城大最新研发水滴发电机：一滴水可点亮100盏小LED灯

城大最新研发水滴发电机：一滴水可点亮100盏小LED灯

香港城市大学（城大）学者领导的研究团队，成功研发出新型水滴发电机（droplet-based electricity generator, DEG），设有类似晶体管的结构，使其瞬时功率密度（instantaneous power density）较现时类似的水滴发电机增加数以千倍，并大大提升电能转化效率。这项突破性成果有助于推动水力发电的科学研究及应对能源危机。

研究由城大机械工程学系王钻开教授、美国内布拉斯加大学林肯分校曾晓成教授，和中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士合作领导，刚于最新一期国际权威学术期刊《自然》发表，论文题为「瞬时高功率密度水滴式发电机」。

目前传统利用界面摩擦起电效应的液滴发电机，是基于液滴撞击表面时的摩擦和静电感应而产生电力。但受表面摩擦电荷数量的限制，这种方式的电能转化效率较低。

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。

为提升电能转化效率，研究团队花了两年时间研发出新型液滴发电机，其瞬时功率密度、即每平方米可产生的最高能量达到50.1瓦，较没有晶体管设计的液滴发电机增加了数以千倍，电能转换效率亦大大提升。

王教授指出，这项新研发有两大关键：第一是团队发现，当水滴持续撞击可长期带有电荷的永电体材料聚四氟乙烯（PTFE），所产生的表面静电荷（surface charge）会不断累积至饱和水平，令PTFE可储存高密度的表面电荷。这一发现帮助他们克服了之前面对的电荷密度低之瓶颈问题。

另一关键是他们研发的一组独特结构，类似1956年诺贝尔物理学奖的得奖技术，现已成为现代电子器件所必须具备——场效应晶体管（field-effect transistor）。该结构由一个铝电极和一个表面加上了一层PTFE薄膜的铟锡氧化物（ITO）电极所组成，PTFE和ITO电极负责电荷产生、储存和感应。当水滴撞击PTFE/ITO表面，并在表面上散开时，由于水是导电的，会“接通”铝电极和PTFE/ITO两个电极之间的通路，变成一个可通电的完整电路。

通过这独特设计，连续不断的水滴使PTFE上积存了密度很高的表面电荷；同时，每当水滴接通了两个电极，所有积存在PTFE上的电荷都全被释放，产生了电流。因此，瞬时功率密度和电能转化效率都大幅提升。

王教授说：“我们的研究显示，一滴100微升（一微升等于百万分之一升）的水滴由15厘米的高度滴下，可产生超过140伏特电压，发电机产生的电能足以点亮100盏小LED灯。”

王教授希望是次研究成果可以帮助全球开发更多水资源，以应对全球可再生能源短缺问题，长远来说，该新型设计可以推广和安装在不同液态与固态接触的表面上，例如轮船船身、海岸边以至雨伞表面、水樽内，这样就能充分利用低频的水动能。

王钻开教授、曾晓成教授和王中林院士是论文的共同通讯作者。共同第一作者包括城大机械工程学系副研究员徐王淮先生、高级副研究员郑焕玺先生及周晓峰博士，以及美国内布拉斯加大学林肯分校刘源女士。其他合作者包括中国科学技术大学徐晓嶸教授，城大能源及环境学院梁国熙教授、机械工程学系助理教授杨征保博士、博士后研究员张超博士和博士生宋雨欣，以及中国电子科技大学的邓旭教授。