新型水滴式发电机-一滴水可以点亮100个LED灯泡

时间:2020-04-18 17:51 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

新型水滴式发电机-一滴水可以点亮100个LED灯泡

有效地利用雨滴发电又向前迈进了一步。科学家领导的研究团队,香港城市大学(城大)最近开发出一种droplet-based发电机(度),具有一个场效应晶体管(FET)式结构,允许能量转换效率高和瞬时功率密度增加了数千次相比同行没有FET-like结构。这将有助于推进水能发电的科学研究,解决能源危机。

为该研究的负责人一起by 王教授Zuankai 从CityU’ s机械工程系,教授曾小Cheng 从布拉斯加-林肯大学,以及王教授Zhong Lin创始董事和首席科学家从北京Nanoenergy研究所和中国科学院纳米系统。他们的发现发表在享有很高声望的科学杂志《自然》的最新一期上,该杂志的标题是:具有高瞬时功率密度的基于液滴的发电机。

电能转换效率大大提高

水力发电并不是什么新鲜事。大约70%的地球表面被水覆盖着。然而,由于现有技术的限制,波浪、潮汐甚至雨滴中的低频动能不能有效地转化为电能。例如,传统的基于摩擦电效应的液滴能量发生器可以在液滴接触表面时产生接触带电和静电感应产生的电。但由于界面效应的限制,表面产生的电荷量有限,导致能量转换效率较低。

新型水滴式发电机-一滴水可以点亮100个LED灯泡

为了提高转换效率,研究团队花了两年时间开发DEG,其瞬时功率密度可达50.1 W/m2,是其他类似设备的数千倍,而无需采用类似fet的设计。能量转换效率明显提高。

香港城市大学的王教授指出,这项发明有两个关键因素。首先,研究小组发现,连续的液滴撞击PTFE(一种带有准永久性电荷的驻极体材料),为高密度表面电荷的积累和储存提供了一条新的途径。他们发现,当水滴不断地撞击聚四氟乙烯表面时,所产生的表面电荷会积累并逐渐达到饱和。这一新发现有助于克服以前工作中遇到的低电荷密度的瓶颈。

独特的场效应晶体管结构

他们设计的另一个关键特征是一组独特的类似于FET的结构,FET是1956年诺贝尔物理学奖的获奖创新,现在已经成为现代电子设备的基本构件。该装置由铝电极和沉积有聚四氟乙烯薄膜的氧化铟锡(ITO)电极组成。PTFE/ITO电极负责电荷的产生、储存和诱导。当下落的水滴撞击并散布在聚四氟乙烯/氧化锡表面时,它自然会架桥。铝电极和PTFE/ITO电极,将原系统转化为闭环电路。

利用这种新型的滴式发电机,一滴水从15厘米的高度释放出来,可以产生超过140伏的电压,点亮100个小LED灯泡。资料来源:香港城市大学/大自然

通过这种特殊的设计,通过连续的液滴撞击,聚四氟乙烯上可以积累高密度的表面电荷。同时,当扩散的水连接两个电极时,聚四氟乙烯上所有储存的电荷都能被完全释放,从而产生电流。因此,瞬时功率密度和能量转换效率都要高得多。

我们的研究表明,从15厘米的高度滴下100微升(1微升=百万分之一升)的水可以产生超过140伏的电压。产生的能量可以点亮100个小的LED灯泡。王教授说。

聚四氟乙烯薄膜表面电荷的密度在连续的液滴撞击中上下波动。资料来源:香港城市大学/大自然

他补充说,瞬时功率密度的增加不是来自额外的能量,而是来自于水本身动能的转换。落水中的动能是由重力引起的,可以认为是自由的、可再生的。应该更好地利用它。

他们的研究还表明,相对湿度的降低并不影响发电效率。此外,雨水和海水都可以用来发电。

促进世界的可持续性

王教授希望本研究的成果能有助于获取水能,以应对全球可再生能源短缺的问题。用雨滴而不是石油和核能来发电可以促进世界的可持续发展。他补充说。

他认为,从长远来看,新的设计可以应用和安装在不同的表面,液体与固体接触,充分利用水中的低频动能。这可以从船体表面的渡轮,海岸线,到伞的表面,甚至内部的水瓶。

参考文献:基于液滴的高瞬时功率密度发电机徐万怀,郑焕西,刘源,周晓峰,张超,宋玉新,徐丹,梁振宝,杨正宝,徐晓霞,王中林,曾小成,王祖凯,2020年2月5日,《自然》。

DOI: 10.1038 / s41586 - 020 - 1985 - 6

王教授、曾小成教授、王忠林教授是本文的通讯作者。第一作者是徐万怀,郑焕西,周晓峰,来自中国城市大学机械工程系,以及来自内布拉斯加大学林肯分校。其他合著者包括中国科学技术大学教授徐世南、中国城市大学能源与环境学院教授迈克尔·伦格、机械工程系教授杨正宝、张超和宋玉新。中国电子科技大学教授邓学也是作者之一。

香港城市大学、国家自然科学基金、香港研究资助局、创新科技署、深圳科技创新局和美国国家科学基金等资助机构为研究提供资助。该团队已经在美国和中国大陆申请了专利。

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