 樹葉發電 |
科學家們尚未找到可以人工進行光合作用的方法，但美國電力工程師們已經發現一種讓人造樹葉發電的方法——讓樹葉“流汗”。
天然的樹木會利用蒸騰作用將水分從根部輸送到頂端的枝葉，而葉片中蘊含的水分在這個過程中不斷蒸發流失。新的人造樹葉效仿了這一機制，也通過蒸發作用不斷喪失水分，從而形成機械水泵效應進行發電。
美國加州大學伯克利分校的邁克爾·馬哈比茲（Michel Maharbiz） 同密歇根大學的魯巴·波諾（Ruba Borno）以及麻省理工學院的喬·施坦梅爾（Joe Steinmeyer）在《應用物理學快報》上共同發表論文稱，他們用玻璃晶片制造出的“葉片”也有類似于樹葉脈絡的枝狀網絡。
這些細小管網中注滿了水，延伸向“葉片”邊緣的分支管道較為狹小，并且兩端均不封閉，以便讓水蒸發，這樣水流就會以1.5厘米/秒的速度從“葉片”的主脈注入支脈。
研究人員給主脈的外管壁鍍上金屬層，并將之與一個電路連接。通電的金屬板與主脈中的水形成了一個類似“三明治”的結構——兩個導電層被一個絕緣層隔開——從效果上來說，這就相當于一個電容器。
利用氣泡周期性地中斷葉片的水流，這個人造葉片就變身成為一個電源。由于空氣和水的導電性能不同，每次氣泡通過時，該裝置的電容就會發生變化，從而產生一小股電流。電流可經一個外部電路輸出到儲能電容器。
“我們利用液體流動中（產生）的這種機械能來改變電容，增加電容器的能量。” 馬哈比茲說。
每個氣泡可以增加大約2到5微伏的輸出電壓，該發電裝置每立方厘米的功率密度約為2毫瓦。“我想，（經過改進），我們能夠很容易達到每立方厘米數百毫瓦。”他說。
這不過是燃料電池或者電池等能量系統的功率密度的一小部分，但對于一個能量采集系統來說，這是一個相當大的數字，馬哈比茲說。
這個葉片發電裝置可擴大規模，用來生產人造樹木，只要所處環境存在濕度的循環變化，就能完全依靠蒸騰作用發電。盡管其輸出電量還不足以同太陽能技術競爭，馬哈比茲認為，它可以作為一項補充技術——陽光產生的太陽能也能夠加劇蒸騰作用，從而增大發電量。
康奈爾大學的亞伯拉罕·斯特魯克（Abraham Stroock）認為，這是首次嘗試利用蒸騰作用驅動液體流動來發電。不過他指出，一家名為Voltree的美國企業曾經借助土壤和真正的樹木根部之間的pH值差異，成功地生成了少量電能。
“這項新研究中的一個挑戰就是，要利用氣泡在電容器中產生電流。” 斯特魯克說。氣泡通過的距離過長，就會阻止蒸騰作用發生，因為它們破壞了張力。
馬哈比茲說，他可以用固態絕緣體取代氣泡來避免這個問題，當水流經過時，這些絕緣體會旋轉起來，如同一架水車，從而產生電容差值，以滿足發電需要。
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