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新型液滴發電機:一滴水可產生140伏特電壓,點亮100個LED燈泡

出處 Science Daily 作者 張敬信摘譯 年份 2020/04/14
報告類型 新聞報導 分類 新及再生能源 資料時間 2020年4月
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       有效的液滴發電已向前邁進了一步。由香港城市大學(城大)學者領導的研究團隊,近期開發了一種液滴發電機(droplet-based electricity generator, DEG),其特點是具有類似於場效電晶體的結構;與沒有類場效電晶體(field-effect transistor (FET)-like)結構的同類產品相比,其可實現高能量轉換效率,並使瞬時功率密度增加數千倍,這將有助於推動水力發電的科學研究與應對未來的能源危機。

       這項研究是由城大機械工程系的王教授、美國Nebraska-Lincoln大學的曾教授以及中國科學院北京奈米能源與系統研究所創始主任兼首席科學家-王中林院士共同領導,他們的發現已發表在最新一期的《自然》雜誌上。

電能轉換效率大大提高

       水力發電不是什麼新鮮事,地球上約70%的表面被水覆蓋,但受限於目前技術,波浪、潮汐甚至雨滴中所包含的低頻動能,仍無法有效地轉換為電能。例如,現行利用摩擦起電效應的傳統液滴發電機,可以在液滴撞擊表面時的靜電感應而產生電;然而,由於表面電荷數量受到界面效應的限制,使得其能量轉換效率非常低。

       為了提高轉換效率,研究團隊花了兩年時間開發此液滴發電機,其瞬時功率密度可以達到50.1 W/m2,為不具該類場效電晶體設計的其他同類設備的數千倍,同時其能量轉換效率明顯更高。

       城大的王教授指出,這項發明具有兩項關鍵因素;首先,研究團隊發現當水滴持續撞擊具有永久電荷的聚四氟乙烯(PTFE)時,其可儲存高密度的表面電荷,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。

       因篇幅有限,場效電晶體的結構請參考原文或其刊論文 Nature, 2020; DOI: 10.1038/s41586-020-1985-6

       王教授表示︰「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 V的電壓,產生的電足以點亮100盞小型LED燈泡。」

       他補充說明,瞬時功率密度的提高是由水本身動能的轉換所引起的,而不是靠附加的能量。落下的水所產生的動能是由於重力產生的,可視為免費且可再生的能源,應該更好地利用它。

       他們的研究還顯示,相對濕度不會影響發電效率。另外,雨水和海水皆可用來發電。