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雨水也是天然發電來源,一滴水足以點亮百盞 LED


雨水也是天然發電來源,一滴水足以點亮百盞 LED

滂沱大雨雖擾人,但也有用之處。最近美國與香港研究人員攜手,想要研究這項常被人忽略的自然現象發電潛力,最終研製出水滴發電機(droplet-based electricity generator,DEG),可產生 140 伏特電壓,足以點亮 100 盞 LED。



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》。

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