雨滴发电——可再生能源利用新途径?
发布者:lzx | 来源:岳悦于世 | 0评论 | 978查看 | 2020-09-04 09:21:19    

人类利用水能也有几千年的历史了,从最早的用水车来研磨谷物、纺织、提取羊毛,再到今天我们建造巨大的堤坝来抗洪发电。本质上利用的都是水从高处流向低处的势能来转化为我们需要的能量,但还有一种形式的水也和势能有关——雨滴。我们能否利用雨滴发电呢?


目前,全世界的研究人员正在研究使用降雨作为能源的可行性,并且在这一日益重要的领域已经取得了很大进展。


雨滴有多大能量?


我们都知道,雨滴是储存在云中的水聚成水珠滴落下来的。那是谁让水进入空中汇集成云的呢?地热和太阳向地球发出的热辐射,太阳辐射是让大气环境温暖的主要能量,这其中有很大一部分用于蒸发海洋和河流中的水(因为海洋面积比陆地大)。变成水蒸气之后,再由太阳辐射影响大气层产生各个部分的温差使水蒸气上升,然后每个云层各取所需吸收水蒸气凝结成微小的水珠。简单说就是太阳辐射让水珠克服物质状态和地心引力进入大气。我们在陆地上会架起太阳能板收集太阳能,如果陆地上的我们能利用雨滴发电那就是间接地在利用太阳能发电。


至于雨滴的势能有多大,反正一滴雨滴在脸上我们也没有痛苦的极端反应,只是有一种轻微的拍打感。别忘了那是一群雨滴,我们来看一下:假设一个城市每年接收100厘米的降雨量(当然我国年均降水量60厘米作用,主要是为了好算),至于小区中一栋楼的屋顶面积就当作200平方米吧,也就是说每年这个小区要接收20kg的降水。至于云层取平均值2000米高,算下来大概是400 MJ的势能(全部发电的话相当于111度电吧)。虽然这能量不算多,但这也是一种清洁可再生能源。


我们对太阳能的利用如何?


太阳是为各种生命和资源提供燃料的能量泵。我们对太阳能的利用率有多高,海洋的先不说,在地球表面,太阳的能量密度约为1000瓦每立方米。美国科学家做过计算:如果有德克萨斯州这么大面积的太阳能板完全接收太阳能转化为电能的话,那么就没有其他发电厂什么事了,因为其产生的功率就相当于世界上所有发电厂产生的总功率的300倍。这说明什么?我们地球上的太阳能板加起来可能还没有德克萨斯州面积大,还有就是目前的太阳能板对太阳能转化率普遍在10%到15%之间徘徊,好不容易有几个能达到45%的,贵!


主角登场——雨滴发电


其实雨滴发电也不是什么新鲜玩意,以前就有只不过是被用作微型发电的一种形式,常用于房屋和小型水净化系统,原理就是通过在收集雨水并将其汇入漏斗来驱动小型涡轮机。很多水坝就会用涡轮机来进行水力发电,而且在雨季效果显著。当然还有另一种形式——利用压电材料,至于压电材料的工作原理我就不详细说明了(对我来说超纲了),简单说就是该材料基于雨滴撞击表面时释放的能量引起材料变形从而产生内部电势差来达到发电的效果。雨滴下落到地面速度约为10米每秒,而压电材料就能很好地挖掘雨滴的动能。


至于以上两种方法的弊端还是转化率的问题,先说第一种:收集雨滴让其充分发挥势能有一个问题,收集雨水的漏斗壁挡住了大量的雨滴(这样雨滴几千米的势能就变成了几十米或几百米的势能),这样这个装置就变成了一种现代版的水车,只不过水源不用从高处引流,下雨就有,转化率不会高。因为雨滴的势能不高(相比于海浪能把我们拍回沙滩,雨滴显得很温柔),第二种压电设备只能从雨滴中提取约12毫瓦的功率,这种程度的电只能供设备自产自消,发电就不要想了,而且这种材料还很贵。总之,用这两种方式间接收集太阳能发电,还不如直接架个太阳能板子或者在河下游架个水力发电机来的多。


那我们真的没法用雨滴发电吗?并非没有希望,前两种只是以前的方案。说些最近的好消息吧:近两年,香港和美国的研究人员就找到了雨滴发电的新途径——静电纳米发电机。至于原理我就更看不懂了,说结果吧,研究人员王忠林教授说:“我们的研究表明,从15厘米的高度释放一滴100微升(1微升=一升的百万分之一)的水可以产生超过140V的电压。而且产生的能量最多可以点亮100个小型LED灯泡。”听起来很像压电材料,只不过这种设备是摩擦生电。不过局限性也很现实——不下雨就没电。


雨滴的势能虽然值得开发,但雨滴发电的装置也不便宜,所以要靠雨滴发电养活人类,还需要科学家们的不断突破,期待有一天会出现会雨滴发电的雨伞。


我们为雨滴发电量身定做的装置还不太成熟,但我们也不会在一棵树上吊死,压电装置和静电纳米发电机都是在海水中能良好运行的,这意味着我们能利用海浪的势能,也就是潮汐能。考虑到地球表面约70%的水,潮汐能和海浪发电可能是人类可用的最丰富的可再生能源。

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