出品：科普中国
作者：城明辰（科普创作者）
(资料图)
监制：中国科普博览
“随风潜入夜，润物细无声”。雨作为自然界水循环中不可缺少的一环，滋养了世间万物。但有时，连绵不断的雨天也会为我们带来麻烦——倾盆而下的雨水导致水库、河流、湖泊水位暴涨，甚至引发洪涝灾害。水能载舟，亦能覆舟，雨水的两面性不可避免地对我们的生活造成了巨大的影响。
不过，当夏日的暴雨以摧枯拉朽之势倾盆而下时，有没有想过，雨滴身上也潜藏着不小的能量呢？
实际上，早就已经有人在尝试雨力发电了，并且取得了一定成果，也许在不远的将来，我们也可以使用雨力发电产生的电，让我们一起去了解一下科研人员在雨力发电领域的不同尝试吧。
印度的乞拉朋齐：被称为“世界雨极”
（图片来源：easternvoyages）
房顶上的微型水力发电站
雨水如何才能发电呢？本质上，雨水和江河中的水没有任何区别，所以，最浅显直接的方法自然就是，先将这些“无根之水”大量地囤积在屋顶等高处，然后利用水力发电的原理将雨水的重力势能转化为电能。
道理简单，但在实际操作中是否可行呢？
让我们把视角切换到墨西哥，这里是世界上最缺水的国家之一，有超过一千万人无法获得自来水，即使在首都墨西哥城，仍然有近25万人过着缺水的生活。因此，许多家庭在自家的屋檐处安装了集水管道，将雨水收集起来以备使用，但当地严重的空气污染导致这些雨水混合着大量的杂质和污染物。
为了同时解决雨水净化和发电的问题，2014年，墨西哥理工大学的奥马尔（Omar）、罗梅尔（Romel）和古斯塔沃（Gustavo）三名学生提出了一个有趣的想法，他们把雨力发电应用到了现实中，创造了一个名为“Pluvia”的雨力发电系统。
发明Pluvia雨力发电系统的三名学生
（图片来源：newatlas）
他们设计了一段装有微型涡轮机的管道，接在蓄水箱顶部的入口处。屋顶的雨水通过漏斗聚集起来后，会沿着装有木炭过滤器的管道流下，之后推动微型涡轮，最后进入地下的储水罐。涡轮机旋转会带动发电机，并为12伏的电池充电，部分电力用于驱动净水器工作，处理后的水比城市供水还要清洁。
目前，这套系统已经在墨西哥城的伊兹塔帕拉帕（Iztapalapa）社区完成了测试，随后，学生们试图增加发电和储存能力，将来帮助更多的家庭缓解用水和供电的问题。
雨水发电系统的概念图（这张图片不是三名学生的作品）
（图片来源：spectrum）
三名学生勇于创新，将纸面上的理论转化为实际的产品并落地造福于本地居民，值得鼓励。但由于这种能量转化方式本身存在巨大的局限性，毫无疑问，这种雨水发电形式的效率过低，并且提升的空间也极为有限。
给雨滴加上“发电机”
传统的发电形式离不开发电机，但每颗离散的雨滴只有微小的能量，并不能提供持续不断的动力，因此想要将雨水的能量收集起来并提高雨力发电的效率，需要使用一类特殊的“发电机”。
其中，压电材料就是一种遍布了无数个“微小发电机”的材料，它并非利用电磁感应来发电，而是运用自身的原子间特殊的排列方式，直接将力产生的变形转化为电荷。
压电材料的“身世”颇具戏剧性，1880年，法国物理学家皮埃尔·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在实验室发现了压电材料，他们注意到石英晶体在受到重压下，部分表面产生了少量电荷。
此后，压电材料得到了广泛的应用，打火机和煤气灶的点火装置里都藏着一块压电材料。在人流密集的车站或路口处铺设的“发电地板”也都是通过压电材料实现发电的。
伦敦一条“压电地板”小路
（图片来源：inhabitat）
2008年，法国原子能委员会（CEA）旗下的技术研发机构Leti（主要研发领域是微纳米技术与应用）在杂志《智能材料与结构》（Smart Materials and Structures）上发表了一项研究，罗曼·吉贡（Romain Guigon）介绍了他们团队使用压电材料从雨滴中获取能量的方法。
左：雨力发电的试验台 右：试验台底部的压电材料
（图片来源：Smart Materials and Structures）
雨滴落在地面时会发生非弹性冲击碰撞，在此过程中，雨滴的破碎、飞溅、振动、粘弹性变形都会造成能量的损失，科研人员对“雨滴碰撞模型”进行改进，大致估计出了雨滴中可利用能量的大小。为了捕获这部分冲击产生的机械能，这些科学家们使用一种名叫PVDF（聚乙烯氟化物）聚合物的压电材料，成功将雨滴的动能直接转化为电能。
通过模拟不同下落速度的雨滴，他们还发现了一个有趣的规律：缓慢下降的雨滴往往会产生更多的电能，这可能是由于高速的雨滴更容易发生飞溅导致的。此外，他们通过观察直径从1到5毫米不等的雨滴，发现每颗雨滴的可用能量从1到10mJ不等，下“倾盆大雨”时的雨滴拥有高达12毫瓦的发电功率。
不过，即使如此，它仍无法满足手机充电的要求——手机缓慢充电情况下需要的功率是5W，也就是说，至少相当于5000颗大雨滴同时下落。近些年，其他学者也采用类似的思路开展了更深入的研究，充分证实了使用压电材料进行雨力发电的可行性，但发电效率仍旧无法得到突破（不超过0.12%）。
雨滴与地面发生碰撞的过程
（图源：Energy，作者翻译）
在某种意义上，雨力发电已经实现了？
天气变化莫测，大自然的风雨雷电蕴含着巨大的能量，目前由于技术条件的限制，我们只能利用一部分风的能量。但其实，在此过程中的“雨力”也并非被完全浪费，降水期间往往伴随着大风，而风作为雨滴的载体，早已实现了一定程度上的雨力发电。
风力发电机的输出功率和前方的空气有密切的关系，而夹杂着雨水的空气密度会略有增加，理论上，风力发电机在雨天会发出更多的电（尽管只有一丢丢）。此外，雨水还可以洗刷叶片表面附着的尘土和污渍，改善原本脏污叶片的气动性能。所以，我们在日常生活的电中已经间接包含了“雨电”，而并非“雨我无瓜”。
雨力发电的应用还有很长的路要走，在这条道路上亦少不了风雨，但我们相信，凭借一代代人的不懈努力，润物细无声的雨滴终将会给我们提供更多的电力。
雨中的风力发电机
（图片来源：fineartamerica）
参考文献：
[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
编辑：孙晨宇
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