【创科广场】蓝色能源再现突破 港研水管纳米发电

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。