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降雨から電気を生成できますか?

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降雨からエネルギーを生成するユニークな方法はたくさんあります。タービンを動かすために雨水を高所に貯めたり、圧電に直接使用したりするなど、現代の技術はほとんどすべてのことを可能にしました.

降る雨を見て、その小さな水滴に秘められた可能性について疑問に思ったことはありませんか?もしそうなら、あなたは科学と物理学に対して良い心を持っています.現在、世界中の研究者が降雨をエネルギー源として利用する可能性を調査しており、このますます重要性を増している分野ですでに多くの進歩を遂げています.

雨滴はどのくらいのエネルギーを持っていますか?

雲の中の水は、その高さのおかげで位置エネルギーを持っています。物体の重力位置エネルギーは、その高さ (地球の表面に対する) にその重量と重力定数 (9.8 m/s2) を掛けることによって測定できます。これをもっと簡単に見てみましょう。

あなたの都市が年間 100 cm の降水量を受け取り (米国の平均年間降水量は約 77 cm – 気候レポート)、家の屋根が約 20 平方または 2000 平方フィート (標準サイズ) であるとします。これらの数値に基づいて計算すると、これはおよそ 111 kWh の失われた位置エネルギーに相当することがわかります。その数は少ないように見えますが、約 1 km2 の面積で考えると、「落下」するエネルギーの量は、約 1000 軒の家に電力を供給するのに十分です。

このエネルギーの究極の源は何ですか?

地球上の他のほとんどの動力源と同様に、降雨は太陽からエネルギーを得ています。太陽は、あらゆる形態の生命と資源に燃料を供給する究極のポンプです。地球の表面では、太陽のエネルギー密度は約 1,000 W/m2 です。これを概観すると、テキサスの地球の表面を照射するすべての太陽光エネルギーが 単独 電気に変換できれば、生成される電力は、世界中のすべての発電所で生成される総電力の 300 倍に相当します!

私たちの惑星に当たる太陽放射の大部分は、海、海、川から水を蒸発させるために使用されます。大気のさまざまな部分がさまざまな量の太陽熱を吸収するために大気中に生じる温度差は、ポンプとして機能し、蒸発した水を引き上げ、その過程で位置エネルギーで満たします。

水循環 (画像クレジット:Flickr)

降雨量の貯蔵によるエネルギー

水力発電所は、米国で消費される電力の約 6.5% を生成します。その数はインドでは 13.5% に上昇します。水力発電は最もクリーンなエネルギーであり、その生成は非常に簡単です。適切な高さからタービンに水が落ちると、タービンが動きます。タービンはダイナモに接続され、機械エネルギーを電気に変換します。

フーバーダムのタービン (写真提供:CrackerClips Stock Media/Shutterstock)

水力発電所で使用されているのと同様の方法を使用することにより、科学者は、地上の高い位置に配置された大きな貯水池が雨を集め、その落下水を使用してタービンに電力を供給できることを発見しました。この方法は、水の供給が比較的継続的に利用できる雨季に非常に効果的です。

降雨の運動エネルギーの利用

ある速度で移動する物体は、運動エネルギーを持っています。雨粒も同じです。直径約 4 分の 1 インチの大きな一滴の雨の落下速度は、時速約 20 マイルまたは秒速約 10 メートルです。最近の研究では、PVDF (ポリフッ化ビニリデン) などの特定の素材を使用して、雨滴の運動エネルギーを利用できることが示唆されています。 圧電を備えている

圧電材料とは?

ピエゾ ギリシア語で「絞る、または押す」を意味します 」。したがって、圧電材料は、加えられた機械的応力に応答して電圧 (または電気) を生成する材料です。圧電効果を示す材料は、逆圧電効果と呼ばれる反対の効果も示します。これは、電荷を加えると変形することを意味します。これらの物質は、結晶、セラミック、さらには骨やタンパク質などの生体物質です。

圧電性の発生を図で表したもの (写真提供者:Tizeff/Wikimedia Commons)

圧電体は、非対称構造を持つ標準的な結晶材料です。それでも、存在する正の電荷が負の負荷に等しいため、それらは電気的に中性であり、互いにバランスが取れています。しかし、そのような物質を圧縮すると、その構造が変形し、一部の原子が近づき、他の原子が離れてしまいます。これにより、正電荷と負電荷のバランスが崩れ、電位が発生します。水晶は最も一般的な圧電材料の 1 つであり、小さな水晶は時計やラップトップなどの電子機器で時間を計るために使用されます。

圧電体はどのようにして降雨を電気に変換するのですか?

圧電材料に落ちる水滴によって引き起こされる振動により、圧力が発生します。この圧力により、チタン酸ジルコン酸鉛 (PZT) などの圧電材料の表面上に非弾性ヒカップ (電位差) が生じ、雨滴からの機械エネルギーが電気エネルギーに変換されます。

圧電材料は、電気機器や、この場合は落下する水滴によって生成される電荷​​などの小さな電荷を収集して保存するのに特に役立ちます。この時点で、あなたは疑問に思うかもしれません....降雨からエネルギーを利用するのがこれほど簡単なら、なぜもっと頻繁に利用されないのでしょうか?その理由は次のとおりです。

雨エネルギーの問題

最初の問題はコンバージョン率です。圧電デバイスは、雨滴から約 12 ミリワットの電力しか抽出できません。これは、1 平方メートルあたり 0.001 kWh 未満です。基本的には、リモート センサーに電力を供給するのに十分です。さらに、これらのデバイスは非常に高価で、定期的なメンテナンスが必要です。

ソーラーパネルは、上記のすべての方法よりもはるかに効率的です。太陽電池の効率に匹敵するためには、1 km 以上の高さに貯水池を建設する必要があります。地面から離れた高さのコンテナを構築することは、特に太陽電池で同じ領域をカバーするコストと比較すると、経済的に実行可能ではありません.

ソーラーパネルには太陽電池が含まれています。 (画像クレジット:Pixabay)

最後の言葉

雨中の塩分を分解して電流を生成できるグラフェン太陽電池など、最近開発された材料は、雨水の可能性を利用する方法が複数あることを示唆しています。また、新しい技術が日々開発されているため、雨エネルギーの商業利用はそれほど遠くないようです。

生成される電力の点では、おそらく雨滴は水力発電所や太陽電池に太刀打ちできないでしょう。ただし、大きな利点が 1 つあります。無料です。そして、進化を続ける当社の技術により、春の雨の中を散歩するのと同じくらい簡単にクリーンな電力を生成できるようになるでしょう!


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