發電機模型的示意圖與實驗設備照片 / source:https://www.cityu.edu.hk/

過去曾有不少試圖利用雨水發電的研究,但最近香港城市大學(City University of Hong Kong)領導的研究團隊開發了一種新的液滴式發電機(droplet-based electricity generator, DEG),具有突破性的進展,有助推動新型態的水力發電並應對能源危機。

雨水發電

既有的液滴式發電機是利用摩擦發電效應(triboelectric effect),用液滴撞擊表面時的摩擦和靜電感應而產生電力。但受表面摩擦電荷數量的限制,這種方式的電能轉換效率較低。為提升效率,研究團隊花了兩年時間研發出新型液滴式發電機,瞬時功率密度最高可達到 50.1 W/m2,較原先的液滴式發電機增加了數千倍,電能轉換效率亦大大提升。

創新關鍵

城市大學機械工程學系王鑽開教授指出,這項新研發有兩大關鍵︰首先是團隊發現,當水滴持續撞擊可自身帶有電荷的駐極體(electret)材料,聚四氟乙烯(PTFE,商品名鐵氟龍),所產生的表面靜電荷會不斷累積直至飽和,令 PTFE 可儲存高密度的表面電荷。此發現幫助他們克服電荷密度過低的瓶頸。

另一關鍵是他們研發的類似場效電晶體(field-effect transistor)結構。該結構由鋁電極和表面加上一層 PTFE 薄膜的銦錫氧化物(indium tin oxide, ITO)電極所組成,PTFE 和 ITO 電極負責電荷產生、儲存和感應。

當水滴撞擊 PTFE/ITO 表面,會讓 PTFE 累積高密度的表面電荷,而之後在表面上散開的水會「接通」鋁電極和 PTFE/ITO 兩個電極之間的通路,變成一個可通電的完整電路,釋放積存在 PTFE 上的電荷而產生電流。因此,瞬時功率密度和電能轉化效率都大幅提升。

成果與展望

王教授表示︰「我們的研究顯示,一滴 0.1 毫升的水滴由 15 公分的高度滴下,可產生超過 140 伏特電壓,產生的電能足以點亮100盞小 LED 燈。」

王教授希望研究成果可以幫助全球開發更多水資源,以應對全球可再生能源短缺問題。長遠來說,該新型設計可以推廣和安裝在不同液體與固體接觸的表面上,例如輪船船身、海岸邊,甚至雨傘表面或水瓶內,這樣就能充分利用水的動能。

參考資料:

  1. Xu, W., Zheng, H., Liu, Y., Zhou, X., Zhang, C., Song, Y., … Wang, Z. (2020). A droplet-based electricity generator with high instantaneous power density. Nature. doi: 10.1038/s41586-020-1985-6
  2. City University of Hong Kong. (2020, February 6). CityU new droplet-based electricity generator: A drop of water lights up 100 small LED bulbs. Retrieved February 15, 2020.
  3. Fingas, J. (2020, February 10). Rain may soon be an effective source of renewable energy. Retrieved February 14, 2020, from
  4. ROBITZSKI, D. A. N. (2020, February 10). Scientists invent device to generate electricity from rain. Retrieved February 14, 2020, from
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