoặt trong lĩnh vực thu hồi năng lượng cơ học nano và công nghệ tự cấp nguồn với 6 đóng góp cốt lõi:

1. Thiết kế và chế tạo thành công máy phát điện nano ma sát lỏng - rắn chuyển mạch quay (RSW-TENG), tạo xung điện đơn hướng ổn định ở tần số thấp $1{,}25\text{ Hz}$.
2. Xây dựng và kiểm chứng thực nghiệm mô hình toán học giải tích xác định góc nghiêng và tốc độ quay bánh xe dựa trên điện áp tiếp xúc lỏng - rắn.
3. Phát triển cấu trúc màng xốp nano PVDF kỵ nước cao, gia tăng vượt bậc diện tích tiếp xúc hiệu dụng và khả năng giữ điện tích ma sát.
4. Chế tạo hệ thống dẫn điện gián đoạn đối xứng tâm (DCR-TENG) 6 tế bào, đồng bộ hóa năng lượng tức thời và nâng cao mật độ công suất tại trở kháng $20\text{ M}\Omega$.
5. Sáng chế bộ điều hòa động năng xung lực (IKER) tích hợp bộ chỉnh lưu chuyển động cơ học (MMR) và dao động điều hòa, giải quyết triệt để bài toán thu hồi năng lượng từ các kích thích ngắt quãng tần số thấp như bước chân và rào chắn giao thông.
6. Chứng minh độ bền cơ điện tuyệt hảo qua hơn $12.000$ chu kỳ hoạt động liên tục và khả năng cấp nguồn trực tiếp cho cảm biến nhiệt - ẩm cũng như truyền dữ liệu không dây thời gian thực.

Công trình không chỉ củng cố vững chắc nền tảng vật lý của thuyết dòng điện dịch chuyển Maxwell và mô hình chuyển tiếp electron Wang, mà còn mở ra chân trời mới cho việc chế tạo các hệ thống IoT xanh tự hành, không sử dụng pin, định hình tương lai bền vững của kỹ thuật cơ điện tử và công nghệ năng lượng tái tạo toàn cầu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

공학박사 학위논문 저주파수 기계 에너지 하베스팅을 위한 액체-고체 마찰전기 나노발전기 개발 Development of Liquid-Solid Triboelectric Nanogenerators Towards Low-Frequency Mechanical Energy Harvesting 울산대학교 대학원 기계공학부 Development of Liquid-Solid Triboelectric Nanogenerators Towards Low-Frequency Mechanical Energy Harvesting Supervisor: Professor KYOUNG KWAN AHN A Dissertation Submitted to the Graduate School of the University of Ulsan In partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy in Mechanical Engineering by LE CHAU DUY Department of Mechanical Engineering University of Ulsan, Korea February 2023 ACKNOWLEDGEMENTS This Ph. dissertation is completed under the guidance, the support and the assistance from a lot of esteemed people. I would like to extend my sincerest gratitude to all of them. First of all, I would like to express my highest respect to my advisor, Professor Kyoung Kwan Ahn, for having me the chance to join his lab as well as his precious guidance and encouragement throughout my Ph.

I am certain that without his supports, I would never be able to complete my dissertation. Besides, I also would like to give my special thanks to the professors serving on my dissertation committee who take up their valuable times to improve my dissertation. It is an honor that these prestigious professors attend as my committee members. I would like to derive my appreciation to my research group members and my friends in University of Ulsan, who warmly assisted and promoted me, during my Ph.

I have received tremendous help from them, and without their kindness, I could not have gone this far. Last but not least, I would like to deliver my heartfelt gratitude and appreciation to my family for their endless supports and encouragement. i ABSTRACT Over the past several decades, the global demand for energy has become larger and more persistent due to the population growth in associated with human activities (i., residential, commercial, transportation and industrial) where the fossil fuels play a dominant role. However, the fast depletion and environmental impact of fossil fuels are big challenges for our sustainable development; therefore, harvesting energy from surroundings has significantly increased for years and can be recognized as an excellent approach to replace traditional energy generation.

Mechanical energy is one of the most universally-existing, diversely-presenting, but usually-wasted energies in the natural environment. Triboelectric nanogenerator (TENG) has been introduced recently as a novel and potent technology for this purpose, and the use of TENG for mechanical energy harvesting has been investigated to some extent. The liquid-solid TENG, with its remarkable strengths, has opened an additional direction for harvesting environmental energy such as water wave, river flow or rainfall. However, there is less awareness of generating power from low-frequency behaviors by using liquid-solid TENG even though they are omnipresent in human life.

In this dissertation, the research efforts have led to develop and analyze TENG- based energy harvesters to scavenge energy of low-frequency mechanical motion utilizing liquid-solid contact electrification principle. Through rational structural design, different types of solid-liquid contact electrification TENG for low-frequency mechanical energy harvesting was proposed. Initially, a rotational switched-mode water-based triboelectric nanogenerator for harvesting the rotational kinetic energy as well as road slope and wheel speed detection was carried out. Then, a discontinuous-conduction based rotational triboelectric nanogenerator with radially symmetrical design to effectively improve the instantaneous power was developed.

Lastly, an impulsive kinetic energy regulator for harvesting mechanical energy through low frequency impulse-excited motion was fabricated and experimentally evaluated to demonstrate the functionality of harvesting mechanical energy from human and machine activities. The above results ascertain the development of liquid-solid TENGs for low-frequency mechanical energy harvesting and brought a big potential of impacting people’s everyday life. ii TABLE OF CONTENTS ACKNOWLEDGEMENTS. ii LIST OF FIGURES.

1 Introduction and General Background .1 Fundamentals of TENGs .1 Origin of triboelectrification.2 Principle theory and mathematical model of TENG .3 Working mechanism and operation modes of TENG .4 Potential applications of TENG .2 An early view of liquid-solid TENG .3 Motivation and Objectives .4 Organization of the Thesis. 13 Revision of Liquid-Solid Triboelectric Nanogenerator: Fundamentals, Structures and Applications .1 Fundamentals of liquid-solid triboelectrification.2 Mechanism of liquid-solid triboelectric nanogenerator .3 Structural design of liquid-solid triboelectric nanogenerator .1 Droplet-based TENGs .2 Bulk liquid-based TENGs .3 Liquid-filled TENGs .4 Applications of liquid-solid TENGs.1 Micro/nano power sources .2 Active self-powered sensors .3 Networks of liquid-solid TENG for blue energy harvesting. 28 iii Development and Analysis of a Rotational Switched-Mode Liquid-Solid Triboelectric Nanogenerator for Vehicle Monitoring System .1 Fabrication of the RSW-TENG .3 Results and Discussion .1 Basic operation and working mechanism of the RSW-TENG .2 Output performance of the RSW-TENG.4 RSW-TENG as vehicle monitoring device. 44 Development and Analysis of a Liquid-Solid Triboelectric Nanogenerator based Radially Symmetrical Structure for Mechanical Energy Harvester .1 Fabrication of PVDF nanoporous membrane.2 Fabrication of the DCR-TENG .3 Results and Discussion .1 Characteristics of PVDF nanoporous membrane .2 Working principle of the single-cell DCR-TENG.3 Output performance of single cell DCR-TENG .4 Output performance of multiple cell DCR-TENG.

60 Development and Analysis of a Harmonic Oscillator driven Liquid-Solid Triboelectric Nanogenerator for Intermittent Excitation Input .1 Fabrication of the rotary TENG.2 Fabrication of the mechanical motion rectifier .3 Results and Discussion .1 Working principle of the IKER .2 Performance of the IKER on vertical effort .3 Performance of the IKER on horizontal effort .4 Demonstration of the IKER under realistic intermittent excitation. 83 Conclusion and Future Work .1 Summary and conclusions .2 Recommendations for Future Works. 86 v LIST OF FIGURES Figure 1.1 Global primary energy consumption 1978-2018 (Exajoules).2 Electron-cloud-well-potential model for explaining triboelectrification with respect to electron transfer and release between two materials .3 Schematic showing the principle theory of displacement current for nanogenerators (including TENG) that derived from the expanded Maxwell’s equations .4 The ideal structure and equivalent circuit (capacitive) model of the contact- separation TENG .5 Basic operation modes of TENG. The TENG operation has been categorized into four modes, including vertical contact-separation (CS) mode, relative-sliding (RS) mode, single-electrode (SE) mode, and freestanding (FT) mode with their own merits and demerits .6 Four major applications of TENG including micro/nano direct power sources for self-powered systems (MDPS), active self-powered sensors (ASPS), basic network units for harvesting low-frequency water wave energy (LFWE), and direct power sources for high voltage instruments (HVPS) .1 Illustration of hybrid EDL model with “two-step” process formation.

(a) In the first step, water molecules and ions in the solution contact with the solid surface, causing electron transfer as well as ion adsorption on the solid surface. (b) In the second step, free ions in the solution are attracted by the induced electrostatic field and concentrate at the region close to the electrified surface, forming the EDL .2 Effect of surface hydrophobicity on the electron transfer and the ion transfer. When the water contact angle is higher than 90º, the ratio of electron transfers to ion transfers (E/I) increases rapidly, asserting the dominance of electron transfer. This can be explained by the chemical bond of hydrophilic (1) and hydrophobic (2) surface .3 Mechanism of water-PDMS based TENG.

(a) Initial state when no force is applied. (b) PDMS layer and water contact each other. (c) PDMS layer separates from water. (d) Separation completes and the PDMS layer comes back to original position.

(e) PDMS layer come to contact with water again, starting a new cycle .4 Different structural designs of droplet-based TENG for harvesting raindrop energy. (a) Schematic diagram and single-electrode mechanism of the multi-unit vi transparent TENG (MT-TENG) in integrating with vehicle and building. (d) Schematic diagram of the integrated system consisting of solar cell and water-drop TENG as well as the mechanism of the TENG .5 Different structural designs of bulk liquid-based TENG for harvesting water energy. (a) Schematic diagram and working principle of ww-TENG driven by flowing river.

(b) Schematic diagram and working principle of ww-TENG driven flowing water. (c) Schematic diagram and working principle of LSEG for harvesting energy from a variety of water motions. (d) Schematic diagram and working principle of Ū-shape electrode TENG for extracting power from waves’ flood and ebb processes. (e) Schematic diagram and working principle of liquid-immersed TENG.6 Different structural designs of liquid-filled TENG for harvesting water energy.

(a) Schematic diagram and working principle of rotational water TENG. (b) Schematic diagram and working principle of water tube-based TENG. (c) Schematic diagram and working principle of “SWING stick” TENG. (d) Schematic diagram and working principle of MSW-TENG .7 Liquid-solid TENGs as power sources.

(a) Structure of networked integrated TENG (NI-TENG) with arrayed bridge rectifiers and its ability to power a wireless transmitter. (b) Diagram of the grid of WDSE-TENG for harvesting water impact energy with the potential of driving low-power electronic devices. (c) Diagram of integrated TENG for raindrop energy harvesting and its demonstration of powering small electronic devices .8 Liquid-solid TENG as active self-powered sensors. (a) Schematic diagram and structure of LST-TENG for ship draft measurement.

The water level is detected through the peaks and valleys of voltage derivation signal. (b) Photograph of oil–solid interacting TENG (O–S TENG) for monitoring the engine lubricating oil and its output performance with respect to the fraction of waste oil. (c) Structural diagram of superhydrophobic liquid-solid contact TENG with current output generated by six types of droplets and its biomedical sensor prototype .9 Networks of liquid-solid TENG for blue energy harvesting. (a) Concept of liquid–solid-contact buoy TENG with the illustration of TENG network and different types of triggering movement.

The outputs show linear relation with the unit number. (b) vii Concept and fabrication of droplet-based TENG arrays on ship model with the output performance in water tank .1 3D model design of the RSW-TENG driven by a DC motor.2 Fabrication of RSW-TENG. It includes two components: a cylindrical rotating TENG with extended electrodes and a stationary electric contact with brushes. The electrodes contact the brushes twice every cycle.3 Experimental setup for evaluating the characterization of the RSW-TENG.4 Working mechanism of the RSW-TENG and the corresponding position of electrodes and brushes in one cycle of revolution.5 (a) Output current and (b) output voltage of RSW-TENG regarding clockwise and counterclockwise rotation at zero-degree phase angle and rotating speed of 1.6 Peak output current, peak output voltage and peak output power under different load resistances at zero-degree phase angle and rotating speed of 1.7 (a) Demonstration of the RSW-TENG as power source for (a) continuously lighting up LEDs in series and (b) charging different capacitors.8 Durability and stability of the RSW-TENG over time.9 Diagram of phase angle definition.10 Current and voltage with phase angle from 0 degree to 80 degree at running speed of 1.11 Charge accumulation on 10 μF capacitors at different phase angle.12 Current and voltage with rotating frequency from 0.25 Hz at phase angle of 0 degree.13 3D graph of output current and output voltage under effect of both phase angle and rotating frequency.14 Experimental results for validating the dispersion of water regarding the rotating speed of (a) 1.75 Hz and (c) 2 Hz.15 Experimental setup of vehicle wheel attached RSW-TENG where the wheel TENG prototype is attached on a slope-adjustable framework.16 (a) Assembly of wheel-TENG prototype and (b) Installation of wheel-TENG prototype in cooperation with motor-driven pulley system.17 The voltage signal corresponding to 10-degree slope.18 The voltage signal corresponding to 20-degree slope.19 The voltage signal corresponding to 30-degree slope.20 The voltage signal corresponding to running speed of 0.21 The voltage signal corresponding to running speed of 0.

42 Figure 3 22 The voltage signal corresponding to running speed of 0.1 Assembly model of the DCR-TENG with radially symmetrical design.2 (a) Structural design and (b) Fabrication of the DCR-TENG. Inset: mechanical switch composition.3 (a) FE-SEM image of the PVDF nanoporous membrane with the water contact angle. AFM images of (b) pristine PVDF and (c) nanoporous PVDF membrane with the water contact angle of each material.4 Schematic diagram of the working principle for one completed cycle of single- cell DCR-TENG.5 Output current of single cell DCR-TENG with 20-MΩ external resistance.6 Output voltage of single cell DCR-TENG with 20-MΩ external resistance.