導讀
據香港城市大學官網近日報道，該校研究團隊開發出新型水滴發電機（DEG），其瞬時功率密度較現時類似的水滴發電機增加數以千倍，並大大提升了電能轉化效率。
背景
地球大約70%的表面被水覆蓋。水力發電並不是什麼新鮮事。
新型渦輪機利用海海浪發電（圖片來源：OIST）
可是，由於現有技術的限制，波浪、潮汐、甚至是水滴中含有的低頻動能並沒有被有效地轉化為電能。例如，當水滴撞擊物體表面時，基於摩擦起電效應的傳統水滴發電機會因為接觸帶電和靜電感應而產生電能。然而，表面生成的電荷數量受到介面效應的限制，因此電能轉化效率相當低。
創新
近日，香港城市大學（CityU）的研究團隊開發出新型水滴發電機（DEG），讓我們離利用雨滴來高效發電的理想又更近了一步。它設有類似場效應電晶體（FET）的結構，使其瞬時功率密度較現時類似的水滴發電機（無類似場效應電晶體結構）增加數以千倍，並大大提升了電能轉化效率。這項突破性成果有助推動水能發電的科學研究以及應對能源危機。
這項研究由香港城市大學機械工程系王鑽開教授、美國內布拉斯加大學林肯分校曾曉成教授、中國科學院北京奈米能源與系統研究所創始主任、首席科學家王中林院士共同領導。研究成果發表在最新一期的國際權威學術期刊《自然（Nature）》上。
下圖為城大研究團隊部分成員：（左起）鄭煥璽先生、徐王淮先生、王鑽開教授、張超博士和宋雨欣。
（圖片來源：香港城市大學）
技術
為了提升電能轉化效率，研究團隊花費了兩年時間開發 DEG。其瞬時功率密度可以達到 50.1 W/m2，比沒有使用類似 FET 設計的其他類似裝置高數千倍，並且能量轉化效率顯著提升。
香港城市大學的王教授指出，這項發明有兩個關鍵因素。第一，團隊發現，水滴持續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儲存提供了一種新方法。他們發現，當水滴持續撞擊 PTFE 表面時，生成的表面電荷累積並逐漸達到飽和。這項新發現有助於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鍵特徵就是一套類似 FET 的獨特結構。FET 是一項於1956年獲得諾貝爾物理學獎的創新，現在已經變成了構成現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 電極負責電荷的生成、儲存和感應。當一滴水落到 PTFE/ITO 電極表面上並擴散開來時，“接通”了鋁電極和 PTFE/ITO 電極，將原始的系統轉化成一個閉環電路。
下圖a為水滴發電機的原理示意圖：氧化銦錫（ITO）玻璃片上加上了一層聚四氟乙烯（PTFE），並在上面放置鋁電極。當水滴撞擊玻璃片表面時，充當電晶體的柵極，就“接通”了電路。下圖b為四個並排的水滴發電機裝置。
通過這種特殊的設計，持續的水滴撞擊使 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，產生了電流。因此，瞬時功率密度和能量轉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微升等於百萬分之一升）的水滴從15釐米的高度落下，可以產生超過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）
他補充道，瞬時功率密度的提升並不是由額外的能量引起的，而是由水本身的動能轉化引起的。“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。它應該得到更好利用。”
他們的研究也表明，相對溼度的降低不會影響發電效率。此外，雨水和海水都可以用於發電。
價值
王教授希望，這項研究的成果將有助於利用水能，來應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電，可以促進世界的可持續發展。”
他相信，長遠來說，這項新設計可以應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，這樣就能充分利用低頻的水動能。
關鍵字
雨滴、可持續、發電
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
【2】https://www.cityu.edu.hk/media/news/2020/02/06/cityu-new-droplet-based-electricity-generator-drop-water-lights-100-small-led-bulbs