时事分析 | 环境生态及能源 | 2020-05-18 | 《星岛日报》

水滴能点灯 雨水发电可普及?



煤炭发电产生的气体,不单有损人体健康,也是加剧全球暖化的元凶之一。要减少污染,发展可再生能源是一个重要方案。目前,本港使用的可再生能源包括太阳能、堆填沼气等[1],而在水力发电发展方面,却一直面临缺乏足够河流流量的挑战。[2]早前,本港有学者研发出新型的水滴发电机,只需一滴水,即可点亮100盏小型LED灯[3],打破固有水滴发电量低的限制。那么水滴发电能否在香港广泛应用?

可再生能源是指来自大自然的可持续能源,来源包括太阳、风和海洋等。[4]国际可再生能源机构(IRENA)早前发表的《2020可再生能源产能统计年鉴》显示,全球可再生能源发电产能于2019年新增了176吉瓦(Gigawatt)[5],占全部电力扩张的72%[6],可见增加使用可再生能源的潜力。

环境所限 香港水力发电困难重重

可再生能源分为多种类别,其中水能属于自然界水循环的资源。[7]水力发电的原理,是透过水的流动或由高处流下的水,推动涡轮机及发电机,从而将动能转化成机械能,再变为电能。[8]当中最普遍的形式是建设水电站,包括径流式水电站及坝式水电站,前者利用湍急河流中被分流堰截留的水,冲到设于低位的水轮,从而带动发电机发电;后者则利用堤坝将河流截断并蓄水,当堤坝的活门开启,水便从高处泻下并高速冲击水轮机,从而带动水轮机和发电机的旋转产生电力。[9]

水力发电并非新鲜的概念,其好处在于二氧化碳排放量及对气候变化的影响较小,同时能提供较廉价的电力。但同一时间,水资源会因应季节及地理因素改变而不稳定,而建造大型水力发电项目的水坝,亦有机会影响原有河流生态。[10]

在香港,发展水力发电也存在不少阻碍。举例,要开发径河式水电站,首先需要建设分水堰和前池,以在水进入水轮机前作短暂储水。然而,香港的大部分河流和水道都分布在郊野公园和特别保护区内,建设以上设施难免影响生态。[11]另一方面,香港并没有能提供足够流量和水头以建立大型水电站的河流[12],加上河流水量一年四季变化甚大,有时更会断水,故无法依赖径流式水电站提供可靠的电力供应。[13]

话虽如此,本港现时部分地区已安装了一些与水力相关的装置,例如马湾公园小型水力发电机和香港中文大学的未圆湖水坝。[14]另外,水务署分别于2013年及2017年启用位于屯门滤水厂水力发电系统的两台机组,原预计每年为滤水厂节省约300万度电力,及减少约2,000公吨二氧化碳排放。不过,根据传媒报道,系统在2017至2018年的产电量仅约35万度,碳排放量亦只减少了370吨,效果远逊预期,更被环保团体质疑设计错误。[15]

雨水也可发电?

其实,能够产生水动能的方法不止河流,海浪、潮汐,甚至雨水等同样能产生低频率的动能,只是碍于技术所限,未能有效率地转化作发电用途。[16]早于1867年,英国科学家William Thomson便发明了开氏滴水发电机,该发电机透过滴水产生静电,再借由静电感应的原理不断累积电荷,从而产生电压。[17]这种既有的液滴式发电机是利用摩擦发电效应(triboelectric effect),用液滴撞击表面时的摩擦和静电感应而产生电力,但由于雨滴撞击力太小,限制了表面摩擦电荷的数量,电能转换效率较低[18],发电量亦不高。

其后,有中国科学家开发出透过利用雨水发电的太阳能板,原理是在太阳能电池上放置两层透明的聚合物膜,当雨水滴落并滑过聚合物膜时会产生摩擦力,因而产生静电荷发电。不过也有外国科学家质疑,该设备从大雨中产生的功率,不足以对太阳能电池板的输出产生整体影响。[19]

大学研发新技术 一滴水可亮百盏LED灯

雨水发电困难重重,但无阻科学家继续努力,香港城市大学最新发表的研究,便带来新的希望。城大研究团队花了两年时间研发出新型液滴式发电机,与传统的液滴发电机比较,每平方米可产生的最高能量增加数千倍,达到50.1瓦,电能转换效率亦大大提升,打破水滴发电发电量低的限制。[20]

负责研究的城大机械工程学系教授王钻开接受科学杂志访问时解释,新开发的发电机与传统不同之处,在于他们研发了的一组全新的独特结构。该结构有两层,表层由带有并可储存电荷的聚四氟乙烯(PTFE)及铝电极组成;下层则设有另一个电极。当水滴持续不断撞击PTFE,因摩擦所产生的表面静电荷(surface charge)会不断累积至饱和,而当水滴散开并接触到铝电极时,便会和下层的电极接通,变成一个可通电的完整电路,两者的结合可大幅提升瞬时功率密度和电能转化效率。[21]

据其团队的研究,新的发电机只需一滴100微升(一微升等于百万分之一升)的水滴由15厘米的高度滴下,即可产生超过140V电压,电能足以令100盏小LED灯闪亮片刻[22],意味以往电荷密度低的问题已被解决,向成为新的可再生能源迈进一小步。不过,使用雨水发电仍需符合两个条件。

条件一:降雨量充足

近年,政府锐意减少碳排放。《香港气候行动蓝图2030+》显示,政府希望在2030年把每单位国内生产总值的二氧化碳排放量(碳强度[23])减少65%至70%,其中一个实现目标的方法,正是增加可再生能源。报告指出,政府预计在2017至2030年间,香港能够以风力、太阳能及转废为能,实现可再生能源的潜力约为3%至4%。但报告亦提到,尽管风力和太阳能技术已大有改进,要利用这些技术仍要面对成本较传统能源高昂、供应不稳导致输出量难以预计等问题[24],反映单靠现有的可再生能源技术,要达成目标并非易事。

那么,雨水发电的新突破,能否为香港带来新的再生能源发展机遇?要发展雨水发电又需要哪些条件?

顾名思义,雨水发电需要一定的雨量支持。香港天文台资料显示,1981至2010 年间香港降雨量的年平均值为2,398.5毫米[25],若温室气体排放持续增加,天文台推算在高温室气体浓度情景下,2091至2100年间的年雨量会较1986至2005年平均上升约180亳米。[26]但值得留意的是,本港的降雨量并不稳定,大约80%的雨量集中在5至9月录得,当中又以6月和8月录得最多雨量,1月和12月雨量则最少,这亦是影响本港集水的关键因素之一[27],故一旦发展雨水发电,储水及储电便成为关键要素之一。

条件二:提高电能转化效率

除了充足的雨水,提升水能转换成电能的效率亦十分重要。目前,部分用于水力发电的水轮机转换效率可以达到90%[28],但由于新研发的液滴式发电机只是雏型,虽然转换效率已较以往的液滴式发电机高,但仍只有2.2%[29],故有必要改善。另外,新的液滴式发电机现时只能产生瞬间的电压,如何增强持续性也是进一步研究的重点之一。[30]

应用范围不只雨水

值得留意的是,上述城大团队进行的一系列测试发现,无论是雨水、自来水,还是海水,都能利用同样原理发电。而设计的装置厚度约为0.5毫米,只相当于10根头发的厚度,未来可灵活应用于不同地方,前提是有液体与固体的接触,例如轮船船身、海岸边、雨伞表面及水樽内。研究团队又同时设计了一个雨水收集和流速控制装置,将海水或其他水源分离成液滴,透过调节流速控制器中管道的直径和释放高度,便能控制水滴的大小和速度,进行发电。[31]

总括而言,虽然新研发的水滴发电机仍有不少改善空间,但有关技术确实开拓了以低频水动能作为可再生能源的可能性,帮助全球开发更多水力发电的资源。香港政府近年透过上网电价等计划,鼓励私营界别考虑投资可再生能源[32],这对促进技术突破,缔造可持续发展的社会环境,有一定帮助。或许终有一日,人们不论在晴天雨天,都懂得发掘推动生活的力量。

1 「香港可再生能源技术应用概况」。取自香港可再生能源网网站:https://re.emsd.gov.hk/sc_chi/gen/overview/over_app.html,查询日期2020年4月15日。
2 「水力发电」。取自香港可再生能源网网站:https://re.emsd.gov.hk/sc_chi/other/hydroelectric/hyd_tech.html,查询日期2020年4月15日。
3 「新研发高效能水滴发电机: 一滴水可以发电140V,点亮100盏小LED灯」。取自香港城市大学网站:https://www.cityu.edu.hk/zh-cn/research/stories/2020/02/06/new-droplet-based-electricity-generator-drop-water-generates-140v-power-lighting-100-led-bulbs,最后更新日期2020年2月6日。
4「可再生能源」。取自世界自然基金会网站:https://www.wwf.org.hk/whatwedo/climate_and_energy/renewable_energy/,查询日期2020年4月15日。
5 吉瓦一般用于量度发电机组的发电能力。一吉瓦代表一百万度电。资料来源:「能量、能源与电力能源的计算方法」。取自中电网站:https://www.ls-energy.hk/chi/energy-calculation.html,查询日期2020年4月15日。
6 “Renewables Account for Almost Three Quarters of New Capacity in 2019”, IRENA, https://www.irena.org/newsroom/pressreleases/2020/Apr/Renewables-Account-for-Almost-Three-Quarters-of-New-Capacity-in-2019, last modified April 6, 2020.
7 「能源及分类可再生能源 • 水能」。取自中电网站:https://www.ls-energy.hk/chi/renewable-energy-hydro.html,查询日期2020年4月15日。
8 「能源」。取自机电工程署网站:https://www.emsd.gov.hk/energyland/sc/energy/renewable/hydro.html,最后更新日期2020年2月11日。
9 同7。
10 同7。
11「常见问题」。取自香港再生能源网网站:https://re.emsd.gov.hk/sc_chi/other/hydroelectric/hyd_faq.html,查询日期2020年4月15日。
12 同2。
13 同11。
14「应用实例」。取自香港可再生能源网网站:https://re.emsd.gov.hk/tc_chi/other/hydroelectric/hyd_exam.html,查询日期2020年4月15日。
15 陈素贞、甘铭添,〈水署又揭超废工程 投资千万冇剩 水力发电站供电得一成〉,《东方日报》,2019年2月2日,A1页。
16 同3。
17 「为甚么开氏滴水发电机可以产生静电呢?」。取自香港中文大学网站:http://www.phy.cuhk.edu.hk/phyworld/iq/kelvin_generator/kelvin_generator.html,查询日期2020年4月15日;「克氏滴水发电机」。取自国立台湾大学网站:http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=19066,最后更新日期2011年1月5日。
18 同3。
19 Damian Carrington, “Rain or shine: new solar cell captures energy from raindrops”, The Guardian, March 13, 2018, https://www.theguardian.com/environment/2018/mar/13/rain-or-shine-new-solar-cell-captures-energy-from-raindrops.
20 同3。
21 张二七,「一滴水点亮百盏灯 中国科学家打造水滴发电机」。取自环球科学网站:https://huanqiukexue.com/a/qianyan/xinxi__nenyuan/2020/0302/29279.html,最后更新日期2020年3月2日。
22 「新研发高效能水滴发电机: 一滴水可以发电140V,点亮100盏小LED灯」。取自香港城市大学网站:https://www.cityu.edu.hk/zh-cn/research/stories/2020/02/06/new-droplet-based-electricity-generator-drop-water-generates-140v-power-lighting-100-led-bulbs,最后更新日期2020年2月6日;「【专访】城大研发新型水滴发电机 一滴水可点亮100盏灯」。取自facebook网站:https://www.facebook.com/unwirehk/videos/499684974309763/,最后更新日期2020年3月5日。
23 《香港气候变化报告2015》,环境局,2015年11月,第20页。
24 《香港气候行动蓝图2030+》,环境局,2017年1月,第21、24页。
25 「香港气象要素之月平均值 (1981-2010)」。取自香港天文台网站:https://www.hko.gov.hk/sc/cis/normal/1981_2010/normals.htm,最后更新日期2019年12月31日。
26 「雨量」。取自香港天文台网站:https://www.weather.gov.hk/sc/climate_change/proj_hk_rainfall.htm,最后更新日期2019年11月28日。
27 「本地集水」。取自水务署网站:https://www.wsd.gov.hk/tc/core-businesses/water-resources/local-yield/index.html,最后更新日期2019年10月10日;「香港的气候」。取自香港天文台网站:https://www.hko.gov.hk/tc/cis/climahk.htm,最后更新日期2020年2月6日。
28 「水力发电」。取自香港可再生能源网网站:https://re.emsd.gov.hk/tc_chi/other/hydroelectric/Turbine_types.html,最后更新日期:2019年3月8日。
29 「一滴水点亮100盏LED:中美团队联手,新型水滴发电机展示全新发电『魔术』」。取自微信公众平台网站:https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3NTIyODUzNA==&mid=2649583934&idx=1&sn=61490a96d2edd4e28aa74ef42634c944&chksm=876a6527b01dec319e4e9c97ee72191d53fbfe631e83f16f983ed36c7740ee366859d20b2eb0&mpshare=1&scene=1&srcid=0312RVcxBsqlVskJ0ty8hLs1&sharer_sharetime=1584001273078&sharer_shareid=47f0f547528572cc80234ce5772175f7&key=6dc1e3ec383dbb13fcb2556adc68083b907a552b8b870801be794e45eb0283ed5663407d7f2384800534f8a1b2471d32cc9b716a46f9ed055daffede09f63d534e1b55dae5c0619a429c914fa3e979cb&ascene=1&uin=NjI2NDc0NjY0&devicetype=Windows+10&version=62080079&lang=en&exportkey=Ajkh1IEUItDLGOJN%2FfGgvns%3D&pass_ticket=qKsoh2XXQzz0QoJzYmtPY9ap3e5v8zNcM%2BVL6mQreGxJEHYGkikCuCc%2BWZL%2Bg%2BAZ,最后更新日期2020年3月12日。
30 「【专访】城大研发新型水滴发电机 一滴水可点亮100盏灯」。取自facebook网站:https://www.facebook.com/unwirehk/videos/499684974309763/,最后更新日期2020年3月5日。
31 根据香港城市大学于4月29日回复智经的电邮查询时所提供的资料;「新研发高效能水滴发电机: 一滴水可以发电140V,点亮100盏小LED灯」。取自香港城市大学网站:https://www.cityu.edu.hk/zh-cn/research/stories/2020/02/06/new-droplet-based-electricity-generator-drop-water-generates-140v-power-lighting-100-led-bulbs,最后更新日期2020年2月6日;张二七,「一滴水点亮百盏灯 中国科学家打造水滴发电机」。取自环球科学网站:https://huanqiukexue.com/a/qianyan/xinxi__nenyuan/2020/0302/29279.html,最后更新日期2020年3月2日。
32 「上网电价」。取自香港政府一站通网站:https://www.gov.hk/sc/residents/environment/renewable/feedintariff.htm,最后更新日期2019年12月。