雨滴發電——可再生能源利用新途徑?
            發布者:lzx | 來源:岳悅于世 | 0評論 | 1820查看 | 2020-09-04 09:21:19    

            人類利用水能也有幾千年的歷史了,從最早的用水車來研磨谷物、紡織、提取羊毛,再到今天我們建造巨大的堤壩來抗洪發電。本質上利用的都是水從高處流向低處的勢能來轉化為我們需要的能量,但還有一種形式的水也和勢能有關——雨滴。我們能否利用雨滴發電呢?


            目前,全世界的研究人員正在研究使用降雨作為能源的可行性,并且在這一日益重要的領域已經取得了很大進展。


            雨滴有多大能量?


            我們都知道,雨滴是儲存在云中的水聚成水珠滴落下來的。那是誰讓水進入空中匯集成云的呢?地熱和太陽向地球發出的熱輻射,太陽輻射是讓大氣環境溫暖的主要能量,這其中有很大一部分用于蒸發海洋和河流中的水(因為海洋面積比陸地大)。變成水蒸氣之后,再由太陽輻射影響大氣層產生各個部分的溫差使水蒸氣上升,然后每個云層各取所需吸收水蒸氣凝結成微小的水珠。簡單說就是太陽輻射讓水珠克服物質狀態和地心引力進入大氣。我們在陸地上會架起太陽能板收集太陽能,如果陸地上的我們能利用雨滴發電那就是間接地在利用太陽能發電。


            至于雨滴的勢能有多大,反正一滴雨滴在臉上我們也沒有痛苦的極端反應,只是有一種輕微的拍打感。別忘了那是一群雨滴,我們來看一下:假設一個城市每年接收100厘米的降雨量(當然我國年均降水量60厘米作用,主要是為了好算),至于小區中一棟樓的屋頂面積就當作200平方米吧,也就是說每年這個小區要接收20kg的降水。至于云層取平均值2000米高,算下來大概是400 MJ的勢能(全部發電的話相當于111度電吧)。雖然這能量不算多,但這也是一種清潔可再生能源。


            我們對太陽能的利用如何?


            太陽是為各種生命和資源提供燃料的能量泵。我們對太陽能的利用率有多高,海洋的先不說,在地球表面,太陽的能量密度約為1000瓦每立方米。美國科學家做過計算:如果有德克薩斯州這么大面積的太陽能板完全接收太陽能轉化為電能的話,那么就沒有其他發電廠什么事了,因為其產生的功率就相當于世界上所有發電廠產生的總功率的300倍。這說明什么?我們地球上的太陽能板加起來可能還沒有德克薩斯州面積大,還有就是目前的太陽能板對太陽能轉化率普遍在10%到15%之間徘徊,好不容易有幾個能達到45%的,貴!


            主角登場——雨滴發電


            其實雨滴發電也不是什么新鮮玩意,以前就有只不過是被用作微型發電的一種形式,常用于房屋和小型水凈化系統,原理就是通過在收集雨水并將其匯入漏斗來驅動小型渦輪機。很多水壩就會用渦輪機來進行水力發電,而且在雨季效果顯著。當然還有另一種形式——利用壓電材料,至于壓電材料的工作原理我就不詳細說明了(對我來說超綱了),簡單說就是該材料基于雨滴撞擊表面時釋放的能量引起材料變形從而產生內部電勢差來達到發電的效果。雨滴下落到地面速度約為10米每秒,而壓電材料就能很好地挖掘雨滴的動能。


            至于以上兩種方法的弊端還是轉化率的問題,先說第一種:收集雨滴讓其充分發揮勢能有一個問題,收集雨水的漏斗壁擋住了大量的雨滴(這樣雨滴幾千米的勢能就變成了幾十米或幾百米的勢能),這樣這個裝置就變成了一種現代版的水車,只不過水源不用從高處引流,下雨就有,轉化率不會高。因為雨滴的勢能不高(相比于海浪能把我們拍回沙灘,雨滴顯得很溫柔),第二種壓電設備只能從雨滴中提取約12毫瓦的功率,這種程度的電只能供設備自產自消,發電就不要想了,而且這種材料還很貴。總之,用這兩種方式間接收集太陽能發電,還不如直接架個太陽能板子或者在河下游架個水力發電機來的多。


            那我們真的沒法用雨滴發電嗎?并非沒有希望,前兩種只是以前的方案。說些最近的好消息吧:近兩年,香港和美國的研究人員就找到了雨滴發電的新途徑——靜電納米發電機。至于原理我就更看不懂了,說結果吧,研究人員王忠林教授說:“我們的研究表明,從15厘米的高度釋放一滴100微升(1微升=一升的百萬分之一)的水可以產生超過140V的電壓。而且產生的能量最多可以點亮100個小型LED燈泡。”聽起來很像壓電材料,只不過這種設備是摩擦生電。不過局限性也很現實——不下雨就沒電。


            雨滴的勢能雖然值得開發,但雨滴發電的裝置也不便宜,所以要靠雨滴發電養活人類,還需要科學家們的不斷突破,期待有一天會出現會雨滴發電的雨傘。


            我們為雨滴發電量身定做的裝置還不太成熟,但我們也不會在一棵樹上吊死,壓電裝置和靜電納米發電機都是在海水中能良好運行的,這意味著我們能利用海浪的勢能,也就是潮汐能。考慮到地球表面約70%的水,潮汐能和海浪發電可能是人類可用的最豐富的可再生能源。

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