导读
据香港城市大学官网近日报道，该校研究团队开发出新型水滴发电机（DEG），其瞬时功率密度较现时类似的水滴发电机增加数以千倍，并大大提升了电能转化效率。
背景
地球大约70%的表面被水覆盖。水力发电并不是什么新鲜事。
新型涡轮机利用海海浪发电（图片来源：OIST）
可是，由于现有技术的限制，波浪、潮汐、甚至是水滴中含有的低频动能并没有被有效地转化为电能。例如，当水滴撞击物体表面时，基于摩擦起电效应的传统水滴发电机会因为接触带电和静电感应而产生电能。然而，表面生成的电荷数量受到界面效应的限制，因此电能转化效率相当低。
创新
近日，香港城市大学（CityU）的研究团队开发出新型水滴发电机（DEG），让我们离利用雨滴来高效发电的理想又更近了一步。它设有类似场效应晶体管（FET）的结构，使其瞬时功率密度较现时类似的水滴发电机（无类似场效应晶体管结构）增加数以千倍，并大大提升了电能转化效率。这项突破性成果有助推动水能发电的科学研究以及应对能源危机。
这项研究由香港城市大学机械工程系王钻开教授、美國內布拉斯加大學林肯分校曾晓成教授、中国科学院北京纳米能源与系统研究所创始主任、首席科学家王中林院士共同领导。研究成果发表在最新一期的国际权威学术期刊《自然（Nature）》上。
下图为城大研究团队部分成员：（左起）郑焕玺先生、徐王淮先生、王钻开教授、张超博士和宋雨欣。
技术
为了提升电能转化效率，研究团队花费了两年时间开发 DEG。其瞬时功率密度可以达到 50.1 W/m2，比没有使用类似 FET 设计的其他类似装置高数千倍，并且能量转化效率显著提升。
香港城市大学的王教授指出，这项发明有两个关键因素。第一，团队发现，水滴持续撞击一种带有准永久电荷的驻极体材料聚四氟乙烯（PTFE），为高密度表面电荷的累积和存储提供了一种新方法。他们发现，当水滴持续撞击 PTFE 表面时，生成的表面电荷累积并逐渐达到饱和。这项新发现有助于克服之前研究中遇到的低电荷密度的瓶颈。
这项研究的另一个关键特征就是一套类似 FET 的独特结构。FET 是一项于1956年获得诺贝尔物理学奖的创新，如今已经变成了构成现代电子器件的基本单元。该装置由一个铝电极和一个 PTFE 薄膜沉积在其上的氧化铟锡（ITO）电极组成。PTFE/ITO 电极负责电荷的生成、存储和感应。当一滴水落到 PTFE/ITO 电极表面上并扩散开来时，“接通”了铝电极和 PTFE/ITO 电极，将原始的系统转化成一个闭环电路。
下图a为水滴发电机的原理示意图：氧化铟锡（ITO）玻璃片上加上了一层聚四氟乙烯（PTFE），并在上面放置铝电极。当水滴撞击玻璃片表面时，充当晶体管的栅极，就“接通”了电路。下图b为四个并排的水滴发电机装置。
通过这种特殊的设计，持续的水滴撞击使 PTFE 上积存了密度很高的表面电荷。与此同时，当水滴扩散开来“接通”两个电极时，所有积存在 PTFE 上的电荷全部都被释放，产生了电流。因此，瞬时功率密度和能量转化效率都会大幅提升。
王教授表示：“我们的研究表明，100微升（1微升等于百万分之一升）的水滴从15厘米的高度落下，可以产生超过140V的电压。生成的电力足以点亮100盏小LED灯。”
他补充道，瞬时功率密度的提升并不是由额外的能量引起的，而是由水本身的动能转化引起的。“下落的水滴所牵涉的动能是由重力引起的，可以被认为是免费以及可再生的。它应该得到更好利用。”
他们的研究也表明，相对湿度的降低不会影响发电效率。此外，雨水和海水都可以用于发电。
价值
王教授希望，这项研究的成果将有助于利用水能，来应对全球可再生能源短缺的问题。他补充道：“利用雨滴取代石油和核能来发电，可以促进世界的可持续发展。”
他相信，长远来说，这项新设计可以应用和安装到液体与固体接触的不同表面上，例如轮船船体面、海岸线、雨伞表面甚至是水瓶内，这样就能充分利用低频的水动能。
关键字
雨滴、可持续、发电
【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
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