天氣預(yù)報(bào)：馬上下雨，科學(xué)家：懂了，來(lái)電顯示！

出品：科普中國(guó)

作者：城明辰（科普創(chuàng)作者）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

“隨風(fēng)潛入夜，潤(rùn)物細(xì)無(wú)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(wàn)物。但有時(shí)，連綿不斷的雨天也會(huì)為我們帶來(lái)麻煩——傾盆而下的雨水導(dǎo)致水庫(kù)、河流、湖泊水位暴漲，甚至引發(fā)洪澇災(zāi)害。水能載舟，亦能覆舟，雨水的兩面性不可避免地對(duì)我們的生活造成了巨大的影響。

不過，當(dāng)夏日的暴雨以摧枯拉朽之勢(shì)傾盆而下時(shí)，有沒有想過，雨滴身上也潛藏著不小的能量呢？

實(shí)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(yuǎn)的將來(lái)，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(lǐng)域的不同嘗試吧。

印度的乞拉朋齊：被稱為“世界雨極”

（圖片來(lái)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(wú)根之水”大量地囤積在屋頂?shù)雀咛?，然?strong>利用水力發(fā)電的原理將雨水的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能。

道理簡(jiǎn)單，但在實(shí)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(guó)家之一，有超過一千萬(wàn)人無(wú)法獲得自來(lái)水，即使在首都墨西哥城，仍然有近25萬(wàn)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(lái)以備使用，但當(dāng)?shù)貒?yán)重的空氣污染導(dǎo)致這些雨水混合著大量的雜質(zhì)和污染物。

為了同時(shí)解決雨水凈化和發(fā)電的問題，2014年，墨西哥理工大學(xué)的奧馬爾（Omar）、羅梅爾（Romel）和古斯塔沃（Gustavo）三名學(xué)生提出了一個(gè)有趣的想法，他們把雨力發(fā)電應(yīng)用到了現(xiàn)實(shí)中，創(chuàng)造了一個(gè)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(xué)生

（圖片來(lái)源：newatlas）

他們?cè)O(shè)計(jì)了一段裝有微型渦輪機(jī)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(lái)后，會(huì)沿著裝有木炭過濾器的管道流下，之后推動(dòng)微型渦輪，最后進(jìn)入地下的儲(chǔ)水罐。渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)會(huì)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，并為12伏的電池充電，部分電力用于驅(qū)動(dòng)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(cè)試，隨后，學(xué)生們?cè)噲D增加發(fā)電和儲(chǔ)存能力，將來(lái)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(xué)生的作品）

（圖片來(lái)源：spectrum）

三名學(xué)生勇于創(chuàng)新，將紙面上的理論轉(zhuǎn)化為實(shí)際的產(chǎn)品并落地造福于本地居民，值得鼓勵(lì)。但由于這種能量轉(zhuǎn)化方式本身存在巨大的局限性，毫無(wú)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(jī)”

傳統(tǒng)的發(fā)電形式離不開發(fā)電機(jī)，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(dòng)力，因此想要將雨水的能量收集起來(lái)并提高雨力發(fā)電的效率，需要使用一類特殊的“發(fā)電機(jī)”。

其中，壓電材料就是一種遍布了無(wú)數(shù)個(gè)“微小發(fā)電機(jī)”的材料，它并非利用電磁感應(yīng)來(lái)發(fā)電，而是運(yùn)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(guó)物理學(xué)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(shí)驗(yàn)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(yīng)用，打火機(jī)和煤氣灶的點(diǎn)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(shè)的“發(fā)電地板”也都是通過壓電材料實(shí)現(xiàn)發(fā)電的。

倫敦一條“壓電地板”小路

（圖片來(lái)源：inhabitat）

2008年，法國(guó)原子能委員會(huì)（CEA）旗下的技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)Leti（主要研發(fā)領(lǐng)域是微納米技術(shù)與應(yīng)用）在雜志《智能材料與結(jié)構(gòu)》（Smart Materials and Structures）上發(fā)表了一項(xiàng)研究，羅曼·吉貢（Romain Guigon）介紹了他們團(tuán)隊(duì)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(yàn)臺(tái) 右：試驗(yàn)臺(tái)底部的壓電材料

（圖片來(lái)源：Smart Materials and Structures）

雨滴落在地面時(shí)會(huì)發(fā)生非彈性沖擊碰撞，在此過程中，雨滴的破碎、飛濺、振動(dòng)、粘彈性變形都會(huì)造成能量的損失，科研人員對(duì)“雨滴碰撞模型”進(jìn)行改進(jìn)，大致估計(jì)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(jī)械能，這些科學(xué)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(dòng)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(gè)有趣的規(guī)律：緩慢下降的雨滴往往會(huì)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(dǎo)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(shí)的雨滴擁有高達(dá)12毫瓦的發(fā)電功率。

不過，即使如此，它仍無(wú)法滿足手機(jī)充電的要求——手機(jī)緩慢充電情況下需要的功率是5W，也就是說，至少相當(dāng)于5000顆大雨滴同時(shí)下落。近些年，其他學(xué)者也采用類似的思路開展了更深入的研究，充分證實(shí)了使用壓電材料進(jìn)行雨力發(fā)電的可行性，但發(fā)電效率仍舊無(wú)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(shí)現(xiàn)了？

天氣變化莫測(cè)，大自然的風(fēng)雨雷電蘊(yùn)含著巨大的能量，目前由于技術(shù)條件的限制，我們只能利用一部分風(fēng)的能量。但其實(shí)，在此過程中的“雨力”也并非被完全浪費(fèi)，降水期間往往伴隨著大風(fēng)，而風(fēng)作為雨滴的載體，早已實(shí)現(xiàn)了一定程度上的雨力發(fā)電。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率和前方的空氣有密切的關(guān)系，而夾雜著雨水的空氣密度會(huì)略有增加，理論上，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在雨天會(huì)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(dòng)性能。所以，我們?cè)谌粘Ｉ畹碾娭幸呀?jīng)間接包含了“雨電”，而并非“雨我無(wú)瓜”。

雨力發(fā)電的應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走，在這條道路上亦少不了風(fēng)雨，但我們相信，憑借一代代人的不懈努力，潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲的雨滴終將會(huì)給我們提供更多的電力。

雨中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)

（圖片來(lái)源：fineartamerica）

參考文獻(xiàn)：

[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

編輯：孫晨宇