星島日報

【智經時事分析】滴水能點燈 雨水發電可普及﹖

2020-05-18 00:00

  發展可再生能源是減少污染的重要方法。香港目前雖然也有使用太陽能和堆填沼氣等可再生能源,但由於一直缺乏有足夠流量的河流,故此在水力發電方面仍然面臨挑戰。早前,本港有學者研發出新型的水滴發電機,突破固有水滴發電量低的限制。這是否意味香港能廣泛利用水滴發電﹖

  水力發電的原理,是透過水的流動或由高處流下的水,推動渦輪機及發電機,從而將動能轉化成機械能,再變為電能。其好處在於二氧化碳排放量及對氣候變化的影響較小,並提供較廉價的電力。但同一時間,水資源會因應季節及地理因素改變而不穩定,建造大型水力發電項目的水壩,亦有機會影響原有河流生態。

  例如,要開發徑河式水電站,先要建設分水堰和前池,以在水進入水輪機前作短暫儲水。然而,香港大部分河流和水道都分布在郊野公園和特別保護區內,建設以上設施難免影響生態。另外,香港並沒有能提供足夠流量和水頭以建立大型水電站的河流,加上河流水量一年四季變化甚大,有時更會斷水,故無法依賴徑流式水電站提供可靠的電力供應。

  其實,能夠產生水能的方法不止河流,海浪、潮汐,甚至雨水同樣能產生低頻率的動能,只是礙於技術所限,未能有效率地轉化作發電用途。早於一八六七年,英國有科學家發明了開氏滴水發電機,透過滴水產生靜電,再借由靜電感應的原理不斷累積電荷,從而產生電壓,但由於雨滴撞擊力太小,限制了表面摩擦電荷的數量,電能轉換效率較低,發電量亦不高。

  其後,有中國科學家開發出利用雨水發電的太陽能板,但設備從大雨中產生的功率備受質疑。

  雨水發電困難重重,但無阻科學家繼續努力,香港城市大學最新發表的研究,便帶來新希望。城大研究團隊研發出新型液滴式發電機,與傳統的比較,每平方米可產生的最高能量達五十點一瓦,電能轉換效率大大提升,打破水滴發電量低的限制。

  負責研究的城大機械工程學系教授王鑽開接受科學雜誌訪問時解釋,新的發電機與傳統不同之處,在於其獨特結構。該結構有兩層,表層由帶有並可儲存電荷的聚四氟乙烯(PTFE)及鋁電極組成;下層則設另一個電極。當水滴持續撞擊PTFE,因摩擦產生的表面靜電荷會不斷累積至飽和,而當水滴散開並接觸到鋁電極時,會和下層的電極接通,變成可通電的完整電路,兩者的結合大幅提升瞬時功率密度和電能轉化效率。

  據其團隊的研究,新的發電機只需一滴一百微升的水滴由十五厘米的高度滴下,即可產生超過140V電壓,電能足以令一百盞小LED燈閃亮片刻,意味以往電荷密度低的問題已被解決,向成為新的可再生能源邁進一小步。

  那麼,雨水發電的新突破,能否為香港帶來新的再生能源發展機遇?要發展雨水發電又需要哪些條件?

  顧名思義,雨水發電需要一定的雨量支持。香港天文台資料顯示,一九八一至二〇一〇年間香港降雨量的年平均值為二千三百九十八點五毫米,並推算在高溫室氣體濃度情景下,二〇九一至二一〇〇年間的年雨量會較一九八六至二〇〇五年平均上升約一百八十毫米。

  值得留意的是,本港的降雨量並不穩定,大約八成的雨量集中在五至九月錄得,當中又以六月和八月錄得最多雨量,一月和十二月雨量則最少,這亦是影響本港集水的關鍵因素之一,故一旦發展雨水發電,儲水及儲電便成為關鍵要素之一。

  除了充足的雨水,提升水能轉換成電能的效率亦十分重要。目前,部分用於水力發電的水輪機轉換效率可以達到九成,但由於新研發的液滴式發電機只是雛型,轉換效率雖較以往的發電機高,但仍只有百之二點二,故有必要改善。另外,新的液滴式發電機現時只能產生瞬間的電壓,如何增強持續性也是進一步研究重點之一。

  值得留意的是,上述城大團隊進行的一系列測試發現,無論是雨水、自來水,還是海水,都能利用同樣原理發電。而設計的裝置厚度約為零點五毫米,可靈活應用於不同地方,前提是有液體與固體的接觸,例如輪船船身、海岸邊、雨傘表面及水樽內。

  總括而言,雖然新研發的水滴發電機仍有不少改善空間,但有關技術確實開拓了以低頻水動能作為可再生能源的可能性,幫助全球開發更多水力發電的資源。

  或許終有一日,人們不論在晴天雨天,都懂得發掘推動生活的力量。(全文見智經研究中心網頁:www.bauhinia.org)

  智經研究中心

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