風、水、太陽等都是用之不竭的再生能源，佔地球約7成面積的海洋更是能源專家一直欲開發的巨大寶庫。不過，這種依靠海浪發電的「藍色能源」，不但設置和維護成本昂貴，亦要符合特定天氣和地理條件，難以做到高成本效益。香港中文大學（中大）工程學院研究團隊最近就結合簡單機械原理及物料，研發出一款水管式摩擦納米發電機（WT-TENG），能將海浪能量高效轉換成電能，而秘訣是一支手指般大小的膠管。
模仿海浪形態 顛覆傳統海浪能源收集方法
一條只有6厘米如手指般大小的膠管，連接電線後如何輸出電力？領導研究的中大機械與自動化工程學系助理教授訾雲龍教授，一直醉心研究能量收集技術，特別是近年嶄露頭角的摩擦納米發電機（Triboelectric Nanogenerator，TENG）技術，即開發這個水管式發電機的理論基礎。訾教授說：「摩擦納米發電是一種新技術，現時已應用在不少生活用品，例如可以過濾空氣中微小懸浮粒子的口罩、空氣清新機等，同時其在可再生能源範疇的應用更具前景。」
傳統的摩擦納米發電裝置是透過物料之間互相摩擦產生靜電來輸出電荷，大多是固體與固體之間的接觸，可利用的空間不多，亦難以確保物體之間是否緊密接觸，因此產生的電荷密度往往較低。至於物料摩擦過程中亦會令能量流失，不但難以達到電量輸出最大化，更會令部件磨損，維修成本增加。
除了技術性問題，波浪起伏不定、形態無規律等，亦會令頻率受限制，過往是不少海浪能發電項目胎死腹中的原因之一。因此，團隊在挑選及測試物料上特別花心力。團隊成員之一的博士後研究生吳昊博士說：「以前從來沒有人用那麼細小的水管將海洋能收集起來。關於物料選擇，我們也做過很多嘗試。我們曾用微細如塵的粉末做測試，但其結構鬆散，始終不及水的特性，柔軟又高效能。」
水的流動性與海浪形態最貼近，彈性又柔軟，只要充分利用空間分布，便可增加水與物件的接觸面積。團隊以此為靈感，研發出一款水管式摩擦納米發電機（WT-TENG）。原理是將水封裝入一個直徑1至2厘米，長度約6厘米的膠水管。當波浪衝擊WT-TENG時，水緊貼膠管的電極區域，會因波浪使管內的水和膠管的接觸面來回摩擦而產生電荷。不過，若然海上沒有浪，是否就不夠能量推動發電裝置？當被問及WT-TENG 的最低運動頻率時，吳博士笑著補充：「我們的WT-TENG有一種模式是旋轉模式，在旋轉的運動模式下，這個裝置在低頻率的機械運動下都能發電！」簡而言之，即使海浪運動頻率低至0.1赫茲（Hz），在旋转模式下，單是一個WT-TENG單元便能輸出100至150伏特的電壓，體積電荷密度達9 mC /m3，是現有低頻能量收集TENG之中最高。
低成本及簡單結構取勝 啟發藍色能源發展
WT-TENG裝置可按所需發電量，類似積木般拼合出不同單元的組合，單元愈多輸出的電量愈多，甚至可以倍增。為了測試WT-TENG裝置在真實環境下的運作成效，研究團隊將裝置帶到香港維多利亞港海旁，並將34個單元的WT-TENG放進密實盒，讓其隨海浪在海面上漂浮並收集能量，結果收集到的發電量足以推動150個LED燈泡。
這個裝置生產成本低，無疑是推動「藍色能源」發展的新力量，亦有助吸引更多人加入開採新能源的行列。訾教授坦言，要進一步將WT-TENG發展成規模足以為一個地方供電，當中的考量很多，但仍然希望一步一步向這個方法前進。「海洋蘊藏的能量非常大，但卻未被好好利用。所以這些年來，我們在摩擦發電技術領域不斷鑽研，想看看我們的技術能否取代原有技術，為海洋能採集提供更好的選擇。這個技術仍在初步實驗階段，下一步會提升裝置的輸出電量和穩定性，看可否為小型家電供電，接著是改良水管的封裝，提高其抵抗海水腐蝕的能力等，慢慢擴大規模。」
這個研究已在 《先進能源材料》（Advanced Energy Materials）發表，並獲多個研究基金資助推展研究，對推動海洋能收集和傳感式網路技術的發展具重要意義。
