隨著世界尋求化石燃料的可持續(xù)替代品，可再生能源的創(chuàng)新解決方案至關(guān)重要。研究人員現(xiàn)在已經(jīng)找到了一種從雨滴中產(chǎn)生清潔能源的方法。這項技術(shù)不需要陽光普照的沙漠，也不依賴強(qiáng)風(fēng)呼嘯的海岸，在年均降雨量高的區(qū)域，家家戶戶的屋頂都可能成為微型發(fā)電廠，"雨水發(fā)電機(jī)"或許將打開綠色能源的新賽道。

這種新技術(shù)發(fā)表在《ACS Central Science》雜志上，它通過利用雨水通過細(xì)管的能量來發(fā)電。該方法可以在測試中為 12 個 LED 燈供電。未來通過將其轉(zhuǎn)換為屋頂設(shè)備，它可能會帶來一種在暴雨中保持燈亮的方法。

新加坡國立大學(xué)的 Siowling Soh 及其同事設(shè)計了一種依賴于電荷分離的技術(shù)。這種現(xiàn)象是靜電的基礎(chǔ)，涉及帶相反電荷的粒子分離，從而在它們之間產(chǎn)生電壓。可以將落下的水滴（如雨水中的水滴）轉(zhuǎn)化為可用的電能。

通過引導(dǎo)液滴通過狹窄的垂直管以產(chǎn)生“活塞流”，他們能夠以驚人的效率分離電荷并收集能量。這種簡單的設(shè)置不僅克服了傳統(tǒng)電荷分離方法的低效率，而且產(chǎn)生的功率足以點(diǎn)亮 12 個 LED。由于在屋頂和城市環(huán)境中的潛在應(yīng)用，這種創(chuàng)新系統(tǒng)可以提供一種可持續(xù)且低成本的水力發(fā)電替代方案。

利用運(yùn)動中的靜電

當(dāng)兩種材料接觸時，它們表面的電荷會發(fā)生變化——一個熟悉的例子是在皮膚上摩擦氣球所產(chǎn)生的靜電。同樣，當(dāng)水流過某些表面時，它會吸收或失去電荷。現(xiàn)在，今天（4 月 16 日）在 ACS Central Science 上報告的研究人員已經(jīng)利用這種效應(yīng)，利用流經(jīng)窄管的雨滴來發(fā)電。該系統(tǒng)產(chǎn)生的功率足以點(diǎn)亮 12 個 LED。

通過垂直管落下的水產(chǎn)生大量電力：活塞流。這種活塞流模式可以收集雨水能量來產(chǎn)生清潔和可再生的電力。

為什么傳統(tǒng)水力發(fā)電不足

傳統(tǒng)的水力發(fā)電的工作原理是將大量水輸送到渦輪機(jī)。但這僅適用于水源充足的地方，例如河流。對于較小、較慢的水流，研究人員探索了一種替代方案：電荷分離。當(dāng)水流經(jīng)襯有導(dǎo)電表面的通道時，該過程會產(chǎn)生電力。然而，它的效率非常低，因為電荷僅在水接觸的表面積聚。

為了提高效率，科學(xué)家們嘗試使用微米和納米通道來增加表面積。但這些通道非常小，以至于水不容易流過它們——泵送它消耗的能量超過了系統(tǒng)產(chǎn)生的能量。為了解決這個問題，Soh、Chi Kit Ao 和他們的團(tuán)隊正在尋找一種方法，利用雨水可以自然通過的更大通道來發(fā)電。

設(shè)計活塞流發(fā)電機(jī)

該團(tuán)隊設(shè)計了一個簡單的設(shè)置，水通過金屬針從塔底流出，并將雨水大小的水滴噴入 12 英寸高（32 厘米高）和 2 毫米寬的垂直聚合物管的開口中。管子頂部的液滴正面碰撞導(dǎo)致活塞流：短水柱穿插著氣囊。當(dāng)水流下管子內(nèi)部時，電荷分離。然后將水收集在管下方的杯子中。放置在管子頂部和杯子中的電線收集了電力。

活塞流系統(tǒng)將流經(jīng)管道的水的 10% 以上的能量轉(zhuǎn)化為電能。與連續(xù)流中的水相比，活塞流產(chǎn)生的電力多出 5 個數(shù)量級。由于測試的液滴速度比雨水慢得多，研究人員認(rèn)為該系統(tǒng)可用于從落下的雨滴中收集電力。

在另一項實(shí)驗中，研究人員觀察到，同時或依次通過兩根管子的水會產(chǎn)生雙倍的能量。利用這些信息，他們將水引導(dǎo)通過四根管子，該裝置連續(xù)為 12 個 LED 供電 20 秒。研究人員表示，活塞流能源可能比水力發(fā)電廠更易于設(shè)置和維護(hù)，并且可能便于屋頂?shù)瘸鞘锌臻g。

在氣候變化加劇的當(dāng)下，這項技術(shù)尤其適合多雨城市和島嶼地區(qū)。想象未來摩天大樓的外墻布滿隱形雨能管，臺風(fēng)過境時不僅不怕停電，反而能儲備更多電力。當(dāng)一滴雨的重量僅有0.05克，卻能釋放點(diǎn)亮世界的光芒，這場"向天空要能源"的革命，或許能夠進(jìn)一步增強(qiáng)能源的可持續(xù)性和韌性。

DOI： 10.1021/acscentsci.4c02110