从受自然启发的蒸发雨滴和水分中收集电能

雨滴、蒸发的水，甚至空气中的水分都是分散式清洁发电的潜在来源，但许多利用这种环境和巨大能源的技术——其中许多受到植物的电力收集技术的启发和动物——停留在实验台阶段。一组研究人员和工程师对这个非常年轻的领域面临的机遇和挑战进行了调查。

他们的评论论文于2022 年 11 月 30 日发表在《纳米研究 能源》杂志上。

在考虑可持续发电或大型潮汐拦河坝时，人们首先想到的可能是巨大的水力发电大坝。如果您非常熟悉清洁能源开发的现状，那么您可能还知道海面或海底的波浪能转换器，可将高强度波浪的能量转化为可用电能。

所有这些选择都依赖于笨重、笨重且最重要的是集中收集水中所含能量的形式。然而，还有无数其他潜在的技术途径可以利用水在地球上几乎无处不在的无处不在的优势，以更加分散的方式从水中获取电力。这些将从蒸发、凝结、降雨、水分，甚至是从叶子上掉下的水滴和最微小的波浪规模的微小水流过程中产生可用的电力。

沿这些方向提出的技术利用了各种物理现象，包括压电效应(电荷因应力或压力的应用而积累)、摩擦电(某些材料在与不同材料分离后带电)他们接触过的)、热电(热能转化为电能，反之亦然)和水电效应(通过水和纳米材料之间的相互作用产生电能)。

“水无处不在。它像其他实体一样随处可用。因此，所有这些清洁能源都只是坐在那里，未被使用，等待我们利用它，”该评论的论文作者和香港城市大学机械工程系研究员 Zuankai Wang 说。“对我们来说，利用这个巨大的能源储备是有意义的，不仅用于大量发电，而且用于传感器和可穿戴设备等一系列应用，在这些应用中，微型能量收集更适合使用它是被投入。”

然而，开发此类分布式水能技术的大部分工作仍处于起步阶段。许多用于分布式水能收集技术的实验室概念都存在耐久性差、可扩展性差以及最糟糕的是能量转换率低的问题。后一个问题意味着，对于从这些过程中收集能量所付出的所有努力，并没有多少被挤出。

例如，由空气中的水蒸气驱动的发电机的开发使用的材料迄今为止表现出较差的吸水能力(附着在表面上)，导致水与材料之间的相互作用不完全，产生低电输出，并且面对恶劣的环境，下降的幅度更大。

“然而，大自然的其他部分已经找到了数千种不同的方法来做到这一点，”Wang 补充道。“进化基本上完善了以极其有效的方式从环境水文过程中提取能量的过程。”

例如，微观和纳米尺度的荷叶具有极端的疏水结构，允许水滴以极低的阻力在其表面滚动——基本上是在气垫上。这种现象激发了工程师们研究纹理超疏水表面的灵感。南洋杉叶的不对称 3D 棘轮导致具有不同表面张力的液体沿不同方向流动。猪笼草是一种食肉植物，也称为猪笼草，它能够引导液体通过其表面结构，这激发了该评论论文的作者开发一种“光滑的注入液体的多孔表面”(SLIPS) 系统，该系统可以排斥液体非常有效。具有耐用 SLIPS 的水能发生器允许在高湿度的恶劣环境中从液滴中持续输出电能，

不仅仅是植物。由于水力发电机由于其可变形性和紧凑的尺寸而非常适合从人体运动中收集能量，另一组受电鳗膜启发的研究人员开发了利用水凝胶阵列(不溶于水的高吸水性聚合物)的人造电器官水)作为鳗鱼膜成分的类似物。

尽管这种用于水能收集的仿生工程或“仿生学”的发展呈爆炸式增长，但目前这一代的水力发电机在很大程度上仍然是临时性的。研究人员认为，迫切需要对该领域进行全面审查，以将其置于更坚实的理论基础之上，并找出研究差距，以更好地指导系统设计和新型材料的开发。

该综述涵盖了仿生水力发电机的主要发电机制。它还提供了已开发的各种受生物启发的设备的视野，特别是蒸发、水分、雨水以及波浪和流动驱动的发电机，涵盖三个用例：传感器、可穿戴发电机和自供电电子产品。

研究人员得出结论，水力发电的基本结构仍未得到充分理论化，尤其是电荷传输和转移以及能量转换的结构。最值得注意的是，在固体材料和水的界面上没有关于电荷转移的一般理论，为此提出的机制仍在激烈争论中。

此外，固体表面的液体残留物会显着降低电输出，因此如何避免或减少此类残留物是该领域最重要的研究途径之一。大多数努力都集中在产生超疏水表面的材料中的纹理微观结构上，以实现液体和固体之间的不完全接触。虽然这会产生所需的水残渣减少，但它也不可避免地限制了固液接触面积，减少电荷感应，从而降低电输出，产生与残渣相同的结果。

在其他领域，提高从环境中吸收水的能力将是提高发电量的关键。研究人员建议将更多的重点放在对在沙漠等极度干旱地区长期进化的生物的研究上。

最后，作者指出，受生物启发的水力发电机的大部分设计仍处于实验室阶段，此类设备仅面临相当温和的实验环境，而不是现实世界条件的颠簸。

这些技术的寿命即使在实验室中也只能存活几天或最多几个月。这与太阳能电池板大约 25 年的寿命或核电站或水坝的半个世纪或更长时间的寿命相比就差强人意了。可能有一些用例，也许在医疗应用中，短寿命不会带来什么问题，甚至是可取的，但为了更广泛地采用该技术，将需要克服这种不令人满意的寿命。