「Plug flow」發電：雨水變電力的綠能新突破

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科技產業資訊室(iKnow) - 廖雅韻發表於 2025年5月6日

圖、「Plug flow」發電：雨水變電力的綠能新突破

新加坡國立大學研究團隊開發出一種利用「栓塞流」(Plug flow)發電技術，能有效將雨水滴流的動能轉換為電能，所產生電力可點亮12顆LED燈，此技術突破了傳統電荷分離效率的理論限制，其研究成果發表於《ACS Central Science》期刊，為永續能源發展帶來嶄新契機。

傳統理論的限制與技術突破
當水流過帶電表面時，會自然產生電荷分離現象，這一物理特性早被科學界視為具有潛力的能源來源，然而，傳統的「流動電流」(Streaming current)技術在實際應用上一直面臨巨大挑戰，主要原因在於電荷分離受到德拜長度(Debye length)的嚴格限制，該距離通常僅有數十奈米，使得在一般尺寸（微米以上）通道中產生的電流微不足道，過去，研究人員曾嘗試透過微奈米通道來擴大水體與表面之間的接觸面積，藉此提高電荷分離效率，但這類微通道需要額外的能量將水強行泵入，導致輸入能量遠大於輸出電能，無法達成真正的淨零排放與永續發電目標。

化學機制揭示高效率來源
「栓塞流」技術，則徹底顛覆了這一技術瓶頸，栓塞流的核心在於其觸發了與傳統流動電流完全不同的界面化學反應，當水柱在管道內以間斷形式流動時，電荷分離並非發生於整體流動過程中，而是僅集中於水柱後端邊緣與管壁接觸的「接觸線」處，此時，OH⁻ 離子因對管壁具吸附傾向而優先附著於表面，而 H⁺ 離子則因擁有較高的移動性而易於進入水體內部，從而實現正負離子的空間完全分離，這種機制不需形成電雙層，亦不受德拜長度限制，使得栓塞流能在毫米尺度的通道中實現高效率發電。研究顯示，當水以自然重力流入直徑約 2 毫米的垂直管道，並形成栓塞狀的斷續水柱時，即可產生高達 10% 的能量轉換效率，功率密度更達每平方公尺約 100 瓦，遠超傳統流動電流的理論極限，與連續水流相比，栓塞流所產生的電力高出約10⁵倍，並顯著優於目前其他仰賴雨水或落水動能的發電技術與裝置。

栓塞流技術的優勢不僅在於高效能與簡易設計，更具高度應用潛力與擴展性，此系統無需外部電源或複雜設備，安裝與維護成本低，便於大規模部署，特別適合應用於城市屋頂、雨水回收系統與偏遠地區的再生能源設施；相比於傳統的水力發電依賴大型水壩，對環境造成顯著影響，而栓塞流則提供一種低成本、低環境衝擊的解方，在氣候變遷與能源壓力日益加劇的當下，這項簡便、高效、環保的創新技術若能進一步整合智慧建築與水資源管理系統，將有望成為都市再生能源的重要補充來源。(943字；圖1)

參考資料：
A step toward harnessing clean energy from falling rainwater. Techxplore. 2025/04/16.
Ao et al.（2025）Plug Flow: Generating Renewable Electricity with Water from Nature by Breaking the Limit of Debye Length. ACS Central Science (2025). DOI: 10.1021/acscentsci.4c02110

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