時事分析 | 環境生態及能源 | 2020-05-18 | 《星島日報》

水滴能點燈 雨水發電可普及?



煤炭發電產生的氣體,不單有損人體健康,也是加劇全球暖化的元凶之一。要減少污染,發展可再生能源是一個重要方案。目前,本港使用的可再生能源包括太陽能、堆填沼氣等[1],而在水力發電發展方面,卻一直面臨缺乏足夠河流流量的挑戰。[2]早前,本港有學者研發出新型的水滴發電機,只需一滴水,即可點亮100盞小型LED燈[3],打破固有水滴發電量低的限制。那麼水滴發電能否在香港廣泛應用?

可再生能源是指來自大自然的可持續能源,來源包括太陽、風和海洋等。[4]國際可再生能源機構(IRENA)早前發表的《2020可再生能源產能統計年鑒》顯示,全球可再生能源發電產能於2019年新增了176吉瓦(Gigawatt)[5],佔全部電力擴張的72%[6],可見增加使用可再生能源的潛力。

環境所限 香港水力發電困難重重

可再生能源分為多種類別,其中水能屬於自然界水循環的資源。[7]水力發電的原理,是透過水的流動或由高處流下的水,推動渦輪機及發電機,從而將動能轉化成機械能,再變為電能。[8]當中最普遍的形式是建設水電站,包括徑流式水電站及壩式水電站,前者利用湍急河流中被分流堰截留的水,沖到設於低位的水輪,從而帶動發電機發電;後者則利用堤壩將河流截斷並蓄水,當堤壩的活門開啟,水便從高處瀉下並高速衝擊水輪機,從而帶動水輪機和發電機的旋轉產生電力。[9]

水力發電並非新鮮的概念,其好處在於二氧化碳排放量及對氣候變化的影響較小,同時能提供較廉價的電力。但同一時間,水資源會因應季節及地理因素改變而不穩定,而建造大型水力發電項目的水壩,亦有機會影響原有河流生態。[10]

在香港,發展水力發電也存在不少阻礙。舉例,要開發徑河式水電站,首先需要建設分水堰和前池,以在水進入水輪機前作短暫儲水。然而,香港的大部分河流和水道都分佈在郊野公園和特別保護區內,建設以上設施難免影響生態。[11]另一方面,香港並沒有能提供足夠流量和水頭以建立大型水電站的河流[12],加上河流水量一年四季變化甚大,有時更會斷水,故無法依賴徑流式水電站提供可靠的電力供應。[13]

話雖如此,本港現時部分地區已安裝了一些與水力相關的裝置,例如馬灣公園小型水力發電機和香港中文大學的未圓湖水壩。[14]另外,水務署分別於2013年及2017年啟用位於屯門濾水廠水力發電系統的兩台機組,原預計每年為濾水廠節省約300萬度電力,及減少約2,000公噸二氧化碳排放。不過,根據傳媒報道,系統在2017至2018年的產電量僅約35萬度,碳排放量亦只減少了370噸,效果遠遜預期,更被環保團體質疑設計錯誤。[15]

雨水也可發電?

其實,能夠產生水動能的方法不止河流,海浪、潮汐,甚至雨水等同樣能產生低頻率的動能,只是礙於技術所限,未能有效率地轉化作發電用途。[16]早於1867年,英國科學家William Thomson便發明了開氏滴水發電機,該發電機透過滴水產生靜電,再借由靜電感應的原理不斷累積電荷,從而產生電壓。[17]這種既有的液滴式發電機是利用摩擦發電效應(triboelectric effect),用液滴撞擊表面時的摩擦和靜電感應而產生電力,但由於雨滴撞擊力太小,限制了表面摩擦電荷的數量,電能轉換效率較低[18],發電量亦不高。

其後,有中國科學家開發出透過利用雨水發電的太陽能板,原理是在太陽能電池上放置兩層透明的聚合物膜,當雨水滴落並滑過聚合物膜時會產生摩擦力,因而產生靜電荷發電。不過也有外國科學家質疑,該設備從大雨中產生的功率,不足以對太陽能電池板的輸出產生整體影響。[19]

大學研發新技術 一滴水可亮百盞LED燈

雨水發電困難重重,但無阻科學家繼續努力,香港城市大學最新發表的研究,便帶來新的希望。城大研究團隊花了兩年時間研發出新型液滴式發電機,與傳統的液滴發電機比較,每平方米可產生的最高能量增加數千倍,達到50.1瓦,電能轉換效率亦大大提升,打破水滴發電發電量低的限制。[20]

負責研究的城大機械工程學系教授王鑽開接受科學雜誌訪問時解釋,新開發的發電機與傳統不同之處,在於他們研發了的一組全新的獨特結構。該結構有兩層,表層由帶有並可儲存電荷的聚四氟乙烯(PTFE)及鋁電極組成;下層則設有另一個電極。當水滴持續不斷撞擊PTFE,因摩擦所產生的表面靜電荷(surface charge)會不斷累積至飽和,而當水滴散開並接觸到鋁電極時,便會和下層的電極接通,變成一個可通電的完整電路,兩者的結合可大幅提升瞬時功率密度和電能轉化效率。[21]

據其團隊的研究,新的發電機只需一滴100微升(一微升等於百萬分之一升)的水滴由15厘米的高度滴下,即可產生超過140V電壓,電能足以令100盞小LED燈閃亮片刻[22],意味以往電荷密度低的問題已被解決,向成為新的可再生能源邁進一小步。不過,使用雨水發電仍需符合兩個條件。

條件一:降雨量充足

近年,政府銳意減少碳排放。《香港氣候行動藍圖2030+》顯示,政府希望在2030年把每單位國內生產總值的二氧化碳排放量(碳強度[23])減少65%至70%,其中一個實現目標的方法,正是增加可再生能源。報告指出,政府預計在2017至2030年間,香港能夠以風力、太陽能及轉廢為能,實現可再生能源的潛力約為3%至4%。但報告亦提到,儘管風力和太陽能技術已大有改進,要利用這些技術仍要面對成本較傳統能源高昂、供應不穩導致輸出量難以預計等問題[24],反映單靠現有的可再生能源技術,要達成目標並非易事。

那麼,雨水發電的新突破,能否為香港帶來新的再生能源發展機遇?要發展雨水發電又需要哪些條件?

顧名思義,雨水發電需要一定的雨量支持。香港天文台資料顯示,1981至2010 年間香港降雨量的年平均值為2,398.5毫米[25],若溫室氣體排放持續增加,天文台推算在高溫室氣體濃度情景下,2091至2100年間的年雨量會較1986至2005年平均上升約180亳米。[26]但值得留意的是,本港的降雨量並不穩定,大約80%的雨量集中在5至9月錄得,當中又以6月和8月錄得最多雨量,1月和12月雨量則最少,這亦是影響本港集水的關鍵因素之一[27],故一旦發展雨水發電,儲水及儲電便成為關鍵要素之一。

條件二:提高電能轉化效率

除了充足的雨水,提升水能轉換成電能的效率亦十分重要。目前,部分用於水力發電的水輪機轉換效率可以達到90%[28],但由於新研發的液滴式發電機只是雛型,雖然轉換效率已較以往的液滴式發電機高,但仍只有2.2%[29],故有必要改善。另外,新的液滴式發電機現時只能產生瞬間的電壓,如何增強持續性也是進一步研究的重點之一。[30]

應用範圍不只雨水

值得留意的是,上述城大團隊進行的一系列測試發現,無論是雨水、自來水,還是海水,都能利用同樣原理發電。而設計的裝置厚度約為0.5毫米,只相當於10根頭髮的厚度,未來可靈活應用於不同地方,前提是有液體與固體的接觸,例如輪船船身、海岸邊、雨傘表面及水樽內。研究團隊又同時設計了一個雨水收集和流速控制裝置,將海水或其他水源分離成液滴,透過調節流速控制器中管道的直徑和釋放高度,便能控制水滴的大小和速度,進行發電。[31]

總括而言,雖然新研發的水滴發電機仍有不少改善空間,但有關技術確實開拓了以低頻水動能作為可再生能源的可能性,幫助全球開發更多水力發電的資源。香港政府近年透過上網電價等計劃,鼓勵私營界別考慮投資可再生能源[32],這對促進技術突破,締造可持續發展的社會環境,有一定幫助。或許終有一日,人們不論在晴天雨天,都懂得發掘推動生活的力量。

1 「香港可再生能源技術應用概況」。取自香港可再生能源網網站:https://re.emsd.gov.hk/tc_chi/gen/overview/over_app.html,查詢日期2020年4月15日。
2 「水力發電」。取自香港可再生能源網網站:https://re.emsd.gov.hk/tc_chi/other/hydroelectric/hyd_tech.html,查詢日期2020年4月15日。
3 「新研發高效能水滴發電機: 一滴水可以發電140V,點亮100盞小LED燈」。取自香港城市大學網站:https://www.cityu.edu.hk/zh-hk/research/stories/2020/02/06/new-droplet-based-electricity-generator-drop-water-generates-140v-power-lighting-100-led-bulbs,最後更新日期2020年2月6日。
4「可再生能源」。取自世界自然基金會網站:https://www.wwf.org.hk/whatwedo/climate_and_energy/renewable_energy/,查詢日期2020年4月15日。
5 吉瓦一般用於量度發電機組的發電能力。一吉瓦代表一百萬度電。資料來源:「能量、能源與電力能源的計算方法」。取自中電網站:https://www.ls-energy.hk/chi/energy-calculation.html,查詢日期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 「能源及分類可再生能源 • 水能」。取自中電網站:https://www.ls-energy.hk/chi/renewable-energy-hydro.html,查詢日期2020年4月15日。
8 「能源」。取自機電工程署網站:https://www.emsd.gov.hk/energyland/tc/energy/renewable/hydro.html,最後更新日期2020年2月11日。
9 同7。
10 同7。
11「常見問題」。取自香港再生能源網網站:https://re.emsd.gov.hk/tc_chi/other/hydroelectric/hyd_faq.html,查詢日期2020年4月15日。
12 同2。
13 同11。
14「應用實例」。取自香港可再生能源網網站:https://re.emsd.gov.hk/tc_chi/other/hydroelectric/hyd_exam.html,查詢日期2020年4月15日。
15 陳素貞、甘銘添,〈水署又揭超廢工程 投資千萬冇剩 水力發電站供電得一成〉,《東方日報》,2019年2月2日,A1頁。
16 同3。
17 「為甚麼開氏滴水發電機可以產生靜電呢?」。取自香港中文大學網站:http://www.phy.cuhk.edu.hk/phyworld/iq/kelvin_generator/kelvin_generator.html,查詢日期2020年4月15日;「克氏滴水發電機」。取自國立台灣大學網站:http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=19066,最後更新日期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 張二七,「一滴水點亮百盞燈 中國科學家打造水滴發電機」。取自環球科學網站:https://huanqiukexue.com/a/qianyan/xinxi__nenyuan/2020/0302/29279.html,最後更新日期2020年3月2日。
22 「新研發高效能水滴發電機: 一滴水可以發電140V,點亮100盞小LED燈」。取自香港城市大學網站:https://www.cityu.edu.hk/zh-hk/research/stories/2020/02/06/new-droplet-based-electricity-generator-drop-water-generates-140v-power-lighting-100-led-bulbs,最後更新日期2020年2月6日;「【專訪】城大研發新型水滴發電機 一滴水可點亮100盞燈」。取自facebook網站:https://www.facebook.com/unwirehk/videos/499684974309763/,最後更新日期2020年3月5日。
23 《香港氣候變化報告2015》,環境局,2015年11月,第20頁。
24 《香港氣候行動藍圖2030+》,環境局,2017年1月,第21、24頁。
25 「香港氣象要素之月平均值 (1981-2010)」。取自香港天文台網站:https://www.hko.gov.hk/tc/cis/normal/1981_2010/normals.htm,最後更新日期2019年12月31日。
26 「雨量」。取自香港天文台網站:https://www.weather.gov.hk/tc/climate_change/proj_hk_rainfall.htm,最後更新日期2019年11月28日。
27 「本地集水」。取自水務署網站:https://www.wsd.gov.hk/tc/core-businesses/water-resources/local-yield/index.html,最後更新日期2019年10月10日;「香港的氣候」。取自香港天文台網站:https://www.hko.gov.hk/tc/cis/climahk.htm,最後更新日期2020年2月6日。
28 「水力發電」。取自香港可再生能源網網站:https://re.emsd.gov.hk/tc_chi/other/hydroelectric/Turbine_types.html,最後更新日期:2019年3月8日。
29 「一滴水點亮100盞LED:中美團隊聯手,新型水滴發電機展示全新發電『魔術』」。取自微信公眾平台網站: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,最後更新日期2020年3月12日。
30 「【專訪】城大研發新型水滴發電機 一滴水可點亮100盞燈」。取自facebook網站:https://www.facebook.com/unwirehk/videos/499684974309763/,最後更新日期2020年3月5日。
31 根據香港城市大學於4月29日回覆智經的電郵查詢時所提供的資料;「新研發高效能水滴發電機: 一滴水可以發電140V,點亮100盞小LED燈」。取自香港城市大學網站:https://www.cityu.edu.hk/zh-hk/research/stories/2020/02/06/new-droplet-based-electricity-generator-drop-water-generates-140v-power-lighting-100-led-bulbs,最後更新日期2020年2月6日;張二七,「一滴水點亮百盞燈 中國科學家打造水滴發電機」。取自環球科學網站:https://huanqiukexue.com/a/qianyan/xinxi__nenyuan/2020/0302/29279.html,最後更新日期2020年3月2日。
32 「上網電價」。取自香港政府一站通網站:https://www.gov.hk/tc/residents/environment/renewable/feedintariff.htm,最後更新日期2019年12月。