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我们能使用雨水来发电吗?
2023-01-02 00:35
本文摘要:迄今为止,人类已经能够通过水能、风能、化学能、太阳能和核能举行发电。但在自然界中,另有其他能源值得使用,例如,降雨的能量。 科学家现在正在研究使用降雨作为能源的可行性,而且已经取得了一些希望。雨滴有几多能量?云中的水因其高度而具有重力势能。凭据中学物理,一个物体的重力势能(Ep=mgh)即是它的质量乘以重力加速度(约为9.81米/平方秒)以及它的高度(相对于地球外貌)。 如果雨滴落到地面上,其重力势能将会转换为动能。下面以一个简朴的例子稍作说明。

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迄今为止,人类已经能够通过水能、风能、化学能、太阳能和核能举行发电。但在自然界中,另有其他能源值得使用,例如,降雨的能量。

科学家现在正在研究使用降雨作为能源的可行性,而且已经取得了一些希望。雨滴有几多能量?云中的水因其高度而具有重力势能。凭据中学物理,一个物体的重力势能(Ep=mgh)即是它的质量乘以重力加速度(约为9.81米/平方秒)以及它的高度(相对于地球外貌)。

如果雨滴落到地面上,其重力势能将会转换为动能。下面以一个简朴的例子稍作说明。假设某个地域的年平均降雨量为100厘米,屋子屋顶的面积为100平方米,这意味着屋顶每年会收集到约莫10立方米或者10吨的水。思量到雨滴来自海拔约2000米的层云,这意味着约莫有2亿焦耳或56千瓦时的重力势能损失。

这个数字似乎很小,但思量到面积约为1平方公里,雨滴的能量可以为约莫500户家庭供电一年。这种能量的最终泉源是什么?正如地球上大多数其他能源一样,降雨的能量最终也是来自于太阳。

在地球外貌,每平方米的面积在每秒所吸收到的太阳能约为1400焦耳。也就是说,地球外貌所吸收到的太阳能功率为1400瓦/平方米。从这个角度来看,如果把照射到青海省的所有太阳能都能转化为电能,这将相当于全球所有发电站所发生电能的300倍。在地球上,照射到地表的大部门太阳辐射被用来蒸发海洋、河流和湖泊中的水。

由于大气的差别部门吸收了差别数量的太阳热量,大气中将会发生温差,这就像一个泵,把蒸发的水拉上来,雨水在这个历程中获得了重力势能。储存雨水的能量我国水力发电站的年发电量位居世界第一,约占我国总发电量的17%。水力发电是现在最清洁的能源形式之一,其原理相当简朴。

水从高处流下来,推动涡轮运动。涡轮又会动员发电机运动,发电机就会把机械能转化为电能。研究讲明,通过使用类似于水力发电站的方法就能用雨水来发电。

一个高过地面的大型蓄水池可以收集雨水,然后使用这些雨水来驱动涡轮,进而动员发电机发电。这种方法在雨季很是有效,因为有相对一连的雨水供应。使用雨滴的动能来发电对于一颗直径约为5毫米的雨滴,它最终到达地面时的速度约为10米/秒。最近的研究讲明,通过某些具有压电性质的质料,如PVDF(聚偏二氟乙烯),可以用雨滴的动能来发电。

压电质料在施加机械应力时,压电质料会发生电压。体现出压电效应的质料也会体现出相反的效应——逆压电效应。这意味着一旦给压电质料施加电荷,它们就会变形。压电质料是具有差池称结构的晶体质料,它们自己是电中性的,因为它们所带的正电荷即是负电荷。

然而,当这些质料受到挤压时,它们的结构会发生变形,使一些原子更靠近,而另一些原子则被拉开。这会破坏正电荷和负电荷的平衡,从而发生电势。石英是最常见的压电质料之一,它们通常被用于钟表等电子设备的计时装置。压电体如何把雨水的动能转化为电能?简朴来说,水滴落在压电质料上引起的振动会发生压力,这会导致压电质料发生电势差,从而把雨滴的动能转化为电能。

压电质料特别适用于收集和储存电荷,好比由电子仪器发生的电荷,或者水滴发生的电荷。既然从降雨中获取能量很容易,为什么现在还没有获得大规模推广呢?“雨能”的问题第一个问题是效率。据预计,压电装置只能从雨滴中提取约莫12毫瓦的电能,基本上只够供电一个传感器。

此外,压电装置很是昂贵,需要定期维护。另一方面,制作一个高过地面许多的大型蓄水池也是不现实的,需要投入庞大的成本。

这与太阳能发电相比,成本要横跨许多。不外,最近研发出的新质料,如石墨烯,能够通太过解雨水中的盐分来发生电能,这讲明使用雨水发电的方法不止一种。随着技术的不停革新,“雨能”或许也能像其他能量一样获得广泛使用。


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