打波先來落雨，未必是上天不喜歡你；那些點滴落下的雨水，其實亦可燃起光芒，為你照亮前路。因應創新能源的探索，城市大學學者王鑽開的研究團隊，研發出新型的水滴式發電機（DEG），透過獨特設計的電極結構，以特殊材料作為「電荷銀行」，並利用水滴作為「動態開關」形成導電通路，成功將藉表面碰撞「摩擦起電效應」所轉化的電力提高1,000倍，只需要一滴水，電量足以點亮100盞小LED燈！有關技術突破大大拓展了水資源發電的可能性，為開發潔淨能源邁出關鍵一步。 ■香港文匯報記者 詹漢基
全球暖化問題嚴重，開發水能、太陽能、風能等潔淨能源一直是科技界焦點。其中水作為生命之源，為了「榨取」當中每一滴所蘊含的能量，由城大機械工程學系教授王鑽開與內地及美國科學家合作領導的研究團隊，成功以突破性的設計，將水滴式發電機能量功率密度大大提升。有關論文早前獲權威期刊《自然》選登，廣受全球關注。
水滴式發電機的基礎原理，與秋冬季毛衣或頭髮等摩擦所產生的靜電類似。王鑽開介紹指，當水和固體表面碰撞時，便會產生電荷，但由於摩擦僅僅發生在表面，不僅轉化率低，而且能量也會隨即釋放，無法將電荷儲存起來。
PTFE塗電極如「電荷銀行」升電壓
為提升每一滴水的發電能力，團隊首先從材料入手，選擇了聚四氟乙烯（PTFE）塗在電極上。王鑽開解釋，PTFE類似於易潔鑊上的特氟龍塗層，由於該材料屬於「駐極體（Electret）」，本身已穩定大量儲存電荷而不會丟失，「就像一個有大量存款的『電荷銀行』」，令電壓提升。
同一時間，團隊亦參考獲得諾貝爾物理學獎的「場效應晶體管」技術，研發出類似「三極管」的獨特設計結構，將傳統水滴摩擦發電的轉換率提高1,000倍至5%。王鑽開介紹指，團隊在玻璃表面為加上塗了PTFE的銦錫氧化物（ITO）電極，作為「源極」；以及鋁電極作為「漏極」；至於水滴則扮演「柵極」角色，當它從高處落下並鋪展在玻璃面時，便會將「源極」及「漏極」連接，繼而成為一個導電通路，電荷即可向「漏極」釋放，「就像把『電荷銀行』的『錢』提取出來」，從而產生電流。
由於PTFE有疏水的特性，「在釋放過程中，電荷是從『源極』往『漏極』轉移；當水快脫離表面的時候，『漏極』的電荷密度很大，就會形成一個『梯度』（gradient），電荷全數流到源極」。王鑽開形容這是一個「可逆」的過程，電荷不會因為多次釋放而損失，反而會不斷回到源頭，「我們發的電不是來自於水滴，水滴只是呈一個開關的作用，就有如一個動態的開關」。
水滴看似平平無奇，但在此創新裝置中，一滴100微升的水滴從15厘米的高度落下，即可產生140伏特電壓，足以點亮100盞的小LED燈；其每平方米可產生的最高功率亦達到50.1瓦，較以往增加數千倍。
轉換率仍僅5% 盼尋更佳材料
不過王鑽開直言，距離落實雨水發電，未來仍有龐大改進空間，「哪怕我們比過去最好的摩擦發電機功率提升了1,000倍，但轉換率依然只有5%，若要實際應用，轉換率還是需要提升到20%到30%。」團隊希望能先尋找更佳材料，將「電荷銀行」容量進一步提升，「若PTFE能夠儲存1,000個電荷，那我們找到能儲存5,000個的，效能約莫提高5倍。」他笑言，「其次我們會尋找新的電極設計，別小看『源極』上面的L形『小金尖』，加了它以後，功率就提升了數以千倍！」
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