【創科廣場】藍色能源再現突破 港研水管納米發電

歷史上人類以水力發電，往往利用水從高至低的動能，海洋佔據地球面積約七成，海浪有巨大能量，卻難以採集，尤其是從不規則和低頻率（《5Hz）海浪採集能量，更加困難。

　　摩擦納米發電機（Triboelectric Nanogenerator，TENG）研究熱潮，從2012年美國華裔學者王中林教授研發首部TENG開始，工作原理是通過摩擦起電效應和靜電感應效應，微小機械能可轉換為電能，由於可把海浪轉換成電能，被廣稱為「藍色能源」，成近年的熱門研究項目。但是採用TENG技術開發海浪能量，必須開發高效的納米材料，香港城市大學的王鑽開教授的團隊，曾開發超潤滑介面的液-液摩擦納米發電機（SLIPS-TENG），引起業界注意。

　　最近，香港中文大學工程學院研究團隊再研發一款水管式摩擦納米發電機，更可將不規則低頻機械能，包括低頻和不規則的海浪能量，高效轉換成電能。

科研人員一直致力探索如何充分利用海洋來發電，解決世界能源危機，以及火力發電的污染。

　　納米發電機分壓電、摩擦及熱釋電三種，而 TENG則透過摩擦起電和靜電效應，從兩種材料相互摩擦時的機械能轉換為電能。然而，一般的TENG裝置都是固體與固體摩擦，難以確保兩種摩擦材料的接觸緊密性，產生的電荷密度往往較低，材料表面更在長期摩擦後，出現磨損。此外，以往收集不規律震動能量的TENG裝置，要加入不同部件例如彈簧、支架、旋轉器具等，複雜結構又降低採電的效率。

　　中大機械與自動化工程學系助理教授訾雲龍教授的研究團隊，克服以上技術限制，針對不規律和低頻環境，例如水面上海浪，開發出一款水管式摩擦納米發電機（WT-TENG）。

適合多種運動模式採集能量

　　團隊將水封裝在手指大小膠管（FEP）內，當水與膠管的電極區域摩擦，便會產生電流。基於水的流動性，WT-TENG也適合在多種運動模式採集能量，包括旋轉、搖擺、蹺蹺板、水準綫性模式等，例如風力、海浪、身體和車輛運動等，應用範圍更加廣泛；不同能源採集（Energy Harvesting）應用，可為物聯網和穿戴裝置，提供自供自足的能源，毋須經常充電或換電。

　　另外，由於水和膠管表面可緊密接觸，突破基於固體材料的TENG裝置電荷體積密度不足問題。經過測試，WT-TENG輸出體積電荷密度，低至0.25 Hz頻率下達到9 mC / m3，為有記錄中最高的輸出值。

　　WT-TENG單元可像積木一樣，拼合成較大型發電裝置，令電能輸出倍增。研究團隊測試了兩個裝置，分別為裝有34個WT-TENG單元的盒子，放到海面上，收集海浪的能量，以及有10個WT-TENG單元組成手環，測試員戴上不斷擺動手臂。兩個測試的高峰發電量都足以推動150個LED燈泡。

　　訾雲龍教授表示：「之前海洋能收集系統往往要依賴龐大而笨重的電磁發電機（Electromagnetic generator，EMG），不過往往要海浪達到較高頻率，才能發電。是次研究有望推動摩擦納米發電機技術的應用，特別是收集『藍色能源』。」

　　相關研究成果刊登於《先進能源材料》（Advanced Energy Materials）。文章第一作者為博士後研究員吴昊、訾雲龍教授為唯一通訊作者，香港城市大學王鑽開教授參與指導工作。