新研發高效能水滴發電機: 一滴水可以發電140V,點亮100盞小LED燈

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下雨的時候太陽能發電板得物無所用,但可能假以時日,雨水也可以發電!香港城市大學(城大)學者領導的研究團隊,最近研發出水滴發電機(droplet-based electricity generator),設有類似晶體管的結構,使它的瞬時功率密度(instantaneous power density)較現時類似的水滴發電機增加了數以千倍,並大大提升電能轉化效率,有助推動水力發電的科學研究及應對能源危機。

是次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。有關研究成果在最新一期《自然》雜誌發表,論文題為瞬時高功率密度水滴式發電機」

電能轉化效率大幅提升

水力發電已非新鮮事物。雖說地球有約七成的表面被水資源覆蓋,但礙於技術所限,人類一直未能很有效率地將海浪、潮汐甚至雨水蘊藏的低頻率動能轉化為電能。例如傳統利用介面摩擦起電效應的液滴發電機,是基於每個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。

為提升電能轉化效率,研究團隊花了兩年時間研發出液滴式發電機,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,這項新研發具有兩大關鍵︰第一是團隊發現,當水滴持續不斷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)會不斷累積直至一個飽和水平,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研究工作面對電荷密度低的瓶頸問題。

類似晶體管的獨特結構

另一關鍵是他們研發了的一組獨特結構,類似現代電子器件所必須具備、1956年諾貝爾物理學獎的得獎技術場效應晶體管(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)的電極所組成(見下圖a),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,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。

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。

droplet-based electricity generator
圖a為水滴發電機的原理示意圖;圖b為四個並排的水滴發電機裝置。
圖片來源: 香港城市大學 /《自然》

 

水滴撞擊所產生的表面電荷數量會隨撞擊的過程上升和回落。影片來源: 香港城市大學 /《自然》

一滴水足以點亮百盞小LED

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140V電壓,發電機產生的電能足以點亮100盞小LED燈。」

王教授補充,瞬時功率密度的上升,並非因為外加了能量,而是轉化水滴自身的動能,「這些水滴撞擊的動能源於大自然的地心吸力,可以說是免費和可再生的,應該充分利用」。他們的研究亦顯示,相對濕度的降低無損發電的效率,而且雨水和海水均可用以發電。

透過水滴發電機可產生超過140V電壓,一滴水足以點亮100盞小LED燈。影片來源: 香港城市大學 / 《自然》

促進可持續發展

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。他相信:「將雨滴產生的能量來發電,而不單靠石油或核能發電,將有助世界的可持續發展」。他認為長遠來說,該新型設計可以推廣和安裝在不同的液體與固體接觸的表面上,例如輪船船身上、海岸邊甚至是雨傘表面、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的徐王淮鄭煥璽周曉峰,以及美國內布拉斯加大學林肯分校的劉源。其他合作者包括中國科學技術大學的徐曉嶸教授,城大能源及環境學院梁國熙教授、機械工程學系楊征保博士、博士後研究員張超博士和博士生宋雨欣,以及來自電子科技大學的鄧旭教授。

Professor Wang Zuankai
圖為城大相關研究團隊部分成員。左起鄭煥璽、徐王淮、王鑽開教授、張超博士和博士生宋雨欣。

 

這項研究獲得香港城大、中國國家自然科學基金、香港研究資助局、創新科技署、深圳市科技創新委員會、美國國家科學基金會等資助。團隊正就此技術在美國和中國內地申請專利。

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

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