[논문 리뷰] Liquid soap film generates electricity

Ahmad Amjadi, Sadegh Feiz외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 30.

Electrohydrodynamics and Fluid Dynamics참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 기계적 회전을 전기적 전류로 변환하는 전기화학적력에 의해 작동하는 전기발전기로써, 회전하는 액체 soapy 필름(LFEG)이 작동할 수 있음을 보여준다. 외부 전기장에 노출되어 회전할 때, 필름은 그 회전 속도와 적용된 전기장에 비례하는 측정 가능한 전압과 전류를 생성하며, 결과는 전기대류 이론에 기반한 수치 시뮬레이션과 정성적으로 일치한다.

ABSTRACT

We have observed that a rotating liquid soap film generates electricity when placed between two non-contact electrodes with a sufficiently large potential difference. In our experiments suspended liquid film (water + soap film) is formed on the surface of a circular frame, which is forced to rotate in the $x-y$ horizontal plane by a motor. This system is located at the center of two capacitor-like vertical plates to apply an external electric voltage difference in the $x-$direction. The produced electric current is collected from the liquid film using two conducting electrodes that are separated in the $y-$direction. We previously reported that a liquid film in an external electric field rotates when an electric current passes through it, naming it the liquid film motor (LFM). In this paper we report a novel technique, in which a similar device can be used as an electric generator, converting the rotating mechanical energy to electrical energy. The liquid film electric generator (LFEG) is in stark contrast to the LFM, both of which could be designed similarly in very small scales like micro scales with different applications. Although the device is comparable to commercial electric motors or electric generators, there is a significant difference in their working principles. Usually in an electric motor or generator the magnetic field causes the driving force, while in a LFM or LFEG the Coulomb force is the driving force. This fact is also interesting from the Bio-science point of view and brings a similarity to bio motors. Here we have investigated the electrical characteristics of such a generator for the first time experimentally and modelled the phenomenon with electroconvection governing equations. A numerical simulation is performed using the local approximation for the charge-potential relation and results are in qualitative agreement with experiments.

연구 동기 및 목표

• 회전하는 액체 비눗물 필름이 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 전기적 특성을 조사하는 것.
• 미세 척도에서 얇은 액체 필름에서 전기화학적력(EHD)을 이용한 에너지 생성의 가능성 탐색.
• 관측된 현상에 기반한 전기대류 이론의 제어 방정식을 바탕으로 한 이론 모델 개발 및 검증.
• 이전에 보고된 액체 필름 모터(LFM)와의 비교를 통해 에너지 변환 방향의 대비를 부각하는 것.

제안 방법

• 수평으로 회전하는 모터를 사용하여 원형 프레임에 액체 필름(물과 비눗물)을 형성한다.
• 두 개의 수직 평행판 전극을 통해 외부 전기장을 적용하여 x축 방향으로 횡방향 전기장을 생성한다.
• y축에 따라 분리된 비접촉 전극을 사용하여 전류를 측정한다.
• 시스템은 누출된 유전체 모델과 전기대류 방정식을 사용하여 모델링되며, 전하-전위 관계에 국소 근사를 적용한다.
• 비차원화된 제어 방정식을 극좌표계에서 수치적으로 시뮬레이션하여 다양한 회전 속도에서 잠재력과 전하 분포를 해석한다.
• 계수 K = ωR²/(σα)를 사용하여 시스템을 특성화하며, 다양한 회전 속도에 대응하는 K 값에 대해 시뮬레이션을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 전기장에 노출된 회전하는 액체 비눗물 필름이 측정 가능한 전기적 전류를 생성할 수 있는가?
• RQ2 생성된 전압과 전류는 필름의 회전 속도와 외부 전기장 강도에 어떻게 의존하는가?
• RQ3 전기대류와 표면 전하 분포는 액체 필름 내 에너지 변환을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 필름의 전도도는 전기 에너지 생성 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 전기대류 이론에 기반한 수치 시뮬레이션은 실험 관측 결과를 어느 정도 재현하는가?

주요 결과

• 액체 필름 전기발전기(LFEG)에서 생성된 전압과 전류는 필름의 회전 속도와 외부 전기장 강도에 직접 비례한다.
• 필름의 전도도를 높일수록 생성된 전압은 감소하며, 전기대류 이론의 예측과 일치한다.
• 수치 시뮬레이션 결과, 낮은 회전 속도에서는 잠재력이 y축 방향으로 ω에 비례하는 기울기를 보이며, 실험 결과와 일치한다.
• 회전 속도가 증가함에 따라(높은 K 값), 등위선이 필름과 함께 회전하기 시작하고, 빠른 전도로 인해 전하 밀도가 감소한다.
• 매우 높은 회전 속도(5000RPM 이상)에서는 필름이 불안정해져 정량적 측정이 어려워지지만, 최대 전압 방향에서의 각도 편이가 시뮬레이션 결과와 일치한다.
• 간단한 강체역학 및 국소 전하-전위 근사를 기반으로 한 모델은 실험 결과와 정성적으로 일치한다.