风、水、太阳等都是用之不竭的再生能源,占地球约7成面积的海洋更是能源专家一直欲开发的巨大宝库。不过,这种依靠海浪发电的「蓝色能源」,不但设置和维护成本昂贵,亦要符合特定天气和地理条件,难以做到高成本效益。香港中文大学(中大)工程学院研究团队最近就结合简单机械原理及物料,研发出一款水管式摩擦纳米发电机(WT-TENG),能将海浪能量高效转换成电能,而秘诀是一支手指般大小的胶管。

模仿海浪形态 颠覆传统海浪能源收集方法

一条只有6厘米如手指般大小的胶管,连接电线后如何输出电力?领导研究的中大机械与自动化工程学系助理教授訾云龙教授,一直醉心研究能量收集技术,特别是近年崭露头角的摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator,TENG)技术,即开发这个水管式发电机的理论基础。訾教授说:「摩擦纳米发电是一种新技术,现时已应用在不少生活用品,例如可以过滤空气中微小悬浮粒子的口罩、空气清新机等,同时其在可再生能源范畴的应用更具前景。」

传统的摩擦纳米发电装置是透过物料之间互相摩擦产生静电来输出电荷,大多是固体与固体之间的接触,可利用的空间不多,亦难以确保物体之间是否紧密接触,因此产生的电荷密度往往较低。至于物料摩擦过程中亦会令能量流失,不但难以达到电量输出最大化,更会令部件磨损,维修成本增加。

除了技术性问题,波浪起伏不定、形态无规律等,亦会令频率受限制,过往是不少海浪能发电项目胎死腹中的原因之一。因此,团队在挑选及测试物料上特别花心力。团队成员之一的博士后研究生吴昊博士说:「以前从来没有人用那么细小的水管将海洋能收集起来。关于物料选择,我们也做过很多尝试。我们曾用微细如尘的粉末做测试,但其结构松散,始终不及水的特性,柔软又高效能。」

经反覆测试,团队发现只需用水注满胶管一半,便能输出最高电压。

水的流动性与海浪形态最贴近,弹性又柔软,只要充分利用空间分布,便可增加水与物件的接触面积。团队以此为灵感,研发出一款水管式摩擦纳米发电机(WT-TENG)。原理是将水封装入一个直径1至2厘米,长度约6厘米的胶水管。当波浪冲击WT-TENG时,水紧贴胶管的电极区域,会因波浪使管内的水和胶管的接触面来回摩擦而产生电荷。不过,若然海上没有浪,是否就不够能量推动发电装置?当被问及WT-TENG 的最低运动频率时,吴博士笑着补充:「我们的WT-TENG有一种模式是旋转模式,在旋转的运动模式下,这个装置在低频率的机械运动下都能发电!」简而言之,即使海浪运动频率低至0.1赫兹(Hz),在旋转模式下,单是一个WT-TENG单元便能输出100至150伏特的电压,体积电荷密度达9 mC /m3,是现有低频能量收集TENG之中最高。

一个单元的WT-TENG最高输出电压达100至150伏特,而一般干电池只有1.5伏特。

低成本及简单结构取胜 启发蓝色能源发展

研究团队把WT-TENG放到位于香港的维多利亚港海域上,尝试以海浪发电。

WT-TENG装置可按所需发电量,类似积木般拼合出不同单元的组合,单元愈多输出的电量愈多,甚至可以倍增。为了测试WT-TENG装置在真实环境下的运作成效,研究团队将装置带到香港维多利亚港海旁,并将34个单元的WT-TENG放进密实盒,让其随海浪在海面上漂浮并收集能量,结果收集到的发电量足以推动150个LED灯泡。

这个装置生产成本低,无疑是推动「蓝色能源」发展的新力量,亦有助吸引更多人加入开采新能源的行列。訾教授坦言,要进一步将WT-TENG发展成规模足以为一个地方供电,当中的考量很多,但仍然希望一步一步向这个方法前进。「海洋蕴藏的能量非常大,但却未被好好利用。所以这些年来,我们在摩擦发电技术领域不断钻研,想看看我们的技术能否取代原有技术,为海洋能采集提供更好的选择。这个技术仍在初步实验阶段,下一步会提升装置的输出电量和稳定性,看可否为小型家电供电,接着是改良水管的封装,提高其抵抗海水腐蚀的能力等,慢慢扩大规模。」

这个研究已在 《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)发表,并获多个研究基金资助推展研究,对推动海洋能收集和传感式网路技术的发展具重要意义。