滴水之能 — 可持續能源新發現

文 : 蔡玉芬

城大學者領導的研究團隊，成功研發出新型水滴發電機，一滴水可點亮100盞小LED燈，效果驚人。這項最新研發的液滴發電法有助推動未來水力發電的科學研究及技術發展。

這一國際合作研究項目由城大機械工程學系王鑽開教授領導，研究團隊其他成員包括美國內布拉斯加大學林肯分校及中國科學院北京納米能源與系統研究所的學者。研究結果發表於國際權威學術期刊《自然》上，題為「瞬時高功率密度水滴式發電機」。

王教授說︰「我們的研究顯示，一滴100微升（一微升等於百萬分之一升）的水由15厘米的高度滴下，可產生逾140伏特電壓，足以點亮100盞小LED燈。」

瞬時功率密度

王鑽開教授（中）及他的研究團隊。常見的液滴發電機主要利用介面摩擦起電效應來發電。兩種不同物體在相互摩擦時會產生電荷，因此液滴撞擊任何表面也會產生電力。但受表面摩擦電荷量的限制，如此產生的電能轉化效率較低，與利用瀑布或潮汐發電的其他方法相比，較難把水滴滴下的能量轉換成電力。為提升電能轉化效率，研究團隊花了兩年時間研發出一種新型液滴發電機。其中最大的困難是裝置須細小、便利，卻須同時大幅提升瞬時功率密度。

兩大關鍵

王教授表示，這項新發明有兩大關鍵。首先，他們發現當水滴持續撞擊可長期帶有電荷的永電體材料聚四氟乙烯（PTFE）時，所產生的表面靜電荷會不斷累積至飽和水平，令PTFE可儲存高密度的表面電荷。這一新發現克服了先前面對的電荷密度低之瓶頸問題。

其次是他們研發的一組獨特結構的配置，類似1956年諾貝爾物理學獎的得獎技術、現已成為現代電子器件所必須具備的「場效應晶體管」，有源極、漏極、柵極三端。新型液滴發電機由一個鋁電極和一個表面加上一層PTFE薄膜的銦錫氧化物（ITO）電極所組成，PTFE/ITO電極負責電荷產生、儲存和感應。當水滴撞擊PTFE/ITO表面，並在表面上散開時，由於水是導電的，會「接通」鋁電極（漏極）和PTFE/ITO兩個電極之間的通路，變成一個可通電的完整電路。

一滴水可產生高瞬時功率密度的電力。透過這種獨特的設計，連續不斷的水滴可使PTFE薄膜上積存高密度表面電荷；同時，每當水滴接通兩個電極，所有積存在PTFE薄膜上的電荷會被全部釋放出來，產生電流。因此，瞬時功率密度和電能轉化效率都大幅提升，使一滴水可點亮100盞小LED燈。其瞬時功率密度為每平方米可產生最高50.1瓦能量，較沒有晶體管設計的液滴發電機多出數千倍。

研究結果發現，即使是少量的水，由15厘米的高度滴下來，也足以有效產生電力。

水到「事」成

王教授希望，是次研究成果可以幫助開發更多水能源，以應對全球可再生能源短缺問題。他認為，該新型設計長遠來說可應用在任何與水接觸的物件上，例如輪船船身、雨傘表面。