■文/張二七

水力發(fā)電已非新鮮事物,在能源日漸匱乏的今天，水力發(fā)電提供了一種清潔、可再生的能源。水力發(fā)電主要利用水位落差，將水的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為水輪的機(jī)械能，從而推動(dòng)發(fā)電機(jī)并產(chǎn)生電。然而，受到技術(shù)的限制，目前的水力發(fā)電只利用了海浪、潮汐、河流的中高頻運(yùn)動(dòng)，而這些水體，甚至雨水中蘊(yùn)藏的低頻動(dòng)能一直未能很有效率地轉(zhuǎn)化為電能。

前不久，由香港城市大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系的王鉆開教授、美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的曾曉成教授和中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的王中林院士合作領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，研發(fā)出了一種新型的水滴發(fā)電機(jī)，一滴水產(chǎn)生的電能足以點(diǎn)亮100 盞小LED 燈。

兩項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)

多年來，許多科學(xué)家都在研究這種發(fā)電方式。此前根據(jù)摩擦起電效應(yīng)制造的水滴發(fā)電機(jī)，利用每個(gè)液滴撞擊表面時(shí)的摩擦和靜電感應(yīng)產(chǎn)生電力。但一滴水能夠產(chǎn)生的表面摩擦電荷非常少，因此這種傳統(tǒng)水滴發(fā)電機(jī)的電能轉(zhuǎn)化效率非常低。

為了實(shí)現(xiàn)更高的電能轉(zhuǎn)化率，新型的水滴發(fā)電機(jī)采用了兩項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)。首先，研究團(tuán)隊(duì)使用了一種可以長(zhǎng)期保有電荷的永電體材料——聚四氟乙烯（PTFE）。該研究團(tuán)隊(duì)在另一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水滴持續(xù)不斷地撞擊PTFE 薄膜時(shí)，摩擦起電產(chǎn)生的表面電荷能夠不斷在PTFE 膜中積累，直至飽和。經(jīng)過液滴的連續(xù)撞擊后，PTFE 就能夠儲(chǔ)存高密度的表面電荷，這樣就解決了過去水滴發(fā)電機(jī)中電荷密度低導(dǎo)致的低效率問題。

香港城市大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)部分成員：（左起）鄭煥璽、徐王淮、王鉆開、張超和宋雨欣

那么,要如何利用這些電荷進(jìn)行有效發(fā)電呢？這就要提到水滴發(fā)電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)了。整個(gè)水滴發(fā)電機(jī)非常小巧，主要由一個(gè)鋁電極以及一個(gè)表面覆有一層PTFE薄膜的銦錫氧化物（ITO）電極組成。在發(fā)電前，需要16000 余次水滴滴落或直接注入離子，使PTFE 積攢負(fù)電荷至飽和狀態(tài)。這時(shí)，水滴發(fā)電機(jī)可以開始運(yùn)行。

整個(gè)發(fā)電過程分為3 步：首先，在PTFE 帶有一定電荷的情況下，通過靜電感應(yīng)，使ITO 帶有等量的正電荷，此時(shí)電路是斷開的；其次，水滴滴落到PTFE表面，并接觸到鋁電極時(shí)，水滴接通了鋁電極和ITO兩個(gè)電極之間的通路，使ITO 的正電荷向鋁極轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生電流；最后，在水滴滑落后，電路斷開，由于靜電感應(yīng)ITO 繼續(xù)積攢正電荷，等待下一滴水的循環(huán)。

在整個(gè)過程中，PTFE 膜上積累的表面電荷并未釋放，開始發(fā)電后，整個(gè)電路中電流的來源其實(shí)是ITO在每個(gè)循環(huán)中通過靜電感應(yīng)儲(chǔ)存的正電荷。由于靜電感應(yīng)，電路斷開時(shí)其正電荷數(shù)量與PTFE 上積累的電荷量相同。也就是說，每一滴水的發(fā)電量都是之前16000余次水滴滴落摩擦起電量的總和。

水滴發(fā)電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，正是研究的另一項(xiàng)關(guān)鍵突破。據(jù)文章的通訊作者王鉆開教授介紹，這個(gè)結(jié)構(gòu)類似1956 年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的場(chǎng)效晶體管（FET 三極管）的結(jié)構(gòu)。三極管由柵極、源極、漏極3 個(gè)極組成，通過控制柵極，就能控制源極和漏極之間是否連通，從而進(jìn)一步控制兩極之間電荷的流動(dòng)。這個(gè)看似簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)卻是集成電路的最基本單元，它的發(fā)明深刻地改變了信息傳遞的方式。

在新研發(fā)的水滴發(fā)電機(jī)中，PTFE/ITO 與鋁電極就類似三極管中的源極和漏極，用于儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)移電荷。水滴除了完成發(fā)電前PTFE 膜電荷積累之外，在發(fā)電過程中還起到了類似柵極的作用。隨著水滴滴落，它也成了一個(gè)定期自動(dòng)連通和斷開的開關(guān)，控制著整個(gè)電路。

一滴水可點(diǎn)亮百盞LED 燈

實(shí)驗(yàn)中，從15 厘米的高度釋放1 滴0.1 毫升的水，就能產(chǎn)生140 伏特以上的電壓，其功率可以點(diǎn)亮100 盞小型LED 燈。而瞬時(shí)發(fā)電效率的提升全部來源于水滴自身動(dòng)能的充分利用，這些水滴撞擊的動(dòng)能源于重力，可以說是免費(fèi)和可再生的。充分利用這種資源，能夠減少我們對(duì)化石燃料的依賴，有助于世界的可持續(xù)發(fā)展。

除了自來水，這種新型的水滴發(fā)電機(jī)還可以從雨滴和海水中收集能量。比如研究者設(shè)計(jì)了一個(gè)雨水收集和流速控制裝置，只需要調(diào)節(jié)流速控制器中毛細(xì)管的直徑和釋放高度，就能夠精確控制用于發(fā)電的水滴的大小和速度。同樣，海水以及其他水源也可以分離成這樣不連續(xù)的液滴陣列。

不過，盡管該成果的轉(zhuǎn)化效率比傳統(tǒng)的液滴發(fā)電高上千倍，但想要實(shí)際應(yīng)用，還需要進(jìn)一步優(yōu)化，把輸出功率進(jìn)一步提高。優(yōu)化后的它未來可以用在任何場(chǎng)所，從微納器件到藍(lán)色海洋，只要有水和固體的相對(duì)滑動(dòng)，就可以進(jìn)行發(fā)電。