星岛日报

【创科广场】蓝色能源再现突破 港研水管纳米发电

2021-03-23 09:58
历史上人类以水力发电,往往利用水从高至低的动能,海洋占据地球面积约七成,海浪有巨大能量,却难以采集,尤其是从不规则和低频率(《5Hz)海浪采集能量,更加困难。

  摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator,TENG)研究热潮,从2012年美国华裔学者王中林教授研发首部TENG开始,工作原理是通过摩擦起电效应和静电感应效应,微小机械能可转换为电能,由于可把海浪转换成电能,被广称为「蓝色能源」,成近年的热门研究项目。但是采用TENG技术开发海浪能量,必须开发高效的纳米材料,香港城市大学的王钻开教授的团队,曾开发超润滑介面的液-液摩擦纳米发电机(SLIPS-TENG),引起业界注意。

  最近,香港中文大学工程学院研究团队再研发一款水管式摩擦纳米发电机,更可将不规则低频机械能,包括低频和不规则的海浪能量,高效转换成电能。

科研人员一直致力探索如何充分利用海洋来发电,解决世界能源危机,以及火力发电的污染。

  纳米发电机分压电、摩擦及热释电三种,而 TENG则透过摩擦起电和静电效应,从两种材料相互摩擦时的机械能转换为电能。然而,一般的TENG装置都是固体与固体摩擦,难以确保两种摩擦材料的接触紧密性,产生的电荷密度往往较低,材料表面更在长期摩擦后,出现磨损。此外,以往收集不规律震动能量的TENG装置,要加入不同部件例如弹簧、支架、旋转器具等,复杂结构又降低采电的效率。

  中大机械与自动化工程学系助理教授訾云龙教授的研究团队,克服以上技术限制,针对不规律和低频环境,例如水面上海浪,开发出一款水管式摩擦纳米发电机(WT-TENG)。

适合多种运动模式采集能量

  团队将水封装在手指大小胶管(FEP)内,当水与胶管的电极区域摩擦,便会产生电流。基于水的流动性,WT-TENG也适合在多种运动模式采集能量,包括旋转、摇摆、跷跷板、水准綫性模式等,例如风力、海浪、身体和车辆运动等,应用范围更加广泛;不同能源采集(Energy Harvesting)应用,可为物联网和穿戴装置,提供自供自足的能源,毋须经常充电或换电。

  另外,由于水和胶管表面可紧密接触,突破基于固体材料的TENG装置电荷体积密度不足问题。经过测试,WT-TENG输出体积电荷密度,低至0.25 Hz频率下达到9 mC / m3,为有记录中最高的输出值。

  WT-TENG单元可像积木一样,拼合成较大型发电装置,令电能输出倍增。研究团队测试了两个装置,分别为装有34个WT-TENG单元的盒子,放到海面上,收集海浪的能量,以及有10个WT-TENG单元组成手环,测试员戴上不断摆动手臂。两个测试的高峰发电量都足以推动150个LED灯泡。

  訾云龙教授表示:「之前海洋能收集系统往往要依赖庞大而笨重的电磁发电机(Electromagnetic generator,EMG),不过往往要海浪达到较高频率,才能发电。是次研究有望推动摩擦纳米发电机技术的应用,特别是收集『蓝色能源』。」

  相关研究成果刊登于《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)。文章第一作者为博士后研究员吴昊、訾云龙教授为唯一通讯作者,香港城市大学王钻开教授参与指导工作。

最新回应

關鍵字

热门文章