一滴水有多大能量？看看城大最新研发的“水滴发电机”就知道了。

由香港城市大学学者领导的研究团队，成功研发出新型水滴发电机（droplet-based electricity generator, DEG）。这项发明设有类似晶体管的结构，使其瞬时功率密度（instantaneous power density）较现时类似的水滴发电机增加数以千倍，并大大提升电能转化效率。这项突破性成果有助推动水力发电的科学研究及应对能源危机。

研究由城大机械工程学系王钻开教授、美国内布拉斯加大学林肯分校曾晓成教授，和中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士合作领导，刚于最新一期国际权威学术期刊《自然》发表，论文题为“瞬时高功率密度水滴式发电机”。

论文的共同第一作者是香港城大机械工程学系的徐王淮、郑焕玺 、周晓峰（现为华东师范大学副教授），以及美国内布拉斯加大学林肯分校的刘源。其他合作者包括中国科学技术大学的徐晓嵘教授，香港城大能源及环境学院梁国熙教授、机械工程学系杨征保博士、博士后研究员张超博士和博士生宋雨欣，以及来自电子科技大学的邓旭教授。

新型液滴发电机

王教授说︰“我们的研究显示，一滴100微升（一微升等于百万分之一升）的水滴由15厘米的高度滴下，可产生超过140伏特电压，发电机产生的电能足以点亮100盏小LED灯。”

现在传统利用介面摩擦起电效应的液滴发电机，是基于液滴撞击表面时的摩擦和静电感应而产生电力。但由于受表面摩擦电荷数量的限制，这种方式的电能转化效率较低。

为提升电能转化效率，研究团队花了两年时间研发出新型液滴发电机，其瞬时功率密度、即每平方米可产生的最高能量达到50.1瓦，较没有晶体管设计的液滴发电机增加了数以千倍，电能转换效率亦大大提升。

图a为水滴发电机的原理示意图：铟锡氧化物（ITO）玻璃片上加上了一层聚四氟乙烯（PTFE），并在上面放置铝电极。当水滴撞击玻璃片的表面，充当晶体管的栅极，就“接通”了电路

图b为四个并排的水滴发电机装置

研发两大关键

王教授指出，这项新研发有两大关键︰第一是团队发现，当水滴持续撞击可长期带有电荷的永电体材料聚四氟乙烯（PTFE），所产生的表面静电荷（surface charge）会不断累积至饱和水平，令PTFE可储存高密度的表面电荷。这一发现助他们克服了之前面对的电荷密度低之瓶颈问题。

另一关键是他们研发的一组独特结构，类似1956年诺贝尔物理学奖的得奖技术，现已成为现代电子器件所必须具备——场效应晶体管（field-effect transistor）。该结构由一个铝电极和一个表面加上了一层PTFE薄膜的铟锡氧化物（ITO）电极所组成，PTFE和ITO电极负责电荷产生、储存和感应。当水滴撞击PTFE/ITO表面，并在表面上散开时，由于水是导电的，会“接通”铝电极和PTFE/ITO两个电极之间的通路，变成一个可通电的完整电路。

王教授希望是次研究成果可以帮助全球开发更多水资源，以应对全球可再生能源短缺问题。长远来说，该新型设计可以推广和安装在不同液体与固体接触的表面上，例如轮船船身、海岸边以至雨伞表面、水樽内，这样就能充分利用低频的水动能。