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【导语】每逢大雨倾盆，你是否想过雨滴动能也能转化为能源？南京航空航天大学科研团队另辟蹊径，以水为材研发出漂浮式雨滴发电装置，利用水的导电性与表面张力实现高效发电。该装置成本减半、重量减轻，还能在复杂环境中稳定运行，为分布式绿色能源提供了新可能。

每当下起大雨，你有没有过这样的想法，雨水从天而降的动能，是否可以被转化为我们人类所用的能源呢？在科学家的眼中，这些从天而降的水滴确实蕴藏着可被利用的能量。每一颗雨滴在坠落过程中都携带动能，而过去这些能量都被悄然浪费。

近年来，研究者开始尝试将雨滴的动能转化为电能，发展所谓的水伏技术。然而，以往的装置往往依赖金属电极和厚重底座，不仅制造成本高，而且难以大规模推广。

如何用雨水来发电（图片来源：作者使用AI生成）

南京航空航天大学的科研团队提出了一种全新的解决方案，让水自身成为装置的一部分。他们研制出一种可以漂浮在水面上的雨滴发电装置，不再需要坚硬的支撑结构或昂贵的金属电极，而是利用水的导电特性和表面张力，将自然环境融入发电系统。

雨滴发电的技术革新

早期的雨滴发电装置通常建立在固定的陆地平台上，采用金属电极和坚固底板来支撑绝缘薄膜。当雨滴击打薄膜时，电荷通过接触起电与静电感应产生电压输出。这种结(jié)构(gòu)能(néng)够(gòu)在(zài)实(shí)验(yàn)条(tiáo)件(jiàn)下(xià)产(chǎn)生(shēng)数(shù)百(bǎi)伏(fú)的(de)电(diàn)压(yā)，但(dàn)装(zhuāng)置(zhì)本(běn)身(shēn)较(jiào)重(zhòng)、成(chéng)本(běn)较(jiào)高(gāo)，不(bù)易(yì)推(tuī)广(guǎng)至(zhì)大(dà)面(miàn)积(jī)或(huò)自(zì)然(rán)环(huán)境(jìng)中(zhōng)使(shǐ)用(yòng)。

南(nán)京(jīng)航(háng)空航天大学的研究团队在此基础上提出了新的架构，水面浮动式雨滴发电装置。在这种设计中，水同时承担了支撑与导电两种角色。绝缘薄膜漂浮在水面上，水本身作为下方电极，顶部则由一根金属细丝充当上电极。当雨滴落在薄膜上，水的不可压缩性使薄膜能够稳定地承受冲击，而水中的离子则在电场作用下参与电荷迁移，形成有效的电流路径。

陆地和漂浮于水面的雨滴发电装置（图片来源：参考文献[1]）

实验表明，这种新型结构在轻量化与性能之间达到了平衡。单个雨滴在击打薄膜时可产生约250伏的峰值电压，几乎与传统装置相当。与此同时，材料重量减少约87%，整体制造成本降低近一半。由于不再依赖厚重的金属基底，该装置可直接漂浮在湖泊、池塘或人工水池中运行，具备天然的地理适应性与环境兼容性。

让装置更稳定、更持久、更易扩展

研究团队在性能验证后，进一步考察了装置在复杂环境中的适应性。结果显示，漂浮式雨滴发电装置在10至50摄氏度不同温度条件下以及从淡水到高盐度水体，如最高500毫摩尔氯化钠溶液中都能保持稳定输出。这得益于其关键材料氟化乙烯丙烯薄膜，它具有优异的化学惰性与防腐性能。即使在湖水中漂浮数日、表面出现轻微生物附着，装置的发电性能也几乎不受影响。这种抗生物(wù)污(wū)染(rǎn)特(tè)性(xìng)使(shǐ)装(zhuāng)置(zhì)能(néng)够(gòu)长(zhǎng)期(qī)工(gōng)作(zuò)于(yú)自(zì)然(rán)水(shuǐ)体(tǐ)中(zhōng)，为(wèi)户(hù)外(wài)环(huán)境(jìng)监(jiān)测(cè)与(yǔ)无(wú)人(rén)平(píng)台(tái)提(tí)供(gōng)可(kě)靠(kào)的(de)电(diàn)源(yuán)。

为(wèi)避(bì)免(miǎn)雨(yǔ)水(shuǐ)在(zài)薄(báo)膜(mó)表(biǎo)面(miàn)积(jī)聚(jù)造(zào)成(chéng)电(diàn)压(yā)下(xià)降(jiàng)，研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)在(zài)结(jié)构(gòu)中(zhōng)加(jiā)入(rù)了(le)单(dān)向(xiàng)排(pái)水(shuǐ)孔(kǒng)设(shè)计(jì)。该(gāi)设(shè)计(jì)利(lì)用(yòng)水(shuǐ)的(de)高(gāo)表(biǎo)面(miàn)张(zhāng)力(lì)，使水滴在受到重力作用时可以向下排出，却不会从下方渗入。这种单向流动有效防止了积水短路与电容干扰，保证装置在连续降雨或波动水面上的稳定运行。

液滴撞击介电膜的高速成像图片（图片来源：参考文献[1]）

在可扩展性方面，团队构建了一个0.3平方米的模块化系统，将多个单元组合在一起。实验结果显示，该系统能同时点亮50个发光二极管，并在几分钟内将电容器充电至实用电压。这表明，漂浮式装置不仅适用于实验室研究，还具备为低功耗设备供电的潜力，例如水质监测传感器或无线浮标。

总(zǒng)体(tǐ)来(lái)看(kàn)，这(zhè)一(yī)设(shè)计(jì)实(shí)现(xiàn)了(le)高(gāo)稳(wěn)定(dìng)性、长寿命与良好的可扩展性。通过充(chōng)分利用水体本身的物理与化学特性，研究者展示了一种可与太阳能和风能互补的能源形式，为未来低碳能源系统提供了新的解决方向。

总结

这项研究展示了雨滴能量利用的新思路。研究团队以水为主体材料，让它同时承担支撑与导电的功能，从而大幅降低了装置的成本与重量。实验验证表明，即使在温度、盐度变化或湖水生物附着等复杂环境下，装置依然能保持稳定发电，并能通过结构优化实现自动排水与长期运行。

这种水中取能的理念意义在于，它不仅是一次技术改进，更是能源设计方式的转变。过去，人类往往通过消耗更多材料来追求更高效的能量获取，而这项研究证明，借助自然物质自身的特性，也能实现高效与可持续的目标。未来，漂浮式雨滴发电装置或将与太阳能、风能协同，为湖泊、湿地和沿海区域提供分布式的绿色电力来源。

参考文献：

[1] Deng, Wei, et al. "Floating droplet electricity generator on water." National Science Review 12.11 (2025): nwaf318.

[2] Ma, Zheng, et al. "A superhydrophobic droplet‐based magnetoelectric hybrid system to generate electricity and collect water simultaneously." Advanced Materials 32.50 (2020): 2006839.

[3] Zhang, Xuan, et al. "3D-printed Superhydrophobic and magnetic device that can self-powered sense a tiny droplet impact." Engineering 15 (2022): 196-205.

[4] Bao, Bin, and Quan Wang. "A rain energy harvester using a self-release tank." Mechanical Systems and Signal Processing 147 (2021): 107099.

[5] Ilyas, Mohammad Adnan, and Jonathan Swingler. "Piezoelectric energy harvesting from raindrop impacts." Energy 90 (2015): 796-806.

策划制作

作者丨杨 超 深圳理工大学科普主管、中国科普作家协会会员

审核丨孙克衍 中国矿业大学副教授