出品：科普中國
(資料圖片僅供參考)
作者：城明辰（科普創(chuàng)作者）
“隨風潛入夜，潤物細無聲”。雨作為自然界水循環(huán)中不可缺少的一環(huán)，滋養(yǎng)了世間萬物。但有時，連綿不斷的雨天也會為我們帶來麻煩——傾盆而下的雨水導致水庫、河流、湖泊水位暴漲，甚至引發(fā)洪澇災害。水能載舟，亦能覆舟，雨水的兩面性不可避免地對我們的生活造成了巨大的影響。
不過，當夏日的暴雨以摧枯拉朽之勢傾盆而下時，有沒有想過，雨滴身上也潛藏著不小的能量呢？
實際上，早就已經(jīng)有人在嘗試雨力發(fā)電了，并且取得了一定成果，也許在不遠的將來，我們也可以使用雨力發(fā)電產(chǎn)生的電，讓我們一起去了解一下科研人員在雨力發(fā)電領域的不同嘗試吧。
印度的乞拉朋齊：被稱為“世界雨極”
（圖片來源：easternvoyages）
房頂上的微型水力發(fā)電站
雨水如何才能發(fā)電呢？本質(zhì)上，雨水和江河中的水沒有任何區(qū)別，所以，最淺顯直接的方法自然就是，先將這些“無根之水”大量地囤積在屋頂?shù)雀咛帲缓?strong>利用水力發(fā)電的原理將雨水的重力勢能轉(zhuǎn)化為電能。
道理簡單，但在實際操作中是否可行呢？
讓我們把視角切換到墨西哥，這里是世界上最缺水的國家之一，有超過一千萬人無法獲得自來水，即使在首都墨西哥城，仍然有近25萬人過著缺水的生活。因此，許多家庭在自家的屋檐處安裝了集水管道，將雨水收集起來以備使用，但當?shù)貒乐氐目諝馕廴緦е逻@些雨水混合著大量的雜質(zhì)和污染物。
為了同時解決雨水凈化和發(fā)電的問題，2014年，墨西哥理工大學的奧馬爾（Omar）、羅梅爾（Romel）和古斯塔沃（Gustavo）三名學生提出了一個有趣的想法，他們把雨力發(fā)電應用到了現(xiàn)實中，創(chuàng)造了一個名為“Pluvia”的雨力發(fā)電系統(tǒng)。
發(fā)明Pluvia雨力發(fā)電系統(tǒng)的三名學生
（圖片來源：newatlas）
他們設計了一段裝有微型渦輪機的管道，接在蓄水箱頂部的入口處。屋頂?shù)挠晁ㄟ^漏斗聚集起來后，會沿著裝有木炭過濾器的管道流下，之后推動微型渦輪，最后進入地下的儲水罐。渦輪機旋轉(zhuǎn)會帶動發(fā)電機，并為12伏的電池充電，部分電力用于驅(qū)動凈水器工作，處理后的水比城市供水還要清潔。
目前，這套系統(tǒng)已經(jīng)在墨西哥城的伊茲塔帕拉帕（Iztapalapa）社區(qū)完成了測試，隨后，學生們試圖增加發(fā)電和儲存能力，將來幫助更多的家庭緩解用水和供電的問題。
雨水發(fā)電系統(tǒng)的概念圖（這張圖片不是三名學生的作品）
（圖片來源：spectrum）
三名學生勇于創(chuàng)新，將紙面上的理論轉(zhuǎn)化為實際的產(chǎn)品并落地造福于本地居民，值得鼓勵。但由于這種能量轉(zhuǎn)化方式本身存在巨大的局限性，毫無疑問，這種雨水發(fā)電形式的效率過低，并且提升的空間也極為有限。
給雨滴加上“發(fā)電機”
傳統(tǒng)的發(fā)電形式離不開發(fā)電機，但每顆離散的雨滴只有微小的能量，并不能提供持續(xù)不斷的動力，因此想要將雨水的能量收集起來并提高雨力發(fā)電的效率，需要使用一類特殊的“發(fā)電機”。
其中，壓電材料就是一種遍布了無數(shù)個“微小發(fā)電機”的材料，它并非利用電磁感應來發(fā)電，而是運用自身的原子間特殊的排列方式，直接將力產(chǎn)生的變形轉(zhuǎn)化為電荷。
壓電材料的“身世”頗具戲劇性，1880年，法國物理學家皮埃爾·居里Pierre Curie（大名鼎鼎的居里夫人的丈夫）和他的哥哥雅克·居里Jacques Curie在實驗室發(fā)現(xiàn)了壓電材料，他們注意到石英晶體在受到重壓下，部分表面產(chǎn)生了少量電荷。
此后，壓電材料得到了廣泛的應用，打火機和煤氣灶的點火裝置里都藏著一塊壓電材料。在人流密集的車站或路口處鋪設的“發(fā)電地板”也都是通過壓電材料實現(xiàn)發(fā)電的。
倫敦一條“壓電地板”小路
（圖片來源：inhabitat）
2008年，法國原子能委員會（CEA）旗下的技術研發(fā)機構Leti（主要研發(fā)領域是微納米技術與應用）在雜志《智能材料與結構》（Smart Materials and Structures）上發(fā)表了一項研究，羅曼·吉貢（Romain Guigon）介紹了他們團隊使用壓電材料從雨滴中獲取能量的方法。
左：雨力發(fā)電的試驗臺 右：試驗臺底部的壓電材料
（圖片來源：Smart Materials and Structures）
雨滴落在地面時會發(fā)生非彈性沖擊碰撞，在此過程中，雨滴的破碎、飛濺、振動、粘彈性變形都會造成能量的損失，科研人員對“雨滴碰撞模型”進行改進，大致估計出了雨滴中可利用能量的大小。為了捕獲這部分沖擊產(chǎn)生的機械能，這些科學家們使用一種名叫PVDF（聚乙烯氟化物）聚合物的壓電材料，成功將雨滴的動能直接轉(zhuǎn)化為電能。
通過模擬不同下落速度的雨滴，他們還發(fā)現(xiàn)了一個有趣的規(guī)律：緩慢下降的雨滴往往會產(chǎn)生更多的電能，這可能是由于高速的雨滴更容易發(fā)生飛濺導致的。此外，他們通過觀察直徑從1到5毫米不等的雨滴，發(fā)現(xiàn)每顆雨滴的可用能量從1到10mJ不等，下“傾盆大雨”時的雨滴擁有高達12毫瓦的發(fā)電功率。
不過，即使如此，它仍無法滿足手機充電的要求——手機緩慢充電情況下需要的功率是5W，也就是說，至少相當于5000顆大雨滴同時下落。近些年，其他學者也采用類似的思路開展了更深入的研究，充分證實了使用壓電材料進行雨力發(fā)電的可行性，但發(fā)電效率仍舊無法得到突破（不超過0.12%）。
雨滴與地面發(fā)生碰撞的過程
（圖源：Energy，作者翻譯）
在某種意義上，雨力發(fā)電已經(jīng)實現(xiàn)了？
天氣變化莫測，大自然的風雨雷電蘊含著巨大的能量，目前由于技術條件的限制，我們只能利用一部分風的能量。但其實，在此過程中的“雨力”也并非被完全浪費，降水期間往往伴隨著大風，而風作為雨滴的載體，早已實現(xiàn)了一定程度上的雨力發(fā)電。
風力發(fā)電機的輸出功率和前方的空氣有密切的關系，而夾雜著雨水的空氣密度會略有增加，理論上，風力發(fā)電機在雨天會發(fā)出更多的電（盡管只有一丟丟）。此外，雨水還可以洗刷葉片表面附著的塵土和污漬，改善原本臟污葉片的氣動性能。所以，我們在日常生活的電中已經(jīng)間接包含了“雨電”，而并非“雨我無瓜”。
雨力發(fā)電的應用還有很長的路要走，在這條道路上亦少不了風雨，但我們相信，憑借一代代人的不懈努力，潤物細無聲的雨滴終將會給我們提供更多的電力。
雨中的風力發(fā)電機
（圖片來源：fineartamerica）
參考文獻：
[1]Ben Coxworth. Rainwater used to generate electricity
[2]Guigon, Romain, Chaillout, Jean-Jacques, Jager, Thomas, and Despesse Ghislain. Harvesting raindrop energy: theory and Harvesting raindrop energy: an experimental study. Smart Mater. Struct. 17 (2008) 015038-9.
[3]Ilyas, M. A., & Swingler, J. (2015). Piezoelectric energy harvesting from raindrop impacts. Energy, 90, 796–806. doi:10.1016/j.energy.2015.07.114
[4]Xu, W., Zheng, H., Liu, Y. et al. A droplet-based electricity generator with high instantaneous power density. Nature 578, 392–396 (2020).
[5]F.-R. Fan, et al., Flexible triboelectric generator, Nano Energy (2012), doi:10.1016/j.nanoen.2012.01.004
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