由hk城市大学(CityU)的科学家领导的一个研究小组最近开发了一种具有场效应晶体管(FET)样结构的液滴型发电机(DEG)，这种发电机的能量转换效率和瞬时功率密度是没有FET技术的同类产品的数千倍。这将有助于推进水能发电的科学研究，解决能源危机。

这项研究由城市大学机械工程系的王祖凯教授、内布拉斯加大学林肯分校的曾晓成教授和中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所的创始主任和首席科学家王忠林教授共同领导。他们的发现发表在《自然》杂志的一项名为“具有高瞬时功率密度的液滴型发电机”的研究中。

电能转换效率大大提高

大约70%的地球表面被水覆盖着。然而，由于现有技术的限制，波浪、潮汐甚至雨滴中的低频动能不能有效地转化为电能。例如，传统的基于摩擦电效应的液滴能量发生器可以在液滴接触表面时产生接触带电和静电感应产生的电。但由于界面效应的限制，表面产生的电荷量有限，导致能量转换效率较低。

为了提高转换效率，研究团队花了两年的时间来开发DEG，其瞬时功率密度可达50.1 W/m2，是其他类似设备的数千倍，而没有使用类似fet的设计。能量转换效率明显提高。

hk城市大学的王教授指出，这项发明有两个关键因素。首先，研究小组发现，连续的液滴撞击PTFE(一种带有准永久性电荷的驻极体材料)，为高密度表面电荷的积累和储存提供了一条新的途径。他们发现，当水滴不断地撞击聚四氟乙烯表面时，所产生的表面电荷会积累并逐渐达到饱和。这一新发现有助于克服以前工作中遇到的低电荷密度的瓶颈。

独特的场效应晶体管结构

他们设计的另一个关键特征是一组独特的类似于FET的结构，FET是现代电子设备的基本构件。该装置由铝电极和铟锡氧化物(ITO)电极组成，ITO电极上沉积一层聚四氟乙烯薄膜。PTFE/ITO电极负责电荷的产生、储存和诱导。当下落的水滴撞击并扩散到PTFE/ITO表面时，它自然地将铝电极和PTFE/ITO电极“搭桥”，将原来的系统转化为闭环电路。

通过这种特殊的设计，通过连续的液滴撞击，聚四氟乙烯上可以积累高密度的表面电荷。同时，当扩散的水连接两个电极时，聚四氟乙烯上所有储存的电荷都能被完全释放，从而产生电流。因此，瞬时功率密度和能量转换效率都要高得多。

“我们的研究表明，从15厘米的高度一滴100微升的水可以产生超过140伏的电压。产生的能量可以点亮100个小的LED灯泡，”王教授说。

他补充说，瞬时功率密度的增加不是来自额外的能量，而是来自于水本身动能的转换。“下落的水所蕴含的动能是由重力产生的，可以被认为是自由和可再生的。它应该得到更好的利用。”

他们的研究还表明，相对湿度的降低并不影响发电效率。此外，雨水和海水都可以用来发电。

促进世界的可持续性

王教授希望本研究的成果能有助于获取水能，以应对全球可再生能源短缺的问题。“用雨滴而不是石油和核能发电可以促进世界的可持续发展，”他补充说。

他认为，从长远来看，新的设计可以应用和安装在不同的表面，液体与固体接触，充分利用水中的低频动能。这可以从船体表面的渡轮，海岸线，到伞的表面，甚至内部的水瓶。