迄今為止，人類已經(jīng)能夠通過水能、風(fēng)能、化學(xué)能、太陽能和核能進(jìn)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。科學(xué)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(jìn)展。
雨滴有多少能量？
云中的水因其高度而具有重力勢(shì)能。根據(jù)中學(xué)物理，一個(gè)物體的重力勢(shì)能（Ep=mgh）等于它的質(zhì)量乘以重力加速度（約為9.81米/平方秒）以及它的高度（相對(duì)于地球表面）。如果雨滴落到地面上，其重力勢(shì)能將會(huì)轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。下面以一個(gè)簡(jiǎn)單的例子稍作說明。
假設(shè)某個(gè)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(huì)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米的層云，這意味著大約有2億焦耳或56千瓦時(shí)的重力勢(shì)能損失。這個(gè)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(gè)角度來看，如果把照射到青海省的所有太陽能都能轉(zhuǎn)化為電能，這將相當(dāng)于全球所有發(fā)電站所產(chǎn)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(huì)產(chǎn)生溫差，這就像一個(gè)泵，把蒸發(fā)的水拉上來，雨水在這個(gè)過程中獲得了重力勢(shì)能。
儲(chǔ)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(dāng)簡(jiǎn)單。水從高處流下來，推動(dòng)渦輪運(yùn)動(dòng)。渦輪又會(huì)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，發(fā)電機(jī)就會(huì)把機(jī)械能轉(zhuǎn)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(gè)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(qū)動(dòng)渦輪，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。這種方法在雨季非常有效，因?yàn)橛邢鄬?duì)連續(xù)的雨水供應(yīng)。
利用雨滴的動(dòng)能來發(fā)電
對(duì)于一顆直徑約為5毫米的雨滴，它最終到達(dá)地面時(shí)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(zhì)的材料，如PVDF（聚偏二氟乙烯），可以用雨滴的動(dòng)能來發(fā)電。
壓電材料
在施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)，壓電材料會(huì)產(chǎn)生電壓。表現(xiàn)出壓電效應(yīng)的材料也會(huì)表現(xiàn)出相反的效應(yīng)——逆壓電效應(yīng)。這意味著一旦給壓電材料施加電荷，它們就會(huì)變形。
壓電材料是具有不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的晶體材料，它們本身是電中性的，因?yàn)樗鼈兯鶐У恼姾傻扔谪?fù)電荷。然而，當(dāng)這些材料受到擠壓時(shí)，它們的結(jié)構(gòu)會(huì)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(huì)破壞正電荷和負(fù)電荷的平衡，從而產(chǎn)生電勢(shì)。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(shè)備的計(jì)時(shí)裝置。
壓電體如何把雨水的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能？
簡(jiǎn)單來說，水滴落在壓電材料上引起的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生壓力，這會(huì)導(dǎo)致壓電材料產(chǎn)生電勢(shì)差，從而把雨滴的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。
壓電材料特別適用于收集和儲(chǔ)存電荷，比如由電子儀器產(chǎn)生的電荷，或者水滴產(chǎn)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(gè)問題是效率。據(jù)估計(jì)，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(gè)傳感器。此外，壓電裝置非常昂貴，需要定期維護(hù)。
另一方面，建造一個(gè)高過地面很多的大型蓄水池也是不現(xiàn)實(shí)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(chǎn)生電能，這表明利用雨水發(fā)電的方法不止一種。隨著技術(shù)的不斷革新，“雨能”或許也能像其他能量一樣得到廣泛使用。
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