新研发高效能水滴发电机: 一滴水可以发电140V,点亮100盏小LED灯

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下雨的时候太阳能发电板得物无所用,但可能假以时日,雨水也可以发电!香港城市大学(城大)学者领导的研究团队,最近研发出水滴发电机(droplet-based electricity generator),设有类似晶体管的结构,使它的瞬时功率密度(instantaneous power density)较现时类似的水滴发电机增加了数以千倍,并大大提升电能转化效率,有助推动水力发电的科学研究及应对能源危机。

是次研究由城大机械工程学系王钻开教授、美国内布拉斯加大学林肯分校曾晓成教授和中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士合作领导。有关研究成果在最新一期《自然》杂志发表,论文题为「瞬时高功率密度水滴式发电机」

电能转化效率大幅提升

水力发电已非新鲜事物。虽说地球有约七成的表面被水资源覆盖,但碍于技术所限,人类一直未能很有效率地将海浪、潮汐甚至雨水蕴藏的低频率动能转化为电能。例如传统利用介面摩擦起电效应的液滴发电机,是基于每个液滴撞击表面时的摩擦和静电感应而产生电力。但受表面摩擦电荷数量的限制,这种方式的电能转化效率较低。

为提升电能转化效率,研究团队花了两年时间研发出液滴式发电机,其瞬时功率密度、即每平方米可产生的最高能量达到50.1瓦,较没有晶体管设计的液滴发电机增加了数以千倍,电能转换效率亦大大提升。

王教授指出,这项新研发具有两大关键︰第一是团队发现,当水滴持续不断撞击可长期带有电荷的永电体材料聚四氟乙烯(PTFE),所产生的表面静电荷(surface charge)会不断累积直至一个饱和水平,令PTFE可储存高密度的表面电荷。这一发现助他们克服了之前研究工作面对电荷密度低的瓶颈问题。

类似晶体管的独特结构

另一关键是他们研发了的一组独特结构,类似现代电子器件所必须具备、1956年诺贝尔物理学奖的得奖技术场效应晶体管(field-effect transistor)。该结构由一个铝电极,和一个表面加上了一层PTFE薄膜的铟锡氧化物(ITO)的电极所组成(见下图a),PTFE和ITO电极负责电荷产生、储存和感应。当水滴撞击PTFE/ITO表面,并在表面上散开,由于水是导电的,会「接通」铝电极和PTFE/ITO两个电极之间的通路,变成一个可通电的完整电路。

透过这独特设计,连续不断的水滴使PTFE上积存了密度很高的表面电荷;同时,每当水滴接通了两个电极,所有积存在PTFE上的电荷都全被释放,产生了电流。因此,瞬时功率密度和电能转化效率都大幅提升。

droplet-based electricity generator
图a为水滴发电机的原理示意图;图b为四个并排的水滴发电机装置。
图片来源: 香港城市大学 /《自然》

 

水滴撞击所产生的表面电荷数量会随撞击的过程上升和回落。视频来源: 香港城市大学 /《自然》

一滴水足以点亮百盏小LED

王教授说︰「我们的研究显示,一滴100 微升(一微升等于百万分之一升)的水滴由15厘米的高度滴下,可产生超过140V电压,发电机产生的电能足以点亮100盏小LED灯。」

王教授补充,瞬时功率密度的上升,并非因为外加了能量,而是转化水滴自身的动能,「这些水滴撞击的动能源于大自然的地心吸力,可以说是免费和可再生的,应该充分利用」。他们的研究亦显示,相对湿度的降低无损发电的效率,而且雨水和海水均可用以发电。

透过水滴发电机可产生超过140V电压,一滴水足以点亮100盏小LED灯。视频来源: 香港城市大学 / 《自然》

促进可持续发展

王教授希望是次研究成果可以帮助全球开发更多水资源,以应对全球可再生能源短缺问题。他相信:「将雨滴产生的能量来发电,而不单靠石油或核能发电,将有助世界的可持续发展」。他认为长远来说,该新型设计可以推广和安装在不同的液体与固体接触的表面上,例如轮船船身上、海岸边甚至是雨伞表面、水樽内,这样就能充分利用低频的水动能。

王钻开教授、曾晓成教授和王中林院士是论文的共同通讯作者。共同第一作者包括城大机械工程学系的徐王淮郑焕玺周晓峰,以及美国内布拉斯加大学林肯分校的刘源。其他合作者包括中国科学技术大学的徐晓嵘教授,城大能源及环境学院梁国熙教授、机械工程学系杨征保博士、博士后研究员张超博士和博士生宋雨欣,以及来自电子科技大学的邓旭教授。

Professor Wang Zuankai
图为城大相关研究团队部分成员。左起郑焕玺、徐王淮、王钻开教授、张超博士和博士生宋雨欣。

 

这项研究获得香港城大、中国国家自然科学基金、香港研究资助局、创新科技署、深圳市科技创新委员会、美国国家科学基金会等资助。团队正就此技术在美国和中国内地申请专利。

DOI number: 10.1038/s41586-020-1985-6 

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本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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