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城大机械工程系研发最新“水滴发电机”,一滴水就能点亮100盏小LED灯!
发布时间:2020-03-31 09:47:15 | 浏览次数:


一滴水有多大能量?看看城大最新研发的“水滴发电机”就知道了。


由香港城市大学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)。这项发明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”


 

论文的共同第一作者是香港城大机械工程学系的徐王淮、郑焕玺 、周晓峰(现为华东师范大学副教授),以及美国内布拉斯加大学林肯分校的刘源。其他合作者包括中国科学技术大学的徐晓嵘教授,香港城大能源及环境学院梁国熙教授、机械工程学系杨征保博士、博士后研究员张超博士和博士生宋雨欣,以及来自电子科技大学的邓旭教授。

 

新型液滴发电机


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。”

现在传统利用介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。但由于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。

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。

 


a为水滴发电机的原理示意图:铟锡氧化物(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。当水滴撞击玻璃片的表面,充当晶体管的栅极,就“接通”了电路

b为四个并排的水滴发电机装置


研发两大关键


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。


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体与固体接触的表面上,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。

 
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