城大最新研發水滴發電機 一滴水可點亮100盞小LED燈

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droplet research
城大研究團隊部分成員:(左起)鄭煥璽先生、徐王淮先生、王鑽開教授、張超博士和宋雨欣。

 

香港城市大學(城大)學者領導的研究團隊,成功研發出新型水滴發電機(droplet-based electricity generator, DEG),設有類似晶體管的結構,使其瞬時功率密度(instantaneous power density)較現時類似的水滴發電機增加數以千倍,並大大提升電能轉化效率。這項突破性成果有助推動水力發電的科學研究及應對能源危機。

研究由城大機械工程學系王鑽開教授、美國內布拉斯加大學林肯分校曾曉成教授,和中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士合作領導,剛於最新一期國際權威學術期刊《自然》發表,論文題為「瞬時高功率密度水滴式發電機」。

現時傳統利用介面摩擦起電效應的液滴發電機,是基於液滴撞擊表面時的摩擦和靜電感應而產生電力。但受表面摩擦電荷數量的限制,這種方式的電能轉化效率較低。

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圖a為水滴發電機的原理示意圖:銦錫氧化物(ITO)玻璃片上加上了一層聚四氟乙烯(PTFE),並在上面放置鋁電極。當水滴撞擊玻璃片的表面,充當晶體管的柵極,就「接通」了電路。圖b為四個並排的水滴發電機裝置。

 

為提升電能轉化效率,研究團隊花了兩年時間研發出新型液滴發電機,其瞬時功率密度、即每平方米可產生的最高能量達到50.1瓦,較沒有晶體管設計的液滴發電機增加了數以千倍,電能轉換效率亦大大提升。

王教授指出,這項新研發有兩大關鍵︰第一是團隊發現,當水滴持續撞擊可長期帶有電荷的永電體材料聚四氟乙烯(PTFE),所產生的表面靜電荷(surface charge)會不斷累積至飽和水平,令PTFE可儲存高密度的表面電荷。這一發現助他們克服了之前面對的電荷密度低之瓶頸問題。

另一關鍵是他們研發的一組獨特結構,類似1956年諾貝爾物理學獎的得獎技術,現已成為現代電子器件所必須具備——場效應晶體管(field-effect transistor)。該結構由一個鋁電極和一個表面加上了一層PTFE薄膜的銦錫氧化物(ITO)電極所組成,PTFE和ITO電極負責電荷產生、儲存和感應。當水滴撞擊PTFE/ITO表面,並在表面上散開時,由於水是導電的,會「接通」鋁電極和PTFE/ITO兩個電極之間的通路,變成一個可通電的完整電路。

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電荷飽和狀態下一滴水滴產生的電能,足以點亮100盞小LED燈。請點擊觀看影片。

 

透過這獨特設計,連續不斷的水滴使PTFE上積存了密度很高的表面電荷;同時,每當水滴接通了兩個電極,所有積存在PTFE上的電荷都全被釋放,產生了電流。因此,瞬時功率密度和電能轉化效率都大幅提升。

 

王教授說︰「我們的研究顯示,一滴100微升(一微升等於百萬分之一升)的水滴由15厘米的高度滴下,可產生超過140伏特電壓,發電機產生的電能足以點亮100盞小LED燈。」

王教授希望是次研究成果可以幫助全球開發更多水資源,以應對全球可再生能源短缺問題,長遠來說,該新型設計可以推廣和安裝在不同液體與固體接觸的表面上,例如輪船船身、海岸邊以至雨傘表面、水樽內,這樣就能充分利用低頻的水動能。

王鑽開教授、曾曉成教授和王中林院士是論文的共同通訊作者。共同第一作者包括城大機械工程學系副研究員徐王淮先生、高級副研究員鄭煥璽先生周曉峰博士,以及美國內布拉斯加大學林肯分校劉源女士。其他合作者包括中國科學技術大學徐曉嶸教授,城大能源及環境學院梁國熙教授、機械工程學系助理教授楊征保博士、博士後研究員張超博士和博士生宋雨欣,以及中國電子科技大學的鄧旭教授

 

 

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