一滴水点亮100盏LED:新型水滴发电机展示全新发电“魔术”

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一滴水点亮100盏LED:新型水滴发电机展示全新发电“魔术”
麻省理工科技评论 2020-03-12

2020-03-12

一种全新概念的水滴发电机,只需要一滴水,就能点亮 100 盏 LED 灯。
技术 科学
一种全新概念的水滴发电机,只需要一滴水,就能点亮 100 盏 LED 灯。

想象一下这样一种场景:在下雨天,你撑起一把伞。雨伞不止为你挡住了雨滴,还顺带把雨滴里的一部分能量收集了起来,变成了电能!

这不是天方夜谭,而是很可能会发生的事实。由香港城市大学王钻开教授、美国内布拉斯加大学林肯分校曾晓成教授和中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士合作领导的研究团队,日前在《自然》杂志上发表了一篇文章,引起了国内外媒体的广泛关注。他们发明了一种全新概念的水滴发电机(Droplet-based Electricity Generator, DEG),只需要一滴水,就能点亮 100 盏 LED 灯,效率比常规的水滴发电机高出了几个数量级。其广阔应用前景更是超越了水滴的范畴:小到纳米结构,大到惊涛拍岸,都可以利用这种全新的原理进行发电。

为此,DeepTech 采访到了这篇文章的通讯作者、香港城市大学机械工程学系的王钻开教授。他向我们详细介绍了这个发明的“美妙之处”。

一滴水点亮100盏LED:新型水滴发电机展示全新发电“魔术”

图丨水滴发电机可以点亮 LED 灯(来源:Xu et al., 2020)

为了应对日益变暖的全球气候,我们需要越来越多的清洁电能。尽管生活中各种能量无处不在,但能拿来发电的却并不多。例如,澎湃汹涌的江水,可以利用水坝上下巨大的重力势能差发电;但总水量也许并不会差很多的绵绵细雨,却由于每个水滴蕴含的能量都太小,很难转化为电能。

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图丨水汇成大河可以发电,那么雨滴也可以吗?(来源:Wikipedia,Flickr)

不过,一项新的技术,正在把水滴发电变成可能。

在小学自然课上,我们就学过,如果两个物体相互摩擦,就会产生静电。例如,在北方干燥的冬季,脱毛衣的时候总免不了一阵劈里啪啦的静电“火花”。

与之类似,下雨的时候,雨滴滑过固体的表面,也会产生静电。那么,既然静电这么容易产生,能用来发电吗?

答案是肯定的。这便是摩擦发电机的原理。只不过,由于摩擦的面积很小,一滴水所能产生的摩擦发电量是非常微小的。利用这种原理制成的摩擦发电机,最高的时候每平方米所能产生的电能还不到 1 瓦。

如何让水滴发出更多的电?王钻开领导的团队对此进行了深入研究。他们提出了两项重要的创新,一举将水滴发电机的电量提高了三个数量级。

首先,是要提高静电电荷的富集程度。

一滴水所能产生的电荷数量非常少,但千万滴水就不一样了。打个比方,某个小业务每天能给你带来十几二十块钱的小收益。这笔钱,如果当天就要花掉,那么可能买杯奶茶都不够,起不到什么太大的作用。但如果能把一笔一笔类似的小进帐都存下来,久而久之,就会在银行里变成一笔几十万的巨款。

王钻开团队采用的就是这种积少成多的办法。他们使用了聚四氟乙烯(PTFE,也就是不粘锅上用作涂层的特氟龙)来作为“电荷的银行”。王钻开表示,“聚四氟乙烯是一种很好的驻极体材料,也就是说,它的表面可以很稳定地吸附负电荷。而且这个材料是疏水的,水可以从表面快速及时脱落。当液滴撞击到它的表面铺展和脱落时,就会导致电荷的产生和分离。”

他们发现,经过自来水液滴持续的撞击,表面效应就会变成体效应:聚四氟乙烯的表面将累积起很高的电荷密度,这个电荷密度会在 16000 次撞击之后达到最高值。也就是说,他们把一种日常生活中常见的材料,变成了类似电容一样的储存大量电荷的容器。

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图丨聚四氟乙烯表面电荷与水滴撞击次数的关系。在 16000 次的撞击后,电荷密度会达到饱和。(图片来源:Xu et al., 2020)

在聚四氟乙烯的下面,有一层由氧化铟锡(ITO)材料制成的电极。由于聚四氟乙烯层聚集了大量的负电荷,氧化铟锡电极上便感应出了很多的正电荷。高达 143.5V 开路电压就此形成。这个值比普通水滴发电机高了近 300 倍。

而第二项创新在于,有了电荷,还要能把它们的能量同时释放出来。

银行账户上是有钱了,但还得能把这些钱取出来。如果攒了几十万却不能用来投资、消费,每次取现、转账的数额只有 10 块钱,那么几十万也就只是数字而已。可以同时释放大量的电荷,便是王钻开团队取得的第二项重大创新。

在聚四氟乙烯和氧化铟锡电极之外,他们还安装了一个铝电极。这样一来,这个发电机就像半导体中的三极管一样,拥有了三个电极。这第三个电极成为了提高水滴发电机功率的关键。

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图丨水滴发电机结构和照片。其中的铝电极是设计的关键。当水滴展开后,会将整个系统变成一个连通的电路(来源:Xu et al., 2020)

水滴本是球形的,当它刚刚坠落到固体的聚四氟乙烯表面时,并不与铝电极接触,整个系统处于“开路”,也就是电路没有接通的状态。此时,靠摩擦静电所能发出的电非常少——这也是普通水滴发电机发电量少的原因。

但随着 “砸” 在表面上的水滴铺展开来,“奇迹”就出现了。随着水滴的表面积越变越大,它逐渐扩散到了铝电极上。由于水滴也是导电的,它就在一个瞬间接通了之前本不相连的聚四氟乙烯、铝电极和氧化铟锡电极,形成了一个连通的电路。在这个过程中,这水滴不只是发电系统的能量来源,更重要的是整个发电机的开关。

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图丨当水滴与铝电极接触的时候,会瞬间出现大量的电荷转移(来源:Xu et al., 2020)

随着电路的接通,之前聚集在氧化铟锡电极里的大量电荷,就突然涌向铝电极。这个电流比没有铝电极设计的普通水滴发电机大了 2600 倍,使得一滴水就足够点亮连接在电路里的 100 盏 LED 灯。

之后,随着水滴的收缩并逐渐离开聚四氟乙烯的表面,正电荷开始回流,并在水滴与铝电极脱离接触的一刹那,所有正电荷全数流回氧化铟锡电极。研究人员发现,经过多次循环,电路里转移的电荷数量并不会减少。“美妙的是这个电容器里的能量基本上是恒定的,因为表面电荷的丢失也会因为后面水滴的不停降落而得到补充”,王钻开表示。只要有水滴不断地滴下来,这台发电机就可以长时间、连续地工作。

经过计算发现,这种设计可以将一滴自来水中所蕴含能量的 2.2% 转化为电能,比之前的水滴发电机高出了几个数量级,每平方米在单位时间内产生的最大电能可达 50.1W,也比之前提高了几千倍。而且,这个转化率还可以继续优化和提高。

更加难能可贵的是,这还是一个一点也不 “娇气” 的发电系统。他们进行了一系列的测试,发现不论是雨水、自来水,还是海水,都能利用这种原理发电。而且,不论环境湿度是 65% 还是 100% 也都没关系。这就意味着,这种设计可以有广泛的应用前景。

当然,这还只是一个原型机,相比于水力发电系统动辄 80% 以上的效率,水滴发电机 2.2% 的效率还是太低。但王钻开表示,这只是一个很小的体效应单元,它清楚地展示了水滴撞击后电荷的产生和释放过程。这个过程揭示的是一种全新的发电原理,利用的则是之前很难利用起来的能量来源。

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图丨这种原理也可以用来从浪涌中获取能源(图片来源:Wikimedia Commons)

“这是一种具有普适性的发电方式”。王钻开认为,不只是雨伞这样的利用水滴发电的设备,小到纳米结构、大到堤坝上的浪涌,只要存在固体和液体之间的相对运动,都可以利用这种原理发出电来。也许有朝一日,这种技术也能和太阳能、风能一道,成为人类清洁未来的能量来源。

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