能不能把雨滴的重力势能转化为供人类所用的能量？
- 教育综合
- 2022-06-10 12:59:03
我们能不能利用雨水来发电呢？为什么？
人类文明的发展是地球能源资源的演变。在古代，人们使用干燥的木材和干草来生火。后来，他们学会了使用普通化学品作为能源。直到工业革命时期，他们才开始使用化石燃料。化石能源的使用在很大程度上促进了人类文明的发展，但也给地球环境带来了巨大压力。此外，地球上的化石能源不仅是不可再生的，而且是非常有限的。人类要想实现可持续发展，必须逐步改变能源结构。
许多国家已经开发利用核能、太阳能、风能、潮汐能等新能源来发电。虽然这些基于这些能源的发电形式还不占优势，但它们对地球的环境更为友好。除了上面提到的能源，还有一种自然界可以利用的能源，它在地球的每个地区都无处不在，这就是降雨的能量。雨滴是由高空中的云层变化引起的，它们从形成到落地有一段距离，人类可以利用。它们利用水的势能来发电，就像现有的水利工程一样。
根据相关的物理知识，我们知道一个物体的重力势能是其质量、高度和重力加速度的乘积。在这三个因素中，只有质量和高度可以改变。雨滴的高度和质量越大，其落下的重力势能就越大。如果我们能开发出这种装置，我们就能将雨滴的势能转化为动能。雨水之所以能够发电，完全是由于它落下后接触到一层纳米级的薄膜，该薄膜由两层不同的材料共组成，由于带电的雨水，所以第一层薄膜负责吸收正电，第二层薄膜负责释放负电，这样电压、电流就随之产生。
以上就是小编针对问题做得详细解读，希望对大家有所帮助，如果还有什么问题可以在评论区给我留言，大家可以多多和我评论，如果哪里有不对的地方，大家也可以多多和我互动交流，如果大家喜欢作者，大家也可以关注我哦，您的点赞是对我最大的帮助，谢谢大家了。
怎样利用降雨来发电？用降雨发电的原理是什么？
迄今为止，人类已经能够通过水能、风能、化学能、太阳能和核能进行发电。但在自然界中，还有其他能源值得利用，例如，降雨的能量。科学家目前正在研究利用降雨作为能源的可行性，并且已经取得了一些进展。
雨滴有多少能量？
云中的水因其高度而具有重力势能。根据中学物理，一个物体的重力势能（Ep=mgh）等于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（相对于地球表面）。如果雨滴落到地面上，其重力势能将会转换为动能。下面以一个简单的例子稍作说明。
假设某个地区的年平均降雨量为100厘米，房子屋顶的面积为100平方米，这意味着屋顶每年会收集到大约10立方米或者10吨的水。考虑到雨滴来自海拔约2000米的层云，这意味着大约有2亿焦耳或56千瓦时的重力势能损失。这个数字似乎很小，但考虑到面积约为1平方公里，雨滴的能量可以为大约500户家庭供电一年。
这种能量的最终来源是什么？
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。在地球表面，每平方米的面积在每秒所接收到的太阳能约为1400焦耳。也就是说，地球表面所接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产生电能的300倍。
在地球上，照射到地表的大部分太阳辐射被用来蒸发海洋、河流和湖泊中的水。由于大气的不同部分吸收了不同数量的太阳热量，大气中将会产生温差，这就像一个泵，把蒸发的水拉上来，雨水在这个过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%。水力发电是目前最清洁的能源形式之一，其原理相当简单。水从高处流下来，推动涡轮运动。涡轮又会带动发电机运动，发电机就会把机械能转化为电能。
研究表明，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，然后利用这些雨水来驱动涡轮，进而带动发电机发电。这种方法在雨季非常有效，因为有相对连续的雨水供应。
利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。最近的研究表明，通过某些具有压电性质的材料，如PVDF（聚偏二氟乙烯），可以用雨滴的动能来发电。
压电材料
在施加机械应力时，压电材料会产生电压。表现出压电效应的材料也会表现出相反的效应——逆压电效应。这意味着一旦给压电材料施加电荷，它们就会变形。
压电材料是具有不对称结构的晶体材料，它们本身是电中性的，因为它们所带的正电荷等于负电荷。然而，当这些材料受到挤压时，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，从而产生电势。石英是最常见的压电材料之一，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？
简单来说，水滴落在压电材料上引起的振动会产生压力，这会导致压电材料产生电势差，从而把雨滴的动能转化为电能。
压电材料特别适用于收集和储存电荷，比如由电子仪器产生的电荷，或者水滴产生的电荷。既然从降雨中获取能量很容易，为什么现在还没有得到大范围推广呢？
“雨能”的问题
第一个问题是效率。据估计，压电装置只能从雨滴中提取大约12毫瓦的电能，基本上只够供电一个传感器。此外，压电装置非常昂贵，需要定期维护。
另一方面，建造一个高过地面很多的大型蓄水池也是不现实的，需要投入巨大的成本。这与太阳能发电相比，成本要高出许多。
不过，最近研发出的新材料，如石墨烯，能够通过分解雨水中的盐分来产生电能，这表明利用雨水发电的方法不止一种。随着技术的不断革新，“雨能”或许也能像其他能量一样得到广泛使用。
雨滴的落差要大于三峡大坝的落差，能用来发电吗？
雨滴的落差要大于三峡大坝的落差，能用来发电吗？
发电厂发电是将其他形式的能转化成电能，水力发电站可以依靠水的重力势能进行发电。三峡发电站水的落差大约是113米，水从那样高的位置落下来，减小的重力势能很大一部分转化为电能。
雨滴从天上落下来，下落的高度一般也要在几百米以上，有的会下落数千米。依靠雨滴的下落能否进行发电呢？可以想一想一群博士计算雨滴下落速度的那个段子，如果按照自由落体运动去计算，雨滴下落到地面时的速度是很大的。比如从1000米的高处落到地面上，速度将达到140米每秒，足以对人造成伤害。可实际上淋到雨的人不会觉得雨滴会砸疼自己，因为雨滴落到地面上的速度根本不大。雨滴落到地面上的速度与雨滴的质量有关，质量小的雨滴到达地面上的速度还不足1米每秒，质量大的雨滴速度一般也不会超过10米每秒。雨滴绝大部分的机械能已经在空中通过和空气的摩擦变成了内能，雨滴的机械能已经所剩无几。
雨滴的机械能绝大多数转化成了内能，用内能发电不可以吗？火电厂就是依靠煤燃烧释放的热能推动着转子转动，再将机械能转化成电能。但是火电厂里需要有能够将内能转化成机械能的热机，内能是很难被利用的，因为涉及到能量转化的方向性。机械能可以轻松转化成内能，内能却不容易转化成机械能。内能向机械能的转化率永远达不到100%，而且与高温热源和低温热源的温度有关。像雨滴从高空落下来，它的温度变化非常小，不值得在天地间架起一个热机将雨滴的内能转化成机械能再转化成电能。
