ผลกระทบของส่วนผสมและการเสื่อมสภาพของแอสฟัลต์คอนกรีตต่อการเก็บเกี่ยวพลังงานไฟฟ้าบนพื้นฐานหลักการการกำเนิดไฟฟ้าแบบทริโบอิเล็กทริก

Effect of mix proportion and deterioration of asphalt concrete on the electrical energy harvesting based on the triboelectric generator concept

Name: อิทธิพงศ์ จันทสารคาม

ThaSH: แอสฟัลต์คอนกรีต

ThaSH: คอนกรีต

ThaSH: ผิวทางแอสฟัลต์คอนกรีต

ThaSH: ผิวทางแอสฟัลต์

ThaSH: ไทรโบอิเล็กทริก

ThaSH: วิศวกรรมพื้นผิว

Abstract: ปัจจุบันความต้องการใช้พลังงานไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง โดยพลังงานไฟฟ้ามีบทบาทสำคัญในการทำงาน ใช้ชีวิตประจำวันของมนุษย์และการทำงานของเครื่องจักรต่างๆ เช่นเดียวกับการใช้พลังงานไฟฟ้าที่มาจากการผลิตไฟฟ้าที่ เขื่อน โรงไฟฟ้าถ่านหิน โซลาร์เซลล์ และอื่นๆ อย่างไรก็ตาม ยังมีพลังงานไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากการใช้ชีวิตประจำวันเช่นการเดิน การเคลื่อนไหวของวัตถุต่างๆ และการเคลื่อนที่ของยานพาหนะบนท้องถนน ซึ่งพลังงานเหล่านี้สูญเสียไปโดยเปล่าประโยชน์ จึงมีการค้นคว้าวิจัยเพื่อเก็บเกี่ยวพลังงานที่สูญเปล่าเหล่านี้ที่สามารถเปลี่ยนพลังงานกลให้เป็นพลังงานไฟฟ้าได้ อุปกรณ์หนึ่งที่มีความสามารถเช่นนี้คือ แหล่งกำเนิดไฟฟ้านาโนแบบทรีโบอิเล็กทริก (Triboelectric nanogenerator) หรือ เรียกว่า TENG ที่มีต้นทุนต่ำและสามารถเปลี่ยนพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้าได้อย่างง่ายดายและมีประสิทธิภาพสูง TENG เป็นอุปกรณ์ที่สามารถเปลี่ยนพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้าได้จากการเคลื่อนไหวและสัมผัสของวัตถุทั่วไปในชีวิตประจำวัน เพื่อเป็นการลดการสูญเสียพลังงานที่เกิดขึ้นในชีวิตประจำวันได้อย่างมีประสิทธิภาพ งานวิจัยนี้มุ่งเน้นการศึกษาวัสดุแอสฟัลต์เป็นวัสดุทริโบอิเล็กทริกที่มีประสิทธิภาพในการเก็บเกี่ยวพลังงานที่สูญเสียจากการเคลื่อนไหวและสัมผัสของวัตถุทั่วไปในชีวิตประจำวัน การทำงานของแหล่งกำเนิดไฟฟ้านาโนแบบทรีโบอิเล็กทริกหรือ TENG จะใช้หลักการทริโบอิเล็กทริฟิเคชันและการเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิตย์ในการเปลี่ยนพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า ไม่นานมานี้มีการศึกษาอย่างต่อเนื่องในการพัฒนา TENG เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการเก็บเกี่ยวพลังงานให้มากขึ้น โดยมีปัจจัยที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของ TENG ได้แก่ พื้นผิวสัมผัส ความแตกต่างกันของค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตี้ ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุ ความถี่ของการสัมผัสกันของวัสดุ และรูปแบบการทำงานของ TENG จากการศึกษาในส่วนที่ 1 พบว่าแอสฟัลต์คอนกรีตมีคุณสมบัติที่สามารถนำมาใช้เก็บเกี่ยวพลังงานไฟฟ้าได้จากทฤษฎี Single electrode mode TENG โดยใช้คู่วัสดุทดสอบเป็นเทฟลอน (PTFE) ซึ่งร้อยละ 5 ของการผสม AC 60/70 ให้ผลลัพธ์ทางไฟฟ้าสูงที่สุดที่ความหนาของตัวอย่างแอสฟัลต์คอนกรีต 1.5 cm โดยที่ความต่างศักย์สูงสุดและกระแสไฟฟ้า เท่ากับ 70 V และ 5.8 µA ตามลำดับ ในส่วนของการทดสอบความคงทนพบว่าแอสฟัลต์คอนกรีตจะสามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าลดลงเหลือร้อยละ 89 เมื่อทดสอบการกระแทกทั้งหมด 5000 รอบสำหรับผลการทดสอบความถี่ของการกระแทกที่เพิ่มขึ้นทำให้ผลลัพธ์ทางไฟฟ้าสูงขึ้นตามไปด้วย ในการทดสอบที่ความถี่ 10 Hz ให้ความต่างศักย์ไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่ 126 V และ 11.4 µA สำหรับการศึกษาในส่วนที่ 2 พบว่าแอสฟัลต์คอนกรีตที่เสื่อมสภาพลงจากการถูกเร่งขัดสีด้วยเครื่อง Three-Wheel Polishing Device (TWPD) วัดความต่างศักย์ไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าได้เท่ากับ 17.82 V และ 1.70 µA ที่จำนวนรอบการขัดสี 50000 รอบ ซึ่งการทดสอบนี้พบว่าแอสฟัลต์คอนกรีตสามารถเก็บเกี่ยวพลังงานไฟฟ้าได้สูงมากยิ่งขึ้นซึ่งตรงกันข้ามกับค่าความต้านการลื่นไถลจะลดลงอย่างต่อเนื่อง และการเพิ่มความเร็วการหมุนของล้อยางทำให้เก็บเกี่ยวพลังงานไฟฟ้าสูงขึ้น โดยให้ความต่างศักย์ไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่ 220 รอบต่อนาที เท่ากับ 26.6 V และ 2.75 µA ตามลำดับ นอกจากนี้การทดสอบกำลังไฟฟ้าผ่านตัวต้านทานพบว่าให้กำลังไฟฟ้าสูงสุดต่อพื้นที่เท่ากับ 31.24 mW/m2 ที่ความต้านทาน 20 MΩ การศึกษาผลกระทบต่อการขัดสีของแอสฟัลต์คอนกรีตต่อการเก็บเกี่ยวพลังงานไฟฟ้าพบว่าแอสฟัลต์คอนกรีตมีคุณสมบัติที่เหมาะสมและสามารถนำไปใช้เก็บเกี่ยวพลังงานไฟฟ้าจากทฤษฎี Triboelectric nanogenerator จากล้อยางของพาหนะได้จริงและมีศักยภาพเพียงพอที่สามารถนำไปประยุกต์ใช้บนท้องถนนในอนาคตได้

Abstract: The demand for electricity continues to rise, with electrical energy playing a crucial role in human daily life and the operation of various machines. While electricity is primarily generated through conventional methods such as hydropower dams, coal-fired power plants, and solar cells. Significant amounts of electrical energy are lost because of daily activities like walking, object movement, and vehicular motion. To mitigate such energy losses effectively, research efforts have focused on harvesting the wasted energy and converting it into electrical energy using innovative devices. One such device with promising potential is the Triboelectric Nanogenerator (TENG), known for its low cost, ease of energy conversion from mechanical motion, and high efficiency. This research study aims to investigate asphalt concrete as a potential material for harvesting wasted energy from ordinary objects such as vehicle motion and contact in daily life. The working principle of the TENG involves triboelectrification and electrostatic induction for converting mechanical energy into electrical energy. Recent studies have focused on enhancing the energy harvesting efficiency of TENGs. Several factors influence the TENG's performance, including the contact surface, the difference in electronegativity, the dielectric constant of the material, the contact-separation frequency, and the TENG's operating mode. In Part 1 of the study, it was found that asphalt concrete sample, when used in a single electrode mode TENG configuration, utilizing polytetrafluoroethylene (PTFE) as a test material with a 5% mixture of AC 60/70, yielded the highest electrical output with a thickness of 1.5 cm. The maximum voltage and current were recorded as 70 V and 5.8 µA, respectively. The durability test showed that asphalt concrete TENG maintained 89% of its electrical output after 5000 cycles of impact testing at an increased contact-separation frequency. At a frequency of 10 Hz, the TENG produced a maximum voltage and current of 126 V and 11.4 µA, respectively. In Part 2 of the study, it was observed that deteriorated asphalt concrete, obtained through abrasive polishing using a Three-Wheel Polishing Device (TWPD), exhibited significantly highest energy harvesting capabilities of potential difference and current after 50000 abrasion cycles at 17.82 V and 1.70 µA respectively. It was observed that Electrical outputs inversely correlated with its coefficient of friction, which continuously decreased. Increasing the rotational speed of the polishing wheel also led to improved energy harvesting. The maximum voltage and current recorded were 26.60 V and 2.75 µA, respectively, at a rotational speed of 220 revolutions per minute. Additionally, power maximum per area output testing through a load resistor resulted in 31.24 mW/m2 at a resistance of 20 MΩ. Furthermore, the investigation of the impact of abrasive polishing on asphalt concrete's color revealed that the material possessed suitable characteristics for effective energy harvesting using the principles of the Triboelectric Nanogenerator theory. These findings provide practical insights for the potential application of asphalt concrete based TENGs on future roadways, particularly utilizing rubber tires of vehicles, to harvest wasted electrical energy.

มหาวิทยาลัยเชียงใหม่. สำนักหอสมุด

Address: เชียงใหม่

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Name: พีรพงศ์ จิตเสงี่ยม

Role: อาจารย์ที่ปรึกษา

Created: 2566

Modified: 2567-01-07

Issued: 2567-01-07

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

tha

DegreeName: วิศวกรรมศาสตรมหาบัณฑิต

Level: ปริญญาโท

Descipline: วิศวกรรมโยธา

Grantor: มหาวิทยาลัยเชียงใหม่

©copyrights มหาวิทยาลัยเชียงใหม่

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	620631025.pdf	7.42 MB

ใช้เวลา

0.032055 วินาที