The Innovation | 高效稳定的水能收集器

导 读

发展新型绿色低碳的可再生能源，如水能、太阳能，是实现碳达峰和碳中和的重要举措。大量储藏在雨滴、波浪以及湿气中的水能因为其低频、分布稀疏和尺寸不一的特点难以被传统的水力发电技术开发利用。近日，香港城市大学王钻开团队开发了一种在多种严苛环境（低温、高湿或高盐度）中均能保持稳定高效的水能收集器，可以实现对从冷凝液滴到波浪等不同规模水能的收集（图1）。

图1 图文摘要

水能是一种丰富易得的清洁能源。借助水力发电技术，常规的水能可以被高效地转换为电能。然而，大量的以雨滴、波浪或湿气等不同形态存在的水能因其低频且稀疏分布的特点不适合以传统水力发电技术开发。尽管近年来科学家们开发了多种新型水能收集装置，但仍难以高效稳定地收集这类水能。这是因为这些水能收集装置具有较低的能量转换效率，且难以在极端环境条件（如高湿度、低温或高盐度）中维持稳定的发电性能。其次，装置上大量的表面电荷也常常会被外界环境中的带电物质屏蔽从而导致发电性能下降。此外，大部分新型水能收集装置具有复杂的电路和过多的节点设计，难以实现大规模的器件集成。

本研究提出了一种受润滑剂保护的类晶体管式发电机（LA-TEG）的水能收集器设计。该设计在多种严苛环境（低温、高湿或高盐度）下均有良好稳定的发电性能。得益于印刷电路板技术，该设计缩减了大量电路节点和电路连接，具有良好的拓展性，适合大规模的阵列集成。

图2 LA-TEG的结构设计与集成

LA-TEG单元由一个蕴含大量表面电荷的超滑润滑剂灌入表面（SLIPS）、顶电极、底电极和连接电路组成（图2A和B）。当水滴撞击在SLIPS表面并铺展接触到顶电极时，SLIPS、顶电极和底电极组成了一个闭合回路，从而发生电荷转移，产生输出电流（图3）。与电子晶体管中栅极被施加电压时电流从源极流向漏极类似，LA-TEG中的水滴冲击可以引起电荷在顶电极和底电极之间的转移。因此，底电极/SLIPS、顶电极以及水构成类晶体管式的电极结构。我们将这种晶体管式的电极结构与连接电路构筑在印刷电路板上（图2C和D），以减少构建LA-TEG阵列所需要的电路节点和接线（图2E和F）。

图3 液滴撞击过程中的电荷转移

单个的LA-TEG单元受到一滴水撞击后，可以产生65 V的峰值电压和200 μA 的电流（图4A和B）。这些输出指标比基于SLIPS表面的传统设计要高出多个数量级。此外，经过参数优化后的LA-TEG能够产生高达118 W m^-2的瞬时输出功率，也远超之前报道的相关工作（图4C和D）。

图4 LA-TEG的输出性能

LA-TEG还可以被组装成不同大小的水能收集器来收集各种尺度的水能（图5A）。例如，单个LA-TEG单元可以收集微小的冷凝水滴中的动能并产生20 V的峰值电压（图5B）；由30个LA-TEG单元组成的波浪能收集器则可以产生40 V的峰值电压与高达100 nC的转移电荷（图5C）。此外，我们还建立了一个基于LA-TEG阵列的雨滴能量收集平台，并实现其对液晶显示屏和无线温度检测系统的供能（图5D-G）。

图5 不同尺度的LA-TEG阵列的应用研究

LA-TEG除拥有突出的发电性能外，还展现出了优异的环境稳定性。由于受到SLIPS中润滑剂的保护，LA-TEG在低温或高湿度条件下均能维持大于50 V的瞬时电压输出（图6A和B）。此外，LA-TEG在海水中浸泡30天后仍能维持60 V左右的瞬时电压输出（图6C）。本研究通过分子动力学模拟与一系列对比实验解释了润滑剂保护LA-TEG的作用机制，即润滑剂可以作为一层装甲保护SLIPS中的表面电荷免受外界环境中的各种带电粒子的屏蔽，从而稳定LA-TEG的输出性能（图6D-I）。

图6 LA-TEG的稳定性研究

总结与展望

本文提出了一种基于润滑剂灌注表面和类晶体管式电极结构的水能收集器设计，该设计不仅具有优异的电输出性能和在严苛环境中的稳定性，还具备良好的扩展性，适宜大规模的器件集成。这种设计策略为水能收集器在各种严苛环境中的实际应用提供了一种通用的解决方案。

责任编辑

赵华斌  武汉大学

王   欢  中山大学

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00097-2

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第五期以Report发表的“Achieving ultra-stable and superior electricity generation by integrating transistor-like design with lubricant armor” (投稿: 2022-06-17；接收: 2022-08-08；在线刊出: 2022-08-10)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100301

引用格式：Song Y., Xu W., Liu Y., et al. (2022). Achieving ultra-stable and superior electricity generation by integrating transistor-like design with lubricant armor. The Innovation. 3(5),100301.

作者简介

王钻开,香港城市大学机械工程系讲座教授，教育部“国家人才计划”讲座教授，香港青年科学院创始成员。主要研究方向为仿生拓扑机械系统和微观传递现象等,在Nature、 Science等杂志发表论文200多篇。曾获2022年香港研资局高级研究学者奖、2022年日内瓦国际发明金奖和评审团金奖、2021年青山科技奖、2020科学探索奖、第35届世界文化理事会特别青年嘉奖以及国际仿生学会杰出青年奖。培养的博士生获得香港青年科学家奖（2人）、美国材料学会杰出研究生金奖和银奖（3名）、上银优秀机械博士论文银奖等，多人入选国家海外高层次人才引进计划。

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