城大最新研發(fā)水滴發(fā)電機 一滴水可點亮100盞小LED燈
香港城市大學(xué)（城大）學(xué)者領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊，成功研發(fā)出新型水滴發(fā)電機（droplet-based electricity generator, DEG），設(shè)有類似晶體管的結(jié)構(gòu)，使其瞬時功率密度（instantaneous power density）較現(xiàn)時類似的水滴發(fā)電機增加數(shù)以千倍，並大大提升電能轉(zhuǎn)化效率。這項突破性成果有助推動水力發(fā)電的科學(xué)研究及應(yīng)對能源危機。
研究由城大機械工程學(xué)系王鑽開教授、美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校曾曉成教授，和中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士合作領(lǐng)導(dǎo)，剛於最新一期國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表，論文題為「瞬時高功率密度水滴式發(fā)電機」。
現(xiàn)時傳統(tǒng)利用介面摩擦起電效應(yīng)的液滴發(fā)電機，是基於液滴撞擊表面時的摩擦和靜電感應(yīng)而產(chǎn)生電力。但受表面摩擦電荷數(shù)量的限制，這種方式的電能轉(zhuǎn)化效率較低。
為提升電能轉(zhuǎn)化效率，研究團隊花了兩年時間研發(fā)出新型液滴發(fā)電機，其瞬時功率密度、即每平方米可產(chǎn)生的最高能量達到50.1瓦，較沒有晶體管設(shè)計的液滴發(fā)電機增加了數(shù)以千倍，電能轉(zhuǎn)換效率亦大大提升。
王教授指出，這項新研發(fā)有兩大關(guān)鍵︰第一是團隊發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水滴持續(xù)撞擊可長期帶有電荷的永電體材料聚四氟乙烯（PTFE），所產(chǎn)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(fā)現(xiàn)助他們克服了之前面對的電荷密度低之瓶頸問題。
另一關(guān)鍵是他們研發(fā)的一組獨特結(jié)構(gòu)，類似1956年諾貝爾物理學(xué)獎的得獎技術(shù)，現(xiàn)已成為現(xiàn)代電子器件所必須具備——場效應(yīng)晶體管（field-effect transistor）。該結(jié)構(gòu)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(zé)電荷產(chǎn)生、儲存和感應(yīng)。當(dāng)水滴撞擊PTFE/ITO表面，並在表面上散開時，由於水是導(dǎo)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(shè)計，連續(xù)不斷的水滴使PTFE上積存了密度很高的表面電荷；同時，每當(dāng)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(chǎn)生了電流。因此，瞬時功率密度和電能轉(zhuǎn)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(chǎn)生超過140伏特電壓，發(fā)電機產(chǎn)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(fā)更多水資源，以應(yīng)對全球可再生能源短缺問題，長遠來說，該新型設(shè)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(nèi)，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(xué)系副研究員徐王淮先生、高級副研究員鄭煥璽先生及周曉峰博士，以及美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校劉源女士。其他合作者包括中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐曉嶸教授，城大能源及環(huán)境學(xué)院梁國熙教授、機械工程學(xué)系助理教授楊征保博士、博士後研究員張超博士和博士生宋雨欣，以及中國電子科技大學(xué)的鄧旭教授。