图a是基于液滴的发电机（DEG）的示意图。图b是在玻璃基板上制造的四个平行的DEG器件的光学图像。图片：香港城市大学/自然
由香港城市大学（CityU）的科学家领导的研究小组最近开发了一种基于液滴的发电机（DEG），该发电机具有类似于场效应晶体管（FET）的结构，可实现高能量转换效率和瞬时功率密度，是没有使用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并解决能源危机。
这项研究是由香港城市大学机械工程系的王钻开教授，内布拉斯加州林肯大学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兼首席科学家王中林教授共同领导的。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基于液滴的发电机”的研究中。
Nature发文
电能转换效率大大提高
地球约70％的表面被水覆盖。然而，由于当前技术的限制，波浪\\潮汐甚至雨滴中包含的低频动能不能有效地转换为电能。例如，当液滴撞击表面时，基于摩擦电效应的常规液滴能量产生器可以产生接触和静电感应的电。然而，在表面上产生的电荷量受到界面效应的限制，能量转换效率非常低。
水滴在PTFE薄膜和铝电极上的表面形态和滑动行为
当负载电阻为332.0kΩ时，峰值输出功率密度为50.1W/m2。
为了提高转换效率，研究团队花了两年时间开发DEG。它的瞬时功率密度可以达到50.1W/m2，是不使用类似FET的设计的其他同类设备的数千倍。并且能量转换效率明显更高。
香港城市大学的王钻开教授指出，这项发明有两个关键因素。首先，研究小组发现撞击到PTFE（带准永久电荷的驻极体材料）上的连续液滴，为高密度表面电荷的积累和存储提供了一条新途径。他们发现，当水滴连续撞击PTFE表面时，产生的表面电荷将累积并逐渐达到饱和。这一新发现有助于克服先前工作中遇到的低电荷密度瓶颈。
PTFE膜上的表面电荷密度在连续的液滴撞击过程中会发生波动。图片：香港城市大学/自然
独特的类场效应晶体管结构
他们设计的另一个关键特征是一组独特的结构，类似于FET，这是现代电子设备的基本组成部分。该设备由铝电极和铟锡氧化物（ITO）电极组成，上面沉积有PTFE膜。PTFE/ITO电极负责电荷的产生、存储和感应。当下落的水滴撞击并散布在PTFE/ITO表面上时，自然会“桥接”铝电极和PTFE/ITO电极，从而将系统转换为闭环电路。
通过这种特殊设计，可以通过连续的液滴撞击在PTFE上积累高密度的表面电荷。同时，当散布的水连接两个电极时，PTFE上存储的所有电荷都可以完全释放，以产生电流。结果，瞬时功率密度和能量转换效率都高得多。
分子动力学模拟示出PTFE表面水滴中的电荷分布（Na+和Cl-）
王钻开教授说：“我们的研究表明，从15厘米的高度释放一滴100微升的水可以产生超过140V的电压。所产生的功率可以点亮100个小型LED灯泡。”
使用新的基于液滴的发电机，从15厘米高处释放的水滴可以产生超过140V的电压，从而点亮100个小型LED灯泡。图片：香港城市大学/自然
他补充说，瞬时功率密度的增加不是由附加能量引起的，而是由水本身动能的转换引起的。“下降的水所产生的动能是由于重力产生的，可以被认为是自由的和可再生的。应该更好地利用它。”
他们的研究还表明，相对湿度的降低不会影响发电效率。另外，雨水和海水都可以用来发电。
促进世界的可持续发展
王教授希望这项研究的成果将有助于收集水能，以应对全球可再生能源短缺的问题。他补充说：“用雨滴代替石油和核能发电可以促进世界的可持续发展。”
他认为，从长远来看，新的设计可以应用并安装不同的表面，其中液体与固体接触时，充分利用低频动能的能量水。这可以安装到渡轮、海岸线，甚至雨伞或水瓶内部。
简单的雨水收集发电系统演示
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