雨傘也能發(fā)電

唯　實

雨傘發(fā)電，真是聞所未聞!雨傘本身除非是裝上了普通發(fā)電機(jī)，再用燃油或燃?xì)獾葎恿︱?qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，否則是發(fā)不出電來的。但是，有一種特制的雨傘的確可以利用雨滴來發(fā)電。這掀開了近兩年來人們紛紛尋找可替代的無需燃油等礦物燃料各種可再生能源新的一頁。

去年，法國CEA Leti-Minatec研究所的研發(fā)工程師Guigon等人發(fā)表了兩篇論文，論文指出當(dāng)雨滴滴在氟化聚偏二乙烯聚合物(PVDF)壓電材料，所產(chǎn)生的振動能由于壓電效應(yīng)，最后轉(zhuǎn)變成電能。那么，什么是壓電效應(yīng)?1880年，法國物理學(xué)家居里發(fā)現(xiàn)，把重物放在石英晶體上，晶體某些表面會產(chǎn)生電荷，電荷量與壓力成比例。這一現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。所以，能產(chǎn)生壓電效應(yīng)的晶體材料就是壓電材料。不久后，居里又發(fā)現(xiàn)了逆壓電效應(yīng)，即在外電場作用下壓電體會產(chǎn)生形變。壓電效應(yīng)的機(jī)理是：具有壓電性的晶體對稱性較低，當(dāng)受到外力作用發(fā)生形變時，晶胞中正負(fù)離子的相對位移使正負(fù)電荷中心不再重合，導(dǎo)致晶體發(fā)生宏觀極化，而晶體表面電荷面密度等于極化強(qiáng)度在表面法向上的投影，所以壓電材料受壓力作用形變時兩端面會出現(xiàn)異號電荷。反之，壓電材料在電場中發(fā)生極化時，會因電荷中心的位移導(dǎo)致材料變形。

根據(jù)Guigon等人的工作，一個名叫Sang-Kyun Park的人于2008年12月設(shè)計了用PVDF壓電材料能夠發(fā)電的雨傘。他設(shè)想，下落到雨傘上雨滴的勢能撞擊PDVF膜轉(zhuǎn)變成電能，然后供電給裝置在傘中的LED燈，把雨傘照亮，從而照亮下大雨天色暗淡時的行人，如左圖所示。

通常的雨滴大小(直徑)為1mm，下降速度為3m/s。而且，科學(xué)家已經(jīng)證明，雨滴碰撞完全產(chǎn)非彈性激波，換而言之是不會因為彈性碰撞而損耗掉能量。Guigon等人的實驗表明，當(dāng)雨滴滴在25微米厚的PVDF膜上，膜開始振動，安裝在膜上的電極就會測量出振動所產(chǎn)生的電能。他們測定了不同膜片厚度、雨滴不同下降高度以及下降速度情況所產(chǎn)生的電能。發(fā)現(xiàn)緩慢下降的雨滴產(chǎn)生更多的電能，這是因為高速下降的雨滴往往會因為濺開而損失一些能量。另外還發(fā)現(xiàn)，雨滴愈大，振動愈厲害，產(chǎn)生的能量愈多。隨著雨滴大小的變化，每滴雨滴產(chǎn)生的能量在2 u～1mJ之間。參加實驗的一個成員說：“對于幾個平方厘米的雨傘面積而言，所能夠得到的能量在數(shù)W到10mW之間。以法國的下雨情況，每平方米雨傘面積一年能夠產(chǎn)生1wh的電?！憋@然，所產(chǎn)生的電能還相當(dāng)小，要想用來驅(qū)動你的IPod，現(xiàn)時還做不到。就是用來點亮LED燈，也同樣需要改進(jìn)和提高。但是將來還有很多的空間，畢竟壓電材料技術(shù)非常新，而雨傘發(fā)電才不過一年的時間。

科學(xué)家正在準(zhǔn)備進(jìn)一步改進(jìn)，提高發(fā)電量。同時，也考慮發(fā)展儲存雨傘發(fā)電的方法，為實際使用提供穩(wěn)定的電流。