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滴水不仅能穿石,还能发电

科技 | Post by: 小橙圈 | 10/22/21 1:0 | 337

我们常用“水滴石穿”来描述有恒心有毅力的人最终成功的故事,那么水滴真的能穿石吗?水滴身上到底蕴藏着多大的力量呢?

水滴的力量

我们在洗手的时候,都感受过水滴的力量,一滴水滴在手上我们没有什么感觉,而一股水流的冲击则能让人有点痛。所以,要了解水滴的力量,相比起一滴水,计算一股水流要容易一些,让我们一起算一算天然的水流——雨水的能量吧。

滴水不仅能穿石,还能发电

雨滴从空中落下的过程中受到空气阻力和重力的作用,离地面越近,重力的影响越大,雨滴落到地面的最后几秒钟相当于自由落体运动状态,最终速度大约为10米/秒。每场降雨的强度不同,单位时间内落到地面的雨滴的质量也不同,为了便于计算,我们采用2017年台风“哈维”期间,美国休斯顿的降水量作为基准:每小时降水量约为1.3厘米。简单计算可知,这种情况下,每小时大约有13千克的水落在1平方米的平板上(雨水体积为100厘米×100厘米×1.3厘米=13000立方厘米=13立方分米=13升,质量为13千克)。

根据动能公式E=mv2/2,这一个小时内降落到平板上的所有雨滴的总动能为650焦耳。这是什么概念呢?家用灯泡的功率约为30~50瓦,即每秒消耗的电能为30~50焦耳,如果将一小时大暴雨在一平方米的地面上落下的雨滴的动能全部转化为电能,仅能使灯泡亮上十几秒。

水滴发电的妙法

这样看来,水滴的能量还是太小了,而且水滴的动能也几乎不能百分百转化成电能,用水滴发电的想法实在是太异想天开了。但最近,还真有科学家想出了用水滴发电的好方法。

由中国科学家领衔的研究团队用两个别出心裁的设计完成了这款水滴发电机。单个水滴的能量小,但是许多水滴汇聚在一起就有了巨大的力量,所以研究团队首要解决的问题是如何将水滴聚在一起。此前,研究团队发现了一种可以长期保有电荷的永电体材料——聚四氟乙烯(PTFE)薄膜,当水滴持续不断地撞击薄膜时,摩擦起电产生的表面电荷能够不断在薄膜中积累,直至饱和。这样,经过液滴的连续撞击后,薄膜就能够储存高密度的表面电荷。

滴水不仅能穿石,还能发电

那么要如何利用这些电荷进行有效发电呢?将所有电荷一次性释放出来才能变成巨大的电能,而这就要归功于水滴发电机的巧妙结构了。整个水滴发电机主要由一个铝电极和一个表面覆有一层PTFE薄膜的铟锡氧化物(ITO)电极组成,这个结构的创意来源于1956年获得诺贝尔物理学奖的场效晶体管(FET三极管)的结构。三极管由栅极、源极、漏极三个极组成,通过控制栅极,就能控制源极和漏极之间是否连通,从而进一步控制电荷的流动。在新研发的水滴发电机中,PTFE/ITO电极与铝电极就类似于三极管中的源极和漏极,它们的开关状态由水滴来控制。

水滴刚刚坠落到PTFE薄膜表面时,由于总量较少,不会与铝电极接触,电路处于未接通状态。随着下落的水滴越来越多,慢慢汇聚成了一个小水洼,并且逐渐扩散到了铝电极上。由于水滴也具有导电性,它就像一根导线接通了之前不相连的PTFE/ITO电极和铝电极,形成了一个连通的电路。然后,此前薄膜积聚的所有电荷就在电路中流通了起来。在这个过程中,水滴不只是发电系统的能量来源,还是整个发电机的开关。

滴水不仅能穿石,还能发电

运用汇聚电荷和集中放电的方法,小小的水滴也能产生较大的电能,发电效率比没有铝电极设计的普通水滴发电机高了数千倍。在实验中,一滴100微升的水滴从15厘米的高度滴到这个发电机上,可以产生超过140伏特的电压,发电机产生的电能足以点亮100盏小LED灯。更厉害的是,这个发电机适用范围很广泛,不论是雨水、自来水或是海水,都能通过该发电机转化成电能。

目前,水滴发电机的转化效率还不高,它只能将水滴动能的2.2%转化为电能,还需要更多的改进和优化。但是,水滴发电机仍有着广阔的前景,未来我们也许能将雨伞制成充电宝,再结合太阳能电池,这样无论是晴天还是雨天,我们都能得到稳定又清洁的能源了。

来源:大科技杂志社


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