[论文解读] Electrokinetic Energy Harvesting using Paper and Pencil

Sankha Shuvra Das, Shantimoy Kar+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2018

Electrowetting and Microfluidic TechnologiesEngineering参考文献 47被引用 17

一句话总结

本文提出了一种低成本、鲁棒的电动力能量收集器，采用滤纸和石墨笔绘制的电极。通过利用微流体通道中纤维素网络的曲折结构和电动力流动，该装置在单通道模式下实现了最高640 pW的输出，在20通道阵列模式下实现了64 nW的输出，可为资源有限环境中的即时检测诊断设备提供可持续电力。

ABSTRACT

We exploit the combinatorial advantage of electrokinetics and tortutosity of cellulose-based paper network on a laboratory grade filter paper for the development of a simple, inexpensive, yet extremely robust (shows constant performance till 12 days) paper-and-pencil-based device for energy harvesting application. We successfully achieve to harvest maximum output power of 640 pW in single channel, while the same is significantly improved (by about 100 times) with the use of multichannel microfluidic array (maximum up to 20 channels). We envisage that such ultra-low cost devices may turn out to be extremely useful in energizing analytical microdevices in resource limited settings, for instance for extreme point of care diagnostics applications.

研究动机与目标

• 开发一种超低成本、耐用的能量收集装置，适用于资源有限的环境。
• 利用基于纤维素的滤纸固有的电动力特性，实现可持续发电。
• 通过微流体阵列的石墨笔电极，展示可扩展的性能。
• 通过环境流体流动实现分析型微器件的自供电运行。
• 在长时间内（长达12天）实现长期稳定性和一致性能。

提出的方法

• 利用实验室级滤纸作为多孔、曲折的介质，以增强电动力效应。
• 直接在纸张表面用石墨笔绘制石墨电极，形成微流体通道。
• 利用电动力现象（由ζ电势驱动的流动电流）将流体流动转换为电能。
• 设计单通道和多通道微流体阵列，以扩展输出功率。
• 使用去离子水作为工作流体，通过压力驱动流动产生流动电流。
• 通过外部负载测量输出电压和电流，以量化收集到的功率。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于纸张和石墨笔的装置是否能通过电动力效应产生可用的电能？
• RQ2 装置中微流体通道数量的增加如何影响输出功率？
• RQ3 该装置在长时间内的能量收集性能是否稳定？
• RQ4 该系统是否能在资源有限的环境中可靠地为低功耗分析型微器件供电？
• RQ5 纤维素网络的曲折程度如何影响电动力能量转换效率？

主要发现

• 在最佳流动条件下，单通道装置的最大输出功率达到640 pW。
• 20通道阵列的最大输出功率提升至64 nW，实现了约100倍的性能提升。
• 该装置在连续12天内表现出一致的性能，表明其具有高耐久性和稳定性。
• 在滤纸上使用石墨笔绘制的石墨电极，实现了简单、低成本且可扩展的制造工艺。
• 纤维素网络固有的曲折结构增强了电动力效应，提高了能量转换效率。
• 该系统适用于为即时检测诊断应用中的低功耗微流体分析器件供电。