听雨生电！中国技术突破：雨滴落地，电力即来
发布日期：2025/11/6
雨滴常与清新感、焕然新生及宁静平和联系在一起，而它们或许很快将成为清洁能源的微型引擎。南京航空航天大学的研究人员开发出一种浮动式电力发生器，能通过利用水自身作为支撑和电极来捕获雨滴下落时的能量。
通常与清新感和宁静平和联系在一起的雨滴，可能很快会成为清洁能源的微型引擎。南京航空航天大学的研究人员开发出一种能从落雨中捕获能量的浮动式电力发生器。该装置无需金属基底、刚性支撑或陆地，是全球范围内开发可持续能源解决方案竞赛的一部分。他们的研究成果发表在《国家科学评论》上，可能会改变人们对水能的看法。
一种新型的雨能技术
传统的雨滴发电器（DEGs）通过在固体金属基底上利用下落雨滴的能量来发电。这类设备虽然有效，但它们笨重、成本高昂且仅限于陆地使用，这使得它们在大湖区、河流和海洋等地面支撑不太可靠的地方不切实际。
南京团队设计的这种装置被称为水集成浮动雨滴发电器（W-DEG），它利用水作为底部电极和浮动基底。这种新型的W-DEG重量仅为传统发电机设计的一小部分，制造成本也不到其一半。尽管重量极轻，每次雨滴接触其表面时仍能产生高达250伏的强电压。首席研究员邓伟称其为“自然集成”设计，意味着它直接利用水的特性来完成使用重金属和合成材料才能实现的任务。
从每一滴雨水中收集能量
当雨滴落在W-DEG的表面时，一层氟化乙烯丙烯（FEP）薄膜会立即响应。雨滴分散，形成一股离子流，导致上下区域之间的电荷转移。产生少量电力，当雨滴弹起时，表面重置以准备下一次事件。由于水是一种高表面张力的材料，几乎不可能被压缩，因此它能承受冲击而不会弯曲或破裂。
测试表明，自来水、湖水甚至微咸水与纯水一样有效。研究团队发现，溅射天然水的电阻足够低，能够允许强电流流动，并确认水本身可以可靠地作为电极。数字照片显示，在一定压力下，当另一侧为空气时，雨滴不会通过孔向上或向下移动。
轻便、廉价且坚固
用水替代金属和刚性材料显著降低了成本和重量。传统的雨滴发电器每平方米成本约为210元（约29美元），重量超过四公斤。而浮动版本每平方米成本约为106元（15美元），重量仅为0.5公斤。这87%的重量减少使得运输和部署到大面积变得容易。它可以自由漂浮在湖泊上，甚至随波浪漂流并从降雨事件中获取能量。
FEP薄膜具有化学惰性，能抵抗腐蚀、极端温度变化和生物生长（如藻类、细菌）。在实地测试中，该发电器在高盐水中保持功能一周。如果表面被溅水或有碎片落在上面，简单清洁即可恢复最佳性能。为了减轻污染物的积累，团队在雨滴中加入了小型自排水孔，利用重力和表面张力保持表面清洁。
从实验室模型到可扩展阵列
南京团队并未止步于单一设备。他们将多个设备连接成浮动阵列，以展示这些技术如何扩展。每个小型发电器产生约200伏的独特电压脉冲，足以点亮50个LED灯。在一次试验中，10个W-DEG设备被组合成一个约咖啡桌大小的0.3平方米设备，原型机在模拟降雨（由120个模拟雨滴器产生）下，电容器在几分钟内充电至三伏，足以驱动无线水质传感器或其他小型电子设备。
“通过让水本身在系统中扮演结构和电气角色，这项工作代表了一大进步。有了W-DEGs，我们建立了一种新的雨滴发电策略，它轻便、经济且可扩展，”该研究的通讯作者郭万林教授说。
坚固的设计
浮动发电器不仅设计精巧，还能抵御各种环境因素，包括温度和盐度（高达500毫摩尔的氯化钠）。即使是生物污损——对任何海洋设备都是一个重大问题——也几乎没有影响。由于大多数微生物主要由水组成，它们不影响电荷转移。研究人员认为，如果在薄膜边缘添加保护屏障（以在高生物污损环境中提供保护），长期耐用性可以得到改善，特别是在多雨条件下。
无需土地的可再生能源
W-DEG技术的简单性提供了一种新型可再生能源的希望，即无需土地的可再生能源。作为湖泊、河流甚至海洋表面的浮动设备，W-DEG技术可以在同一生态系统中从降雨和/或波浪中产生动能。
W-DEG的设计理念反映了科学界向“自然集成”系统迈进的更广泛趋势，这些系统力求释放自然材料用于人造技术。W-DEG实际上是与自然合作，而不是取代自然。这是首次水既是设备的动力介质，也是其结构材料。
研究的实际意义
任何W-DEG设计都可以坚固耐用，为远程监测系统（例如检测水质或水污染的传感器）供电。持续多雨的地区可能能够利用它为其远程设备提供备用能源，或在农村地区为没有金属燃料或电池的微电网供电，从而减少环境影响。发展中国家可以利用这项技术以较低的成本增加另一种无土地的可再生能源来源，可以在湖泊/水库上部署，而不会对环境造成大的改变。
在全球范围内，这些想法可能是填补太阳能和风能差距的因素，特别是在其他系统可能失效的阴天或多雨条件下。W-DEG的设计理念允许利用自然材料生成清洁能源。这类想法将对未来可再生能源研究和基于生态的技术发展有用。
来源：国际能源小数据
