新型液滴式發電機:一滴水可產生140V電壓,點亮100個LED燈泡

圖a是基於液滴的發電機（DEG）的示意圖。圖b是在玻璃基板上製造的四個平行的DEG器件的光學圖像。圖片：香港城市大學/自然

由香港城市大學（CityU）的科學家領導的研究小組最近開發了一種基於液滴的發電機（DEG），該發電機具有類似於場效應電晶體（FET）的結構，可實現高能量轉換效率和瞬時功率密度，是沒有使用FET技術的同類產品的數千倍。這將有助於推進水能發電的科學研究並解決能源危機。

這項研究是由香港城市大學機械工程系的王鑽開教授，內布拉斯加州林肯大學的曾曉成教授和中國科學院北京納米能源與納米系統研究所的創始主任兼首席科學家王中林教授共同領導的。他們的發現發表在《自然》雜誌的一項名為「具有高瞬時功率密度的基於液滴的發電機」的研究中。

Nature發文

電能轉換效率大大提高

地球約70％的表面被水覆蓋。然而，由於當前技術的限制，波浪\潮汐甚至雨滴中包含的低頻動能不能有效地轉換為電能。例如，當液滴撞擊表面時，基於摩擦電效應的常規液滴能量產生器可以產生接觸和靜電感應的電。然而，在表面上產生的電荷量受到界面效應的限制，能量轉換效率非常低。

水滴在PTFE薄膜和鋁電極上的表面形態和滑動行為

為了提高轉換效率，研究團隊花了兩年時間開發DEG。它的瞬時功率密度可以達到50.1W/m2，是不使用類似FET的設計的其他同類設備的數千倍。並且能量轉換效率明顯更高。

香港城市大學的王鑽開教授指出，這項發明有兩個關鍵因素。首先，研究小組發現撞擊到PTFE（帶準永久電荷的駐極體材料）上的連續液滴，為高密度表面電荷的積累和存儲提供了一條新途徑。他們發現，當水滴連續撞擊PTFE表面時，產生的表面電荷將累積並逐漸達到飽和。這一新發現有助於克服先前工作中遇到的低電荷密度瓶頸。

PTFE膜上的表面電荷密度在連續的液滴撞擊過程中會發生波動。圖片：香港城市大學/自然

獨特的類場效應電晶體結構

他們設計的另一個關鍵特徵是一組獨特的結構，類似於FET，這是現代電子設備的基本組成部分。該設備由鋁電極和銦錫氧化物（ITO）電極組成，上面沉積有PTFE膜。PTFE/ITO電極負責電荷的產生、存儲和感應。當下落的水滴撞擊並散布在PTFE/ITO表面上時，自然會「橋接」鋁電極和PTFE/ITO電極，從而將系統轉換為閉環電路。

通過這種特殊設計，可以通過連續的液滴撞擊在PTFE上積累高密度的表面電荷。同時，當散布的水連接兩個電極時，PTFE上存儲的所有電荷都可以完全釋放，以產生電流。結果，瞬時功率密度和能量轉換效率都高得多。

分子動力學模擬示出PTFE表面水滴中的電荷分布（Na+和Cl-）

王鑽開教授說：「我們的研究表明，從15釐米的高度釋放一滴100微升的水可以產生超過140V的電壓。所產生的功率可以點亮100個小型LED燈泡。」

使用新的基於液滴的發電機，從15釐米高處釋放的水滴可以產生超過140V的電壓，從而點亮100個小型LED燈泡。圖片：香港城市大學/自然

他補充說，瞬時功率密度的增加不是由附加能量引起的，而是由水本身動能的轉換引起的。「下降的水所產生的動能是由於重力產生的，可以被認為是自由的和可再生的。應該更好地利用它。」

他們的研究還表明，相對溼度的降低不會影響發電效率。另外，雨水和海水都可以用來發電。

促進世界的可持續發展

王教授希望這項研究的成果將有助於收集水能，以應對全球可再生能源短缺的問題。他補充說：「用雨滴代替石油和核能發電可以促進世界的可持續發展。」

他認為，從長遠來看，新的設計可以應用並安裝不同的表面，其中液體與固體接觸時，充分利用低頻動能的能量水。這可以安裝到渡輪、海岸線，甚至雨傘或水瓶內部。

簡單的雨水收集發電系統演示