能不能把雨滴的重力勢能轉化為供人類所用的能量？
- 教育綜合
- 2022-06-10 12:59:03
我們能不能利用雨水來發(fā)電呢？為什么？
人類文明的發(fā)展是地球能源資源的演變。在古代，人們使用干燥的木材和干草來生火。后來，他們學會了使用普通化學品作為能源。直到工業(yè)革命時期，他們才開始使用化石燃料。化石能源的使用在很大程度上促進了人類文明的發(fā)展，但也給地球環(huán)境帶來了巨大壓力。此外，地球上的化石能源不僅是不可再生的，而且是非常有限的。人類要想實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須逐步改變能源結構。
許多國家已經(jīng)開發(fā)利用核能、太陽能、風能、潮汐能等新能源來發(fā)電。雖然這些基于這些能源的發(fā)電形式還不占優(yōu)勢，但它們對地球的環(huán)境更為友好。除了上面提到的能源，還有一種自然界可以利用的能源，它在地球的每個地區(qū)都無處不在，這就是降雨的能量。雨滴是由高空中的云層變化引起的，它們從形成到落地有一段距離，人類可以利用。它們利用水的勢能來發(fā)電，就像現(xiàn)有的水利工程一樣。
根據(jù)相關的物理知識，我們知道一個物體的重力勢能是其質量、高度和重力加速度的乘積。在這三個因素中，只有質量和高度可以改變。雨滴的高度和質量越大，其落下的重力勢能就越大。如果我們能開發(fā)出這種裝置，我們就能將雨滴的勢能轉化為動能。雨水之所以能夠發(fā)電，完全是由于它落下后接觸到一層納米級的薄膜，該薄膜由兩層不同的材料共組成，由于帶電的雨水，所以第一層薄膜負責吸收正電，第二層薄膜負責釋放負電，這樣電壓、電流就隨之產生。
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怎樣利用降雨來發(fā)電？用降雨發(fā)電的原理是什么？
迄今為止，人類已經(jīng)能夠通過水能、風能、化學能、太陽能和核能進行發(fā)電。但在自然界中，還有其他能源值得利用，例如，降雨的能量?？茖W家目前正在研究利用降雨作為能源的可行性，并且已經(jīng)取得了一些進展。
雨滴有多少能量？
云中的水因其高度而具有重力勢能。根據(jù)中學物理，一個物體的重力勢能（Ep=mgh）等于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（相對于地球表面）。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(qū)的年平均降雨量為100厘米，房子屋頂?shù)拿娣e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?？紤]到雨滴來自海拔約2000米的層云，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(shù)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么？
正如地球上大多數(shù)其他能源一樣，降雨的能量最終也是來自于太陽。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，這將相當于全球所有發(fā)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(fā)海洋、河流和湖泊中的水。由于大氣的不同部分吸收了不同數(shù)量的太陽熱量，大氣中將會產生溫差，這就像一個泵，把蒸發(fā)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(fā)電站的年發(fā)電量位居世界第一，約占我國總發(fā)電量的17%。水力發(fā)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(fā)電機運動，發(fā)電機就會把機械能轉化為電能。
研究表明，通過使用類似于水力發(fā)電站的方法就能用雨水來發(fā)電。一個高過地面的大型蓄水池可以收集雨水，然后利用這些雨水來驅動渦輪，進而帶動發(fā)電機發(fā)電。這種方法在雨季非常有效，因為有相對連續(xù)的雨水供應。
利用雨滴的動能來發(fā)電
對于一顆直徑約為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(fā)電。
壓電材料
在施加機械應力時，壓電材料會產生電壓。表現(xiàn)出壓電效應的材料也會表現(xiàn)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于負電荷。然而，當這些材料受到擠壓時，它們的結構會發(fā)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，它們通常被用于鐘表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。
壓電材料特別適用于收集和儲存電荷，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，為什么現(xiàn)在還沒有得到大范圍推廣呢？
“雨能”的問題
第一個問題是效率。據(jù)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傳感器。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(xiàn)實的，需要投入巨大的成本。這與太陽能發(fā)電相比，成本要高出許多。
不過，最近研發(fā)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(fā)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。
雨滴的落差要大于三峽大壩的落差，能用來發(fā)電嗎？
雨滴的落差要大于三峽大壩的落差，能用來發(fā)電嗎？
發(fā)電廠發(fā)電是將其他形式的能轉化成電能，水力發(fā)電站可以依靠水的重力勢能進行發(fā)電。三峽發(fā)電站水的落差大約是113米，水從那樣高的位置落下來，減小的重力勢能很大一部分轉化為電能。
雨滴從天上落下來，下落的高度一般也要在幾百米以上，有的會下落數(shù)千米。依靠雨滴的下落能否進行發(fā)電呢？可以想一想一群博士計算雨滴下落速度的那個段子，如果按照自由落體運動去計算，雨滴下落到地面時的速度是很大的。比如從1000米的高處落到地面上，速度將達到140米每秒，足以對人造成傷害?？蓪嶋H上淋到雨的人不會覺得雨滴會砸疼自己，因為雨滴落到地面上的速度根本不大。雨滴落到地面上的速度與雨滴的質量有關，質量小的雨滴到達地面上的速度還不足1米每秒，質量大的雨滴速度一般也不會超過10米每秒。雨滴絕大部分的機械能已經(jīng)在空中通過和空氣的摩擦變成了內能，雨滴的機械能已經(jīng)所剩無幾。
雨滴的機械能絕大多數(shù)轉化成了內能，用內能發(fā)電不可以嗎？火電廠就是依靠煤燃燒釋放的熱能推動著轉子轉動，再將機械能轉化成電能。但是火電廠里需要有能夠將內能轉化成機械能的熱機，內能是很難被利用的，因為涉及到能量轉化的方向性。機械能可以輕松轉化成內能，內能卻不容易轉化成機械能。內能向機械能的轉化率永遠達不到100%，而且與高溫熱源和低溫熱源的溫度有關。像雨滴從高空落下來，它的溫度變化非常小，不值得在天地間架起一個熱機將雨滴的內能轉化成機械能再轉化成電能。
