下雨的時候太陽能發(fā)電板得物無所用，但可能假以時日，雨水也可以發(fā)電！香港城市大學(xué)（城大）學(xué)者領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊，最近研發(fā)出水滴發(fā)電機(jī)（droplet-based electricity generator），設(shè)有類似晶體管的結(jié)構(gòu)，使它的瞬時功率密度（instantaneous power density）較現(xiàn)時類似的水滴發(fā)電機(jī)增加了數(shù)以千倍，并大大提升電能轉(zhuǎn)化效率，有助推動水力發(fā)電的科學(xué)研究及應(yīng)對能源危機(jī)。

是次研究由城大機(jī)械工程學(xué)系的王鉆開教授、美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校曾曉成教授和中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士合作領(lǐng)導(dǎo)。有關(guān)研究成果在最新一期《自然》雜志發(fā)表，論文題為「瞬時高功率密度水滴式發(fā)電機(jī)」。

電能轉(zhuǎn)化效率大幅提升

水力發(fā)電已非新鮮事物。雖說地球有約七成的表面被水資源覆蓋，但礙于技術(shù)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(zhuǎn)化為電能。例如傳統(tǒng)利用介面摩擦起電效應(yīng)的液滴發(fā)電機(jī)，是基于每個液滴撞擊表面時的摩擦和靜電感應(yīng)而產(chǎn)生電力。但受表面摩擦電荷數(shù)量的限制，這種方式的電能轉(zhuǎn)化效率較低。

為提升電能轉(zhuǎn)化效率，研究團(tuán)隊花了兩年時間研發(fā)出液滴式發(fā)電機(jī)，其瞬時功率密度、即每平方米可產(chǎn)生的最高能量達(dá)到50.1瓦，較沒有晶體管設(shè)計的液滴發(fā)電機(jī)增加了數(shù)以千倍，電能轉(zhuǎn)換效率亦大大提升。

王教授指出，這項新研發(fā)具有兩大關(guān)鍵︰第一是團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水滴持續(xù)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)

另一關(guān)鍵是他們研發(fā)了的一組獨特結(jié)構(gòu)，類似現(xiàn)代電子器件所必須具備、1956年諾貝爾物理學(xué)獎的得獎技術(shù)場效應(yīng)晶體管（field-effect transistor）。該結(jié)構(gòu)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(fù)責(zé)電荷產(chǎn)生、儲存和感應(yīng)。當(dāng)水滴撞擊PTFE/ITO表面，并在表面上散開，由于水是導(dǎo)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(shè)計，連續(xù)不斷的水滴使PTFE上積存了密度很高的表面電荷；同時，每當(dāng)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(chǎn)生了電流。因此，瞬時功率密度和電能轉(zhuǎn)化效率都大幅提升。

 

_{水滴撞擊所產(chǎn)生的表面電荷數(shù)量會隨撞擊的過程上升和回落。視頻來源: 香港城市大學(xué) /《自然》}

一滴水足以點亮百盞小LED燈

王教授說︰「我們的研究顯示，一滴100 微升（一微升等于百萬分之一升）的水滴由15厘米的高度滴下，可產(chǎn)生超過140V電壓，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能足以點亮100盞小LED燈。」

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

_{透過水滴發(fā)電機(jī)可產(chǎn)生超過140V電壓，一滴水足以點亮100盞小LED燈。視頻來源: 香港城市大學(xué) / 《自然》}

促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展

王教授希望是次研究成果可以幫助全球開發(fā)更多水資源，以應(yīng)對全球可再生能源短缺問題。他相信：「將雨滴產(chǎn)生的能量來發(fā)電，而不單靠石油或核能發(fā)電，將有助世界的可持續(xù)發(fā)展」。他認(rèn)為長遠(yuǎn)來說，該新型設(shè)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(nèi)，這樣就能充分利用低頻的水動能。

王鉆開教授、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(jī)械工程學(xué)系的徐王淮、鄭煥璽、周曉峰，以及美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的劉源。其他合作者包括中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的徐曉嶸教授，城大能源及環(huán)境學(xué)院梁國熙教授、機(jī)械工程學(xué)系楊征保博士、博士后研究員張超博士和博士生宋雨欣，以及來自電子科技大學(xué)的鄧旭教授。

 

這項研究獲得香港城大、中國國家自然科學(xué)基金、香港研究資助局、創(chuàng)新科技署、深圳市科技創(chuàng)新委員會、美國國家科學(xué)基金會等資助。團(tuán)隊正就此技術(shù)在美國和中國內(nèi)地申請專利。

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

相關(guān)故事: 水向上流不是夢! 實現(xiàn)液滴高速的長距離自驅(qū)動傳輸新策略！

本文已于 “香港城大研創(chuàng)” 微信公眾號發(fā)布。
Wechat ID: CityU_Research