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爱博:新型水滴發電機一滴水可點亮一百盞小L

作者:爱博网站   |   时间:2020-05-24 03:26   |   浏览:125   

可是,由于現有技術的限制,波浪、潮汐、甚至是水滴中含有的低頻動能并沒有被有效地轉化為電能。例如,爱博网站|首页當水滴撞擊物體表面時,爱博网站|首页基于摩擦起電效應的傳統水滴發電機會因為接觸帶電和靜電感應而產生電能。然而,表面生成的電荷數量受到界面效應的限制,因此電能轉化效率相當低。

近日,香港城市大學(CityU)的研究團隊開發出新型水滴發電機(DEG),爱博网站|首页讓我們離利用雨滴來高效發電的理想又更近了一步。它設有類似場效應晶體管(FET)的結構,使其瞬時功率密度較現時類似的水滴發電機(無類似場效應晶體管結構)增加數以千倍,并大大提升了電能轉化效率。這項突破性成果有助推動水能發電的科學研究以及應對能源危機。

爱博网站|首页這項研究由香港城市大學機械工程系王鉆開教授、美國內布拉斯加大學林肯分校曾曉成教授、中國科學院北京納米能源與系統研究所創始主任、首席科學家王中林院士共同領導。研究成果發表在最新一期的國際權威學術期刊《自然(Nature)》上。

香港城市大學的王教授指出,這項發明有兩個關鍵因素。第一,團隊發現,水滴持續撞擊一種帶有準永久電荷的駐極體材料聚四氟乙烯(PTFE),為高密度表面電荷的累積和存儲提供了一種新方法。他們發現,當水滴持續撞擊PTFE表面時,爱博网站|首页生成的表面電荷累積并逐漸達到飽和。這項新發現有助于克服之前研究中遇到的低電荷密度的瓶頸。

這項研究的另一個關鍵特征就是一套類似FET的獨特結構。FET是一項于1956年獲得諾貝爾物理學獎的創新,如今已經變成了構成現代電子器件的基本單元。該裝置由一個鋁電極和一個PTFE薄膜沉積在其上的氧化銦錫(ITO)電極組成。PTFE/ITO電極負責電荷的生成、存儲和感應。當一滴水落到PTFE/ITO電極表面上并擴散開來時,“接通”了鋁電極和PTFE/ITO電極,將原始的系統轉化成一個閉環電路。

下圖a為水滴發電機的原理示意圖:氧化銦錫(ITO)玻璃片上加上了一層聚四氟乙烯(PTFE),并在上面放置鋁電極。當水滴撞擊玻璃片表面時,充當晶體管的柵極,就“接通”了電路。下圖b為四個并排的水滴發電機裝置。

通過這種特殊的設計,持續的水滴撞擊使PTFE上積存了密度很高的表面電荷。與此同時,當水滴擴散開來“接通”兩個電極時,所有積存在PTFE上的電荷全部都被釋放,產生了電流。因此,瞬時功率密度和能量轉化效率都會大幅提升。

【1】WanghuaiXu,HuanxiZheng,YuanLiu,XiaofengZhou,ChaoZhang,YuxinSong,XuDeng,MichaelLeung,ZhengbaoYang,RonaldX.Xu,ZhongLinWang,XiaoChengZeng,ZuankaiWang.Adroplet-basedelectricitygeneratorwithhighinstantaneouspowerdensity.Nature,2020;DOI:10.1038/s41586-020-1985-6