【專訪】城大水滴發電研究團隊專訪　一滴水發電140V + 點亮100個小LED燈

下大雨時有沒有感覺到水滴從天上降下來，滴在雨傘上產生了不小的衝擊力。香港城市大學學者領導的研究團隊，就發現這些衝擊力可利用作發電用途，極有可能在太陽能、風力、水力、海浪、潮汐發電之外，發展出一種全新的大自然再生能源。

 

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地球有 7 成表面被水資源覆蓋，但利用到水動能發電的發電廠，除了在河流架設的水力發電之外，由於技術所限，海浪、潮汐，甚至雨水等低頻率的動能都未能有效率地被利用作發電用途。過往曾有人研究過利用雨點撞擊表面時的摩擦力、靜電感應化為電力，但由於表面摩擦電荷數量有限制，一直都未能被好好利用。

 

液滴發電產生能量較以往多數以千倍

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，以及中國科學院北京納米能源系統研究所王中林院士領導的研究團隊，就發明了一部全新「瞬時高功率密度水滴式發電機」，以向人們證明水從天滴下來是能夠發電，且能夠有不錯的效率。他們只使用 100 微升的水滴，從 15 厘米高度滴下，已經可產生超過 140 伏特電壓，能夠點亮 100 顆小型 LED 燈。每平方米可產生最高能量可達到 50.1 瓦，較過往的液滴發電機增加數以千倍。

▲城大相關研究團隊部分成員。左起鄭煥璽、徐王淮、王鑽開教授、張超博士和博士生宋雨欣。

 

 

他們用類似晶體管的架構，大幅改良過往曾有的類似水滴發電機。第一個關鍵（下圖a）是他們發現聚四氟乙烯(PTFE)這種可長期帶有電荷的永電體材料，能夠通過水滴持續不斷的撞擊，所產生的表面靜電荷可不斷累積，令 PTFE 可儲存高密度的表面電荷。

 

 

而另一個關鍵（上圖b），他們利用類似 1956 年諾貝爾物理獎技術的「場效應晶體管（field-effect transistor)」，製造了一個把電荷轉化為電流的獨特架構。

 

▲水滴發生後的充電變化

 

兩個關鍵令水滴發電變成可能

在這個架構由鋁電極與加上了 PTFE 薄膜的銦錫氧化物（ITO）電極組成，在水點滴到表面時，除了衝擊力能產生電荷，而水的導電性亦把上述兩個電極接通。在通電後，積存在 PTFE 上的高密度電荷就會被釋放，產生電流。

 

在瞬時功率密度與電能轉化效率都得到大幅提升的情況下，水滴發電的效率比以往提升超過千倍至數千倍，令到不可行變成可行。

 

今次城大同學們為我們簡單示範如何測定到水滴可以發電，以及講解箇中的原理。首先設置有一塊發電板，在其之上設置一個連接了水泵的點滴裝置。

 

 

在開啟水泵後，水滴會竹滴在今次測試的發電板上。另一方面發電板連接到的電流計，顯示出有電流產生。

 

 

而在加大水滴流量後，更可令到 LED 燈閃亮。

 

後續工作：加強效率、盡快令技術變成生產力

有關研究成果已在外國最新一期《自然》雜誌中發表。研究團隊下一步將會做的是繼續提升發電機的效率。城大機械工程學系博士研究員張超博士指：「現時產生的電壓是瞬間電壓，我們需要看看把它變成持續電壓。另外它的儲電能力雖然強，但儲電極限以及穩定性都需要繼續考察。」博士生宋雨欣則指「材料方面，我們希望把它的 PTFE 膜造得更厚，另外需要減少短路現象，以進一步提升效率。」

 

▲城大機械工程學系博士後研究員 張超博士(左） 本科四年級生 林浩霆（中） 博士生 宋雨欣（右）

 

而城大機械工程學系王鑽開教授則指，中國大陸有非常大的市場，「下一步我們會爭取同內地各大機構、大學及企業聯合起來，盡快把我們的研究成果變成生產力。」

 

▲城大機械工程學系王鑽開教授

全球都面對能源轉型問題，由過往的石化能源轉移到可再生能源，面對資源不足、發電機組費用龐大的問題，有必要再充份利用低頻率水動能，以拓展更多可再生能源的資源。

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