En forskargrupp ledd av forskare från City University of Hong Kong (CityU) har nyligen utvecklat en droppbaserad elgenerator (DEG) med en fälteffekttransistor (FET)-liknande struktur som möjliggör hög energiomvandlingseffektivitet och momentan effekt densitet tusentals gånger större än sina motsvarigheter utan FET-teknik. Detta skulle bidra till att främja den vetenskapliga forskningen om vattenenergiproduktion och ta itu med energikrisen.

Forskningen leddes tillsammans av professor Wang Zuankai från CityU:s institution för maskinteknik, Professor Zeng Xiao Cheng från University of Nebraska-Lincoln, och professor Wang Zhong Lin, grundare och chefsforskare från Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems of Chinese Academy of Sciences. Deras resultat publicerades i Natur i en studie med titeln "En droppbaserad elgenerator med hög momentan effekttäthet."

Effektiviteten för omvandling av elektrisk energi förbättrades avsevärt

Cirka 70 % av jordens yta är täckt av vatten. Ändå lågfrekvent kinetisk energi som finns i vågor, tidvatten, och även regndroppar omvandlas inte effektivt till elektrisk energi på grund av begränsningar i nuvarande teknik. Till exempel, en konventionell droppenergigenerator baserad på den triboelektriska effekten kan generera elektricitet inducerad av kontaktelektrifiering och elektrostatisk induktion när en droppe träffar en yta. Dock, mängden laddningar som genereras på ytan begränsas av gränssnittseffekten, och som resultat, energiomvandlingseffektiviteten är ganska låg.

För att förbättra konverteringseffektiviteten, forskargruppen har ägnat två år åt att utveckla DEG. Dess momentana effekttäthet kan nå upp till 50,1 W/m ² , tusen gånger högre än andra liknande enheter utan användning av FET-liknande design. Och energiomvandlingseffektiviteten är markant högre.

Professor Wang från CityU påpekade att det finns två avgörande faktorer för uppfinningen. Först, teamet fann att de kontinuerliga dropparna som träffade PTFE, ett elektretmaterial med en kvasi-permanent elektrisk laddning, ger en ny väg för ackumulering och lagring av ytladdningar med hög densitet. De fann att när vattendroppar kontinuerligt träffar ytan av PTFE, de genererade ytladdningarna kommer att ackumuleras och gradvis nå en mättnad. Denna nya upptäckt hjälpte till att övervinna flaskhalsen med låg laddningstäthet som man stött på i tidigare arbete.

Unik fälteffekttransistorliknande struktur

En annan nyckelfunktion i deras design är en unik uppsättning strukturer som liknar en FET, den grundläggande byggstenen för moderna elektroniska enheter. Enheten består av en aluminiumelektrod och en indiumtennoxidelektrod (ITO) med en film av PTFE avsatt på den. PTFE/ITO-elektroden är ansvarig för laddningsgenereringen, lagring och induktion. När en fallande vattendroppe träffar och sprider sig på PTFE/ITO-ytan, den "bryggar" naturligt aluminiumelektroden och PTFE/ITO-elektroden, översätta det ursprungliga systemet till en sluten elektrisk krets.

Med denna speciella design, en hög densitet av ytladdningar kan ackumuleras på PTFE genom kontinuerlig droppkollision. Under tiden, när spridningsvattnet förbinder de två elektroderna, alla lagrade laddningar på PTFE kan frigöras helt för generering av elektrisk ström. Som ett resultat, både den momentana effekttätheten och energiomvandlingseffektiviteten är mycket högre.

"Vår forskning visar att en droppe på 100 mikroliter vatten som släpps ut från en höjd av 15 cm kan generera en spänning på över 140V. Och strömmen som genereras kan tända 100 små LED-lampor, sa professor Wang.

Han tillade att ökningen av momentan effekttäthet inte beror på ytterligare energi, men från omvandlingen av den kinetiska energin av själva vattnet. "Den kinetiska energin som fallande vatten innebär beror på gravitationen och kan betraktas som fri och förnybar. Den borde utnyttjas bättre."

Deras forskning visar också att minskningen av den relativa luftfuktigheten inte påverkar effektiviteten i elproduktionen. Också, både regnvatten och havsvatten kan användas för att generera el.

Underlättar hållbarheten i världen

Professor Wang hoppades att resultatet av denna forskning skulle hjälpa till att skörda vattenenergi för att svara på det globala problemet med brist på förnybar energi. "Att generera kraft från regndroppar istället för olja och kärnenergi kan underlätta en hållbar utveckling av världen, " han lade till.

Han trodde att i det långa loppet, den nya designen kan appliceras och installeras på olika ytor, där vätska kommer i kontakt med fasta ämnen, att fullt ut utnyttja den lågfrekventa kinetiska energin i vatten. Detta kan sträcka sig från skrovytan på färjan, kustlinje, till ytan av paraplyer eller till och med inuti vattenflaskor.