導(dǎo)讀
據(jù)香港城市大學(xué)官網(wǎng)近日報道，該校研究團隊開發(fā)出新型水滴發(fā)電機（DEG），其瞬時功率密度較現(xiàn)時類似的水滴發(fā)電機增加數(shù)以千倍，并大大提升了電能轉(zhuǎn)化效率。
背景
地球大約70%的表面被水覆蓋。水力發(fā)電并不是什么新鮮事。
新型渦輪機利用海海浪發(fā)電（圖片來源：OIST）
可是，由于現(xiàn)有技術(shù)的限制，波浪、潮汐、甚至是水滴中含有的低頻動能并沒有被有效地轉(zhuǎn)化為電能。例如，當(dāng)水滴撞擊物體表面時，基于摩擦起電效應(yīng)的傳統(tǒng)水滴發(fā)電機會因為接觸帶電和靜電感應(yīng)而產(chǎn)生電能。然而，表面生成的電荷數(shù)量受到界面效應(yīng)的限制，因此電能轉(zhuǎn)化效率相當(dāng)?shù)汀?
創(chuàng)新
近日，香港城市大學(xué)（CityU）的研究團隊開發(fā)出新型水滴發(fā)電機（DEG），讓我們離利用雨滴來高效發(fā)電的理想又更近了一步。它設(shè)有類似場效應(yīng)晶體管（FET）的結(jié)構(gòu)，使其瞬時功率密度較現(xiàn)時類似的水滴發(fā)電機（無類似場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)）增加數(shù)以千倍，并大大提升了電能轉(zhuǎn)化效率。這項突破性成果有助推動水能發(fā)電的科學(xué)研究以及應(yīng)對能源危機。
這項研究由香港城市大學(xué)機械工程系王鉆開教授、美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校曾曉成教授、中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所創(chuàng)始主任、首席科學(xué)家王中林院士共同領(lǐng)導(dǎo)。研究成果發(fā)表在最新一期的國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然（Nature）》上。
城大研究團隊部分成員：（左起）鄭煥璽先生、徐王淮先生、王鉆開教授、張超博士和宋雨欣。（圖片來源：香港城市大學(xué)）
技術(shù)
為了提升電能轉(zhuǎn)化效率，研究團隊花費了兩年時間開發(fā) DEG。其瞬時功率密度可以達到 50.1 W/m2，比沒有使用類似 FET 設(shè)計的其他類似裝置高數(shù)千倍，并且能量轉(zhuǎn)化效率顯著提升。
香港城市大學(xué)的王教授指出，這項發(fā)明有兩個關(guān)鍵因素。第一，團隊發(fā)現(xiàn)，水滴持續(xù)撞擊一種帶有準永久電荷的駐極體材料聚四氟乙烯（PTFE），為高密度表面電荷的累積和存儲提供了一種新方法。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水滴持續(xù)撞擊 PTFE 表面時，生成的表面電荷累積并逐漸達到飽和。這項新發(fā)現(xiàn)有助于克服之前研究中遇到的低電荷密度的瓶頸。
這項研究的另一個關(guān)鍵特征就是一套類似 FET 的獨特結(jié)構(gòu)。FET 是一項于1956年獲得諾貝爾物理學(xué)獎的創(chuàng)新，如今已經(jīng)變成了構(gòu)成現(xiàn)代電子器件的基本單元。該裝置由一個鋁電極和一個 PTFE 薄膜沉積在其上的氧化銦錫（ITO）電極組成。PTFE/ITO 電極負責(zé)電荷的生成、存儲和感應(yīng)。當(dāng)一滴水落到 PTFE/ITO 電極表面上并擴散開來時，“接通”了鋁電極和 PTFE/ITO 電極，將原始的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成一個閉環(huán)電路。
下圖a為水滴發(fā)電機的原理示意圖：氧化銦錫（ITO）玻璃片上加上了一層聚四氟乙烯（PTFE），并在上面放置鋁電極。當(dāng)水滴撞擊玻璃片表面時，充當(dāng)晶體管的柵極，就“接通”了電路。下圖b為四個并排的水滴發(fā)電機裝置。
（圖片來源：香港城市大學(xué)）
通過這種特殊的設(shè)計，持續(xù)的水滴撞擊使 PTFE 上積存了密度很高的表面電荷。與此同時，當(dāng)水滴擴散開來“接通”兩個電極時，所有積存在 PTFE 上的電荷全部都被釋放，產(chǎn)生了電流。因此，瞬時功率密度和能量轉(zhuǎn)化效率都會大幅提升。
王教授表示：“我們的研究表明，100微升（1微升等于百萬分之一升）的水滴從15厘米的高度落下，可以產(chǎn)生超過140V的電壓。生成的電力足以點亮100盞小LED燈。”
（圖片來源：香港城市大學(xué)）
他補充道，瞬時功率密度的提升并不是由額外的能量引起的，而是由水本身的動能轉(zhuǎn)化引起的。“下落的水滴所牽涉的動能是由重力引起的，可以被認為是免費以及可再生的。它應(yīng)該得到更好利用?！?
他們的研究也表明，相對濕度的降低不會影響發(fā)電效率。此外，雨水和海水都可以用于發(fā)電。
價值
王教授希望，這項研究的成果將有助于利用水能，來應(yīng)對全球可再生能源短缺的問題。他補充道：“利用雨滴取代石油和核能來發(fā)電，可以促進世界的可持續(xù)發(fā)展?！?
他相信，長遠來說，這項新設(shè)計可以應(yīng)用和安裝到液體與固體接觸的不同表面上，例如輪船船體面、海岸線、雨傘表面甚至是水瓶內(nèi)，這樣就能充分利用低頻的水動能。
關(guān)鍵字
雨滴、可持續(xù)、發(fā)電
參考資料
【1】Wanghuai Xu, Huanxi Zheng, Yuan Liu, Xiaofeng Zhou, Chao Zhang, Yuxin Song, Xu Deng, Michael Leung, Zhengbao Yang, Ronald X. Xu, Zhong Lin Wang, Xiao Cheng Zeng, Zuankai Wang. A droplet-based electricity generator with high instantaneous power density. Nature, 2020; DOI: 10.1038/s41586-020-1985-6
