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Hydrodynamic constraints on the energy efficiency of droplet electricity generators

动能 电势能 机械 材料科学 消散 机械能 高效能源利用 反冲 能量转换效率 电场 能量转换 能量(信号处理) 光电子学 电气工程 物理 功率(物理) 原子物理学 经典力学 热力学 工程类 量子力学
作者
Antoine Riaud,Cui Wang,Jia Zhou,Wanghuai Xu,Zuankai Wang
出处
期刊:Microsystems & Nanoengineering [Springer Nature]
卷期号:7 (1) 被引量:30
标识
DOI:10.1038/s41378-021-00269-8
摘要

Abstract Electric energy generation from falling droplets has seen a hundred-fold rise in efficiency over the past few years. However, even these newest devices can only extract a small portion of the droplet energy. In this paper, we theoretically investigate the contributions of hydrodynamic and electric losses in limiting the efficiency of droplet electricity generators (DEG). We restrict our analysis to cases where the droplet contacts the electrode at maximum spread, which was observed to maximize the DEG efficiency. Herein, the electro-mechanical energy conversion occurs during the recoil that immediately follows droplet impact. We then identify three limits on existing droplet electric generators: (i) the impingement velocity is limited in order to maintain the droplet integrity; (ii) much of droplet mechanical energy is squandered in overcoming viscous shear force with the substrate; (iii) insufficient electrical charge of the substrate. Of all these effects, we found that up to 83% of the total energy available was lost by viscous dissipation during spreading. Minimizing this loss by using cascaded DEG devices to reduce the droplet kinetic energy may increase future devices efficiency beyond 10%.
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