一個利用雨水發電的系統將來可能會被安裝在屋頂上。圖片來源：kulkann/iStockphoto/Getty Images


“每天都有雨水降落在地球上。但由于缺乏收集雨水能量的系統，所有的能量都被浪費了。”論文通訊作者、新加坡國立大學的Siowling Soh說。

通常，當人們利用水發電時，會利用大量水的流動來驅動河流、海洋甚至飲用水管道中的渦輪機。但水流過導電表面時，可以通過電荷分離的過程產生自身的電荷。這是因為水分子中帶正電的質子留在液體中，而帶負電的電子則被轉移到表面，如同用氣球在頭發上摩擦會產生靜電一樣。

這種現象通常是一種低效的發電方式，因為電荷只在水接觸的表面產生。而且如果使用微米或納米級管道來增加表面積，最終會發現將水引入這些管道中所消耗的能量比獲取的電能還要多。

現在，Soh和同事創造了一個簡單的裝置，依靠重力使水沿著一根高32厘米、內徑2毫米的垂直管道流下。

水通過一根水平的不銹鋼針從容器底部流出，落入下方的管道。當水滴在管道頂部碰撞時，會裹挾一些空氣，在它們下落過程中產生所謂的塞流。這種不連貫的流動似乎有助于水分子的電荷在沿管道向下流動時分離。管道頂部和底部的電線隨后會收集產生的電能。

在一次實驗中，一根管道產生了440微瓦的電能。當研究人員同時使用4根管道時，就可以為12盞LED燈供電20秒。

“我們第一次能夠通過固液界面的電荷分離，從雨水或者其他自然資源，如河流或瀑布中獲取能量。”Soh說。

產生的電量可能看起來并不特別可觀，但Soh表示，該裝置將通過管道落下的水的10%以上的能量轉化為電能，比水以連續流過管道的方式所產生的電能高出5個數量級。

Soh表示：“雨水從幾千米高的天空落到地面，所以在三維空間中有很多空間可以用來收集雨水能量。”這表明該系統可以用于雨水發電，也許能安裝在屋頂上。

美國波士頓低影響水電研究所的Shannon Ames說：“如果它能以一種對每家每戶都有用的方式開發出來，那將是非常實用的。”

相關論文信息：https://doi.org/10.1021/acscentsci.4c02110