水滴发电，一滴水可点亮 100 盏灯

2023-04-03

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水力发电是常用的发电方式。水电提供了一种清洁、可再生的能源。水力发电主要利用水位落差，将水的势能转化为水轮的机械能，从而推动发电机并产生电。在能源日渐缺乏的今天，尤其是今天多地连下暴雨，能否雨水进行发电？回答是肯定的，下面请看我们整理和分享的关于水滴发电的文章。

创新

当水滴撞击物体表面时，基于摩擦起电效应的传统水滴发电机会因为接触带电和静电感应而产生电能。然而，表面生成的电荷数量受到界面效应的限制，因此电能转化效率相当低。

由香港城市大学、美国内布拉斯加大学和中国科学院北京纳米能源与系统研究所的研究团队开展合作研究，在国际顶级期刊——《Nature》杂志上发表了一篇文章，引起了国内外媒体的广泛关注。他们提出了一种全新概念的水滴发电机（Droplet-based Electricity Generator, DEG），仅一滴水就能点亮一百盏灯，效率比传统的水滴发生器高出几个数量级。它的瞬时功率密度，即每平方米每单位时间产生的最大电能可以达到50瓦以上，是其他具有类似原理的水滴发生器的数千倍。研究表明，一滴水产生的电能足以点亮100盏小型LED灯。其应用前景已超出了水滴的范围：小至纳米结构，大至暴风雨浪涌，均可用这种新原理进行发电。

关键技术

1.电荷的累积和存储

研究发现，水滴对聚四氟乙烯（PTFE）（具有准永久电荷的驻极体材料）的持续冲击，为高密度表面电荷的积累和存储提供了一种新方法。他们发现，当水滴连续撞击PTFE薄膜时，由摩擦电产生的表面电荷会继续在PTFE薄膜中累积，直到饱和为止。这样，在液滴连续撞击之后，PTFE可以存储高密度的表面电荷。这解决了过去的水滴产生器中由低电荷密度导致的低效率的问题。

(图片来源：Xu et al.， 2020)

纵坐标是随着水滴不断下落而逐渐积聚在PTFE膜中的电荷量（nC），横坐标是水滴的数量（10,000滴）。在大约16,000滴时，PTFE膜中的电荷量已达到饱和。

2.利用电荷进行有效发电

整个水滴发生器非常小，主要由铝电极和覆盖有PTFE膜的铟锡氧化物（ITO）电极组成。在发电之前，需要超过16,000滴水滴或直接注入离子，使PTFE积累的负电荷达到饱和状态。此时，水滴生成器可以开始运行。

整个发电过程可以分为3个步骤：

1）对于带有一定电荷的PTFE，通过静电感应，ITO具有相同的正电荷量，此时电路处于断开状态；

2）当水滴落在PTFE表面并接触铝电极时，水滴连接铝电极和ITO电极之间的通道，从而ITO的正电荷转移到铝电极上，并且有电流产生;

3）水滴滑落后，电路连接断开，并且由于静电感应，ITO继续积聚正电荷，等待下一个水滴循环。

(图片来源：Xu et al.， 2020)

在整个过程中，聚四氟乙烯薄膜上积累的表面电荷不会释放。发电开始后，整个电路中的电流源实际上是ITO在每个周期中通过静电感应存储的正电荷。由于静电感应，电路断开时的正电荷量与PTFE上累积的电荷量相同。换句话说，每一滴水所产生的电能是前16,000滴所产生的摩擦力所产生的电能之和。

水滴发生器的整体结构是该研究的另一个关键突破。根据该文章的作者介绍，这种结构类似于1956年获得诺贝尔物理学奖的场效应晶体管（FET三极管）的结构。三极管由栅极，源极和漏极组成。通过控制栅极，可以控制源极和漏极是否连接，从而进一步控制两个电极之间的电荷流动。这种看似简单的结构是集成电路的最基本单元。它的发明深刻地改变了信息传输的方式。

在新开发的水滴发生器中，PTFE / ITO和铝电极类似于三极管中的源极和漏极，用于存储和转移电荷。除了在发电之前完成PTFE膜的电荷积累外，水滴在发电期间还充当栅格。当水滴落下时，它也变成一个开关，该开关定期自动连接和断开，从而控制整个电路。

价值

研究人员说：“从15厘米高处滴0.1毫升水可产生140V以上的电压，其功率可点亮100个小型LED灯。”瞬时发电效率的提高来自于水滴动能的充分利用。“这些水滴撞击的动能源于重力，可以说是免费和可再生的。充分利用这种资源，能够减少我们对化石燃料的依赖，有助于世界的可持续发展。”

除自来水外，这种新型水滴发生器还可以从雨滴和海水中收集能量。例如，研究人员设计了雨水收集和流量控制装置。仅通过在流量控制器中调节毛细管的直径和释放高度，就可以精确地控制用于发电的水滴的大小和速度。类似地，海水和其他水源也可以分离成这种不连续的液滴阵列。

考虑到整个方案的实际可行性，研究小组采用了最简单的设计，不需要特殊的二维材料或超疏水材料。将来，该设计可以扩展到各种固液接触表面：“这项工作的突破在于，以最简单的设计解决该领域最关键的问题之一。这是一种通用设计。就像三极管改变了电子工业一样，这项研究也应具有改变固液发电的潜力。将来，只要有水和固体的相对滑动，就可以在从微纳设备到蓝色海洋的任何地方使用。”