新型水力發電方案：採用彈性體膜，更加清潔環保！

導讀

最近，德國弗勞恩霍夫研究所的研究人員開發出一種環保的新型發電方案。他們採用創新型的彈性體材料，將小河流水產生的機械能直接轉化為電能。

關鍵字

發電、材料、可再生能源

背景

在德國巴伐利亞州，水資源是最重要的可再生能源。正如巴伐利亞州的能源圖所示，水資源占該地區所有的可再生能源的33%。但是傳統的水電站，特別是微型水力發電機，由於產量低以及對於生態環境的干擾，一直是一個頗具爭議的話題。

因此，我們先要介紹「DEGREEN」項目，該項目是「用於可再生能源的介電彈性體發電機」的簡稱。DEGREEN 項目是巴伐利亞州政府能源領域的技術研發理念的一部分。德國弗勞恩霍夫協會硅酸鹽研究所（ISC）負責協調該項目，該項目由2012年5月發起。總部位於維爾茨堡的研究人員們正在探索如何使用由彈性體膜製成的發電系統，在例如小型而且流動的水體中，以一種經濟和環境友好的方式，進一步發掘未開發的潛能。

在能源政策的指導下，巴伐利亞州政府定義了向綠色能源經濟轉化的新目標：到2025年，巴伐利亞州所需電力的40%將由本地的可再生能源供應。

創新

在DEGREEN 項目中，德國弗勞恩霍夫協會硅酸鹽研究所（ISC）一直追求一種水力發電的創新方式。為此，位於維爾茨堡的研究人員正在使用高度柔性和超薄的彈性體膜作為電容。硅膠膜塗在導電彈性層的兩側，並且還包裝了一層絕緣保護層。這些膜被安裝在小河和小溪中，在那裡彈性體的持續形變和鬆弛將來自水流的機械動能直接轉化為電能。

（圖片來源： Fraunhofer ISC）

技術

水流會引起柔性膜的形變，這種特性類似於氣球。一旦發生形變，膜會攜帶由伸展過程產生的高電荷。然後，彈性體膜也會機械地放鬆至原來的狀態。弗勞恩霍夫協會硅酸鹽研究所（ISC）的科學家、項目經理 Bernhard Brunner 解釋道：

「此時，大量的電能已經產生，並為集成電路上一個臨時的存儲設備充電。它正是來源於我們虹吸的能量。這種形變和鬆弛循環每秒鐘重複一次。如果我們施加4000伏的電壓，通過每片膜的每次形變，我們能夠生成100毫瓦的電力。」

但是，這些膜循環的形變又是如何實現的呢？Brunner 和他的團隊實現了一種智能機械激勵的概念。水流過一個收縮的管道引起負的空氣壓力，這也被稱為「文丘里效應」，它會引起彈性體膜形變（參考文丘里管道的橫截面）。然後，空氣閥被打開以平衡空氣中的負壓，彈性體膜就會返回非形變狀態。這個設計的獨創性之處在於，通氣孔是自控的：它自己打開或者關閉，無需電子器件或者電源。

（圖片來源： Fraunhofer ISC）

研究人員通過改變膜的直徑調整壓力。因此，發電機可以與流量相適應。整個系統由膜、管道、通風孔、泵、風道、電子器件和整流器構成，具有一種模塊化的結構。這種管道可以根據水的深度和寬度，靈活的調整直徑。這些管道也可以位於彼此的上面、後面、或者旁邊。如果河流寬而淺，則建議將管子相互鄰近放置。Brunner 表示：

「我們概念的主要優點就是靈活性：它可以用於任何深度的水域。我們利用水的流體能量。我們的彈性體發電機對於小型河流來說很理想，可以在低至0.5米每秒的流速和0.5米的深度下運行。在巴伐利亞州，有些特別的小河，它們一起覆蓋了約3萬公里的長度。我們的系統不受風和陽光的影響，是一個完美的方案。如果我們安裝1000個發電機，我們就可以讓巴伐利亞州在向著更加綠色的能源轉變的過程中，又更進了一步。」

總體來說，這樣的系統可以每年為電網供應876兆瓦時的電能。奧地利、瑞士（具有豐富的山間溪流）以及發展中國家也將從這項創新性的機械激發概念中受益。

價值

這種彈性體發電機可以在淺而小的水域運行，且無需淤地壩。例如，它們適合作為去中心化的電力供應，用於露營營地或者遠程定居點附近的鄰近水域。

在實驗室中，Brunner 和他的團隊目前正在開發兩種發電機：一種是浮動的，一種固定在河岸上。他們目前正在致力於研究小型化發電機的尺寸。到該項目結束時，他們期望開發出一種天氣和防洪系統，尺寸如同開關控制盒一般。伴隨著實驗室測試的進行，弗勞恩霍夫研究所的科學家們還致力於與地方政府、水務局、環保部門一起合作，在可以提供現實實驗環境的Wern河和Tauber河進行該原型的現場測試。他們的目標是在持續的基礎上，讓每個發電機生產出100瓦的電力。

參考資料

【1】https://www.fraunhofer.de/en/press/research-news/2017/October/using-elastomer-films-to-generate-electricity.html

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