新型水滴式發(fā)電機(jī) 一滴水能產(chǎn)生140伏的電力點亮100個LED燈泡

由hk城市大學(xué)(CityU)的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組最近開發(fā)了一種具有場效應(yīng)晶體管(FET)樣結(jié)構(gòu)的液滴型發(fā)電機(jī)(DEG)，這種發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率和瞬時功率密度是沒有FET技術(shù)的同類產(chǎn)品的數(shù)千倍。這將有助于推進(jìn)水能發(fā)電的科學(xué)研究，解決能源危機(jī)。

這項研究由城市大學(xué)機(jī)械工程系的王祖凱教授、內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的曾曉成教授和中國科學(xué)院北京納米能源與納米系統(tǒng)研究所的創(chuàng)始主任和首席科學(xué)家王忠林教授共同領(lǐng)導(dǎo)。他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然》雜志的一項名為“具有高瞬時功率密度的液滴型發(fā)電機(jī)”的研究中。

電能轉(zhuǎn)換效率大大提高

大約70%的地球表面被水覆蓋著。然而，由于現(xiàn)有技術(shù)的限制，波浪、潮汐甚至雨滴中的低頻動能不能有效地轉(zhuǎn)化為電能。例如，傳統(tǒng)的基于摩擦電效應(yīng)的液滴能量發(fā)生器可以在液滴接觸表面時產(chǎn)生接觸帶電和靜電感應(yīng)產(chǎn)生的電。但由于界面效應(yīng)的限制，表面產(chǎn)生的電荷量有限，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率較低。

為了提高轉(zhuǎn)換效率，研究團(tuán)隊花了兩年的時間來開發(fā)DEG，其瞬時功率密度可達(dá)50.1 W/m2，是其他類似設(shè)備的數(shù)千倍，而沒有使用類似fet的設(shè)計。能量轉(zhuǎn)換效率明顯提高。

hk城市大學(xué)的王教授指出，這項發(fā)明有兩個關(guān)鍵因素。首先，研究小組發(fā)現(xiàn)，連續(xù)的液滴撞擊PTFE(一種帶有準(zhǔn)永久性電荷的駐極體材料)，為高密度表面電荷的積累和儲存提供了一條新的途徑。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水滴不斷地撞擊聚四氟乙烯表面時，所產(chǎn)生的表面電荷會積累并逐漸達(dá)到飽和。這一新發(fā)現(xiàn)有助于克服以前工作中遇到的低電荷密度的瓶頸。

獨特的場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)

他們設(shè)計的另一個關(guān)鍵特征是一組獨特的類似于FET的結(jié)構(gòu)，F(xiàn)ET是現(xiàn)代電子設(shè)備的基本構(gòu)件。該裝置由鋁電極和銦錫氧化物(ITO)電極組成，ITO電極上沉積一層聚四氟乙烯薄膜。PTFE/ITO電極負(fù)責(zé)電荷的產(chǎn)生、儲存和誘導(dǎo)。當(dāng)下落的水滴撞擊并擴(kuò)散到PTFE/ITO表面時，它自然地將鋁電極和PTFE/ITO電極“搭橋”，將原來的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為閉環(huán)電路。

通過這種特殊的設(shè)計，通過連續(xù)的液滴撞擊，聚四氟乙烯上可以積累高密度的表面電荷。同時，當(dāng)擴(kuò)散的水連接兩個電極時，聚四氟乙烯上所有儲存的電荷都能被完全釋放，從而產(chǎn)生電流。因此，瞬時功率密度和能量轉(zhuǎn)換效率都要高得多。

“我們的研究表明，從15厘米的高度一滴100微升的水可以產(chǎn)生超過140伏的電壓。產(chǎn)生的能量可以點亮100個小的LED燈泡，”王教授說。

他補充說，瞬時功率密度的增加不是來自額外的能量，而是來自于水本身動能的轉(zhuǎn)換。“下落的水所蘊含的動能是由重力產(chǎn)生的，可以被認(rèn)為是自由和可再生的。它應(yīng)該得到更好的利用?！?/p>

他們的研究還表明，相對濕度的降低并不影響發(fā)電效率。此外，雨水和海水都可以用來發(fā)電。

促進(jìn)世界的可持續(xù)性

王教授希望本研究的成果能有助于獲取水能，以應(yīng)對全球可再生能源短缺的問題?！坝糜甑味皇鞘秃秃四馨l(fā)電可以促進(jìn)世界的可持續(xù)發(fā)展，”他補充說。

他認(rèn)為，從長遠(yuǎn)來看，新的設(shè)計可以應(yīng)用和安裝在不同的表面，液體與固體接觸，充分利用水中的低頻動能。這可以從船體表面的渡輪，海岸線，到傘的表面，甚至內(nèi)部的水瓶。