我們能利用雨水來發電嗎？

迄今為止，人類已經能夠通過水能、風能、化學能、太陽能和核能進行發電。但在自然界中，還有其他能源值得利用，例如，降雨的能量。科學家目前正在研究利用降雨作為能源的可行性，並且已經取得了一些進展。

雨滴有多少能量？

雲中的水因其高度而具有重力勢能。根據中學物理，一個物體的重力勢能（Ep=mgh）等於它的質量乘以重力加速度（約為9.81米/平方秒）以及它的高度（相對於地球表面）。如果雨滴落到地面上，其重力勢能將會轉換為動能。下面以一個簡單的例子稍作說明。

假設某個地區的年平均降雨量為100厘米，房子屋頂的面積為100平方米，這意味著屋頂每年會收集到大約10立方米或者10噸的水。考慮到雨滴來自海拔約2000米的層雲，這意味著大約有2億焦耳或56千瓦時的重力勢能損失。這個數字似乎很小，但考慮到面積約為1平方公里，雨滴的能量可以為大約500戶家庭供電一年。

這種能量的最終來源是什麼？

正如地球上大多數其他能源一樣，降雨的能量最終也是來自於太陽。在地球表面，每平方米的面積在每秒所接收到的太陽能約為1400焦耳。也就是說，地球表面所接收到的太陽能功率為1400瓦/平方米。從這個角度來看，如果把照射到青海省的所有太陽能都能轉化為電能，這將相當於全球所有發電站所產生電能的300倍。

在地球上，照射到地表的大部分太陽輻射被用來蒸發海洋、河流和湖泊中的水。由於大氣的不同部分吸收了不同數量的太陽熱量，大氣中將會產生溫差，這就像一個泵，把蒸發的水拉上來，雨水在這個過程中獲得了重力勢能。

儲存雨水的能量

我國水力發電站的年發電量位居世界第一，約佔我國總發電量的17%。水力發電是目前最清潔的能源形式之一，其原理相當簡單。水從高處流下來，推動渦輪運動。渦輪又會帶動發電機運動，發電機就會把機械能轉化為電能。

研究表明，通過使用類似於水力發電站的方法就能用雨水來發電。一個高過地面的大型蓄水池可以收集雨水，然後利用這些雨水來驅動渦輪，進而帶動發電機發電。這種方法在雨季非常有效，因為有相對連續的雨水供應。

利用雨滴的動能來發電

對於一顆直徑約為5毫米的雨滴，它最終到達地面時的速度約為10米/秒。最近的研究表明，通過某些具有壓電性質的材料，如PVDF（聚偏二氟乙烯），可以用雨滴的動能來發電。

壓電材料

在施加機械應力時，壓電材料會產生電壓。表現出壓電效應的材料也會表現出相反的效應——逆壓電效應。這意味著一旦給壓電材料施加電荷，它們就會變形。

壓電材料是具有不對稱結構的晶體材料，它們本身是電中性的，因為它們所帶的正電荷等於負電荷。然而，當這些材料受到擠壓時，它們的結構會發生變形，使一些原子更靠近，而另一些原子則被拉開。這會破壞正電荷和負電荷的平衡，從而產生電勢。石英是最常見的壓電材料之一，它們通常被用於鐘錶等電子設備的計時裝置。

壓電體如何把雨水的動能轉化為電能？

簡單來說，水滴落在壓電材料上引起的振動會產生壓力，這會導致壓電材料產生電勢差，從而把雨滴的動能轉化為電能。

壓電材料特別適用於收集和儲存電荷，比如由電子儀器產生的電荷，或者水滴產生的電荷。既然從降雨中獲取能量很容易，為什麼現在還沒有得到大範圍推廣呢？

「雨能」的問題

第一個問題是效率。據估計，壓電裝置只能從雨滴中提取大約12毫瓦的電能，基本上只夠供電一個感測器。此外，壓電裝置非常昂貴，需要定期維護。

另一方面，建造一個高過地面很多的大型蓄水池也是不現實的，需要投入巨大的成本。這與太陽能發電相比，成本要高出許多。

不過，最近研發出的新材料，如石墨烯，能夠通過分解雨水中的鹽分來產生電能，這表明利用雨水發電的方法不止一種。隨著技術的不斷革新，「雨能」或許也能像其他能量一樣得到廣泛使用。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！