城大最新研發水滴發電機一滴水可點亮100盞小LED燈

City University of Hong Kong
06.02.2020 12:52

新聞稿

城大最新研發水滴發電機　一滴水可點亮100盞小LED燈

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。

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）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。

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徐王淮先生、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、機械工程學系楊征保博士、博士後研究員張超博士和博士生宋雨欣，以及電子科技大學的鄧旭教授。