利用雨滴來發電並不是什麼稀奇的事情,過去許多科學家以液滴撞擊表面的摩擦起電效應(tribeoelectric effect)與靜電感應研製出各種新奇的設備,像是在太陽能板裝上奈米摩擦發電機,讓太陽能模組不管是晴天還是雨天都有電。
所謂摩擦起電,指的是透過兩種不同的物體相互摩擦,讓物體最外層的電子有足夠的能量轉移,最後兩個物體分別帶有負電荷與正電荷,這也是靜電起因,只不過受摩擦電荷數量的限制,雨滴撞擊力太小,發電量往往不高。
因此香港城市大學(城大)與美國內布拉斯加大學林肯分校(UNL)除了同樣地善用摩擦起電理念,還研製出類似場效電晶體(field-effect transistor,FET)的三端(three-terminal)設備, 以電場效應控制電流,最終提高設備的能量密度。
該設備由鋁電極以及覆蓋永電體材料聚四氟乙烯(PTFE)的氧化銦錫(ITO)電極組成,其中PTFE/ITO電極主要負責感應、產生與儲存電荷,而團隊採用PTFE 材料主要是考量到設備以雨水來發電,發電機還要具備防水等功能,以免雨水滲入設備影響壽命,除此之外,當雨滴打在設備上時,PTFE也會橋接兩個電極並形成封閉迴路,釋放儲存在材料表面的電荷。
這過這項設計,團隊的DGE設備瞬間功率密度與能量轉換效率雙雙提高,瞬間功率密度已提高至每平方公尺50W,為過去設備的千倍以上。城大材料工程系教授王鑽開(Wang Zuankai )指出,根據團隊實驗,若100微升(microlitre,μL)的水從15公分處落下,可產生140伏特電壓,電力足夠點亮100盞LED。
王鑽開補充,瞬間功率密度之所以會提高,並不是因為附加能量,而是由雨滴動能轉換而來,團隊認為可善加利用這些既免錢又永續的雨滴重力。同時這項設備不單單只能透過雨水來發電,海水也同樣可行,因此可裝設在輪船船身、海岸邊以及雨傘表面等地。
目前研究已發表在《Nature》。
The Next Renewable Energy Source Could Be Rain
CityU new droplet-based electricity generator: A drop of water lights up 100 small LED bulbs
※本文獲科技新報授權轉載,原文:雨水也是天然發電來源,一滴水足以點亮百盞LED