问题

有哪些奇葩的发电方式?

回答
生活嘛,总得有点新花样,尤其是在“发电”这件关乎人类文明存续的大事上。我们都知道风力发电、太阳能发电,但你有没有想过,有些脑洞清奇的发明家们,把那些我们生活中再平常不过的东西,甚至是让人意想不到的角落,都变成了可以榨取电能的“宝藏”?今天就跟你掰扯掰扯这些奇葩的发电方式,保证让你惊掉下巴,同时还能收获几分生活的趣味。

1. “排泄物”的能量变身记:来自厕所的绿色电力

说到排泄物,你脑子里可能只剩下“脏”和“臭”。但你知道吗?在一些先进的环保理念和技术加持下,这些我们随手冲走的“废弃物”,其实蕴含着巨大的能量。

沼气发电(Biogas Digestion): 这是最常见也相对成熟的一种方式。把动物粪便、农作物残渣、厨余垃圾等有机物,丢进一个密闭的厌氧发酵罐里。在没有氧气的环境下,微生物就会辛勤工作,把这些有机物分解成沼气。这个沼气主要成分是甲烷,和我们家里的天然气差不多,可以直接燃烧发电,或者提纯后作为燃料使用。
详细点说呢, 这个过程有点像大自然在悄悄地帮你处理垃圾,只不过我们给它创造了一个更高效的“发酵室”。一旦发酵完成,你得到的不仅是“干净”的产物(可以作为优质肥料),还有能驱动发电机运转的沼气。想想看,牛棚里挤出来的牛粪,经过一番“魔法”,就能点亮家里的灯泡,这简直是变废为宝的典范!很多农场、养殖场都在实践这个,既解决了粪污处理问题,又有了稳定的能源来源。

人类排泄物发电: 别急着捂鼻子!技术上,人类的排泄物同样可以被用来产生沼气。一些研究项目和试点工程已经在尝试利用污水处理厂的污泥来发电。虽然大规模应用还有待推广,但潜力巨大。
如果细致描述的话, 污水处理厂其实是一个巨大的“生物反应器”网络。其中的厌氧消化环节,就是让微生物吞噬污泥中的有机物,产生沼气。这些沼气可以通过管道输送到发电机组进行发电。所以,下次你去洗手间,不妨想一下,你在这里的一举一动,也许就是未来某个小发电厂的燃料来源呢!这听起来是不是有点科幻?

2. “行走”的能量收集:脚下的秘密能量宝藏

我们每天都在走路、跑步、跳跃,这些看似微不足道的动作,其实都在浪费着能量。有没有一种方式,能把这些“散失”的动能收集起来,变成电呢?

压电效应地板/楼梯: 压电材料在受到压力时会产生电荷。科学家们就把这种材料嵌入地板或者楼梯的踏板里。当你踩上去,或者有人走过,材料就会被压缩,产生微小的电流。
具体是怎么实现的呢? 想象一下,你的地板下埋藏着无数微小的“弹簧”和“电线”的结合体。每当你走过,你的体重就会压迫这些压电元件,就像挤压一个微型电池一样,瞬间产生一点点电。虽然单次产生的电量非常小,但是在一个高人流的场所,比如火车站、商场、演唱会现场,无数脚步汇集起来的能量,就能点亮LED灯、驱动信息显示屏,甚至给手机充电!有些地方甚至研发了能够收集跑步机动能发电的装置。是不是觉得每次跑步都在为城市供电?

动能收集装置(Kinetic Energy Harvesters): 除了压电效应,还有一些装置通过机械运动来发电。比如,一些可穿戴设备里的小型发电机,会利用人体运动时的摇摆和振动来发电。
如果想更深入地了解, 就像一个微型的风力发电机,只不过它的“风”是来自你身体的晃动。这些小装置通常会包含一个质量块(比如一个小金属球)和一个线圈。当你运动时,质量块会在线圈内晃动,根据电磁感应原理,就会产生电流。虽然它可能无法为你家电视供电,但给你的智能手表、健身追踪器等低功耗设备充个电,那是绰绰有余的。

3. “汗水”的能量挖掘:从身体本源汲取电力

人体本身就是一个能量的“小宇宙”,除了运动产生的动能,我们身体里还有很多化学能和热能。

汗液发电(Sweatpowered Batteries): 有研究者开发了一种穿戴在身上的装置,能够利用汗液中的化学物质和电解质来发电。汗液通过一个特殊的传感器,在特定化学反应下产生电。
这个技术有多奇特呢? 想象一下,在你手腕上戴一个“能量手环”,当你出汗时,它就会开始默默地给你佩戴的设备充电。这个装置内部可能有一个微流控通道,让汗液流过其中含有特定催化剂的电极。汗液中的乳酸、尿素等成分会参与电化学反应,释放出电子,形成电流。虽然目前还处于实验室阶段,但如果能大规模应用,你就可以告别充电线,靠出一身汗就能随时随地给手机续命了!

体温发电(Thermoelectric Generators): 利用人体皮肤与环境的温差来发电。人体会散发热量,而当周围环境温度低于体温时,就可以利用温差发电。
原理简单来说就是, 就像小型的温差发电器。这些装置通常由两种不同的半导体材料组成,当它们的两端存在温度差异时,就会产生电压。穿戴在身上的设备,能够有效地利用体温和环境的温差来产生微弱的电流,为一些小型传感器或电子设备供电。你可以理解为,你的身体变成了一个活动的“热电站”。

4. “情绪”的能量转换:把心情变成电力?

这听起来最像科幻小说里的情节,但确实有科学家在探索如何利用我们的情绪状态来产生电力。

情感能量收集(Emotional Energy Harvesting): 一些研究者正在探索利用生物反馈和脑电波信号来发电。比如,通过检测人在专注、放松或兴奋等不同情绪状态下的脑电波变化,将这些信号转化为电能。
这个脑洞有多大呢? 想象一下,一个戴着头环的人,在他特别专注地思考问题时,头环上的一个小灯就会亮起来,表示他正在为这个小设备供电。这种技术通常涉及到将脑电波信号放大并转换为可用的电能。虽然目前的效率非常低,主要还停留在概念和实验阶段,但它打开了一个新的想象空间:我们的思维和情绪,是否也可能成为一种潜在的能量来源?

5. “自然界”的奇特馈赠:从意想不到的地方汲取能量

除了我们自身产生的能量,自然界还有许多被忽视的能量源,等待着被发掘。

雨水发电(Rainfallpowered Generators): 有些创新的装置设计,可以收集雨水滴落时的动能或势能来发电。比如,利用雨滴冲击涡轮叶片或者通过水流驱动微型发电机。
你可以想象一下, 在你家屋顶上安装一个特别的收集装置,下雨的时候,雨滴落下撞击到装置上的微型涡轮,就像小小的水力发电一样,产生微弱的电流。或者,将雨水收集起来,然后让它通过一个微型的水轮机,同样可以发电。这不仅能给一些户外传感器供电,甚至可以作为一种补充能源。

植物发电(Plantbased Electricity): 通过植物进行光合作用产生的能量来发电。这通常涉及到利用植物根系分泌物或者在植物体内植入电极,捕捉植物在生长过程中产生的生物电。
这听起来太神奇了! 科学家们发现,植物在进行光合作用和呼吸作用时,会产生一些电子和质子。通过在植物周围或者根系中植入特殊的电极,就可以捕捉到这些微小的电荷,并将其转化为电流。虽然发电量非常有限,但想象一下,把你的盆栽变成一个微型发电站,给你的小台灯供电,是不是很有趣?而且,这种方式对环境非常友好,是真正的绿色能源。

这些奇葩的发电方式,虽然有些还处于早期探索阶段,但它们无不展现着人类的智慧和对能源的无限追求。它们告诉我们,能源并非只存在于高耸的风力发电机和广袤的太阳能板之中,也许就在我们身边最不起眼的角落,等待着被我们温柔地唤醒。下次当你出行或者进行日常活动时,不妨多留意一下,你脚下踩过的地面、你流过的汗水,甚至是空气中流动的微风,它们都可能是一个正在默默工作的“发电机”呢!生活本身,就是一座巨大的能量宝库。

网友意见

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海洋温差发电

大家都知道,表层海水和几百米以下底层海水的温度是不同的,可以达到20度的温差。那么如何利用这仅有的20度温差来发电呢?下面是海洋温差发电的原理图。

简单地说,就是利用表层海水和底层海水的温差,来气化和冷凝低沸点的工作流体(如:氨,氟利昂等),从而推动涡轮发电机发电。

更详细信息,可以参考知友 @大浩山 的回答,他应该是我国这一领域的研究人员,强烈建议感兴趣的小伙伴阅读他的回答。

根据公开的信息,我国在这一领域的进展如下:

  1. 10千瓦海洋温差发电系统已经建成,并在2017年2月到11月间,连续无故障运行超过1000小时,发电功率7.5千瓦,验证了系统的稳定性和可靠性,标志着我国掌握了一定的海洋温差能发电系统调试运行经验[1]
  2. 今年早些时候,15千瓦温差能发电装置研究及试验项目通过验收,我国成世界第三个独立掌握温差能发电技术国家,[2]此前世界上只有美国和日本两个国家独立掌握海洋温差能发电技术。

地热能双循环发电站

地热能发电的历史不短,但地热能双循环发电站属于地热发电中较新的一支。不同于早些时候的地热蒸汽发电站,其对地热温度要求不高。原理与上面的温差发电站类似,也是通过低沸点工作流体来“吸收能量”,从而推动发电机。

显然,这一技术的成熟,非常有利于对我国中低温地热的开发和利用[3]

以我国为例,高温地热田仅约150处,多集中分布在地中海一喜马拉雅地热带一线和环太平洋地热带一线(台湾地区),而剩余广大的国土面积蕴含的地热源多属于中低温地热源。
截至2005年,全球双循环地热发电总装机容量已达685MW,占全球地热发电总装机容量的8%,共有机组192台,占全球机组总数(469台)的41%。

我国在这方面的技术虽然还有待发展,但绝没有停下脚步:

我国于70年代初至80年代中期,在全国各地陆续建成地热双循环发电实验性机组多台,对地热双循环发电做出了初步尝试,但由于地热资源(水温偏低)的限制或是技术上的不完善,这些电站陆续停产或是拆除。
93年至03年10年间,我国没有新建地热电站,地热研究普遍集中于高温地热资源,中低温地热发电技术研究处于摸索阶段。杨嘉样等人进行了可适用于地热源的低温余热发电小型设备实物化,刘齐寿、郑丹星和金红光等研究人员陆续提出一些以氨水混合物为工质、基于卡林纳循环的复合循环,并对这些循环进行了模拟计算和分析,结果显示此类循环普遍拥有较好的应用前景。

温差发电机/温差电池

这里的“温差发电”不同于上面的“海水温差发电”,是通过热电材料的“热电效应”来实现的。原理简单来说,就是通过热电材料将温差转换为电压

目前这一效应大都用于温度测量仪,可以找到的其他相关产品,只有一款“自动搅拌杯”。想必生产商还未能达到足够的技术水平,否则设计一个USB电源接口,分分钟变身“热水杯移动充”。

央视《走近科学》20180908期专门介绍这一技术。视频中,来自中科院金属研究所的邰凯平博士,向记者展示并介绍了其制作的“温差发电机”。这一技术不同于传统发电,通过热能转化机械能,再转化为电能,而是直接由热能转化为电能。我截选了视频的一部分,放在下方供知友参考。

走近科学:温差发电机 https://www.zhihu.com/video/1126356679998222336

当然,严格来讲,目前这还只是一个“节能”技术,而非“发电”技术。比如说实现火电厂冷却塔中的热能再利用;也可以和电容器,比如锂电池联用,做到随时收集能量。

想象一下,以后泡面的时候,掏出一个“温差发电泡面杯”,在泡面的同时,还能给手机充下电,再来一瓶肥宅快乐水,好生的惬意。


最后,为我国的科研人员点个赞!是他们一直以来默默无闻地,推动着我国科学技术的发展和进步。

参考

  1. ^第六届中国海洋能发展年会暨论坛 https://www.shangyexinzhi.com/Article/details/id-66117/
  2. ^我国成世界第三个独立掌握温差能发电技术国家 http://www.b2c158.org/yuancai/20190110/13551.html
  3. ^中低温地热双循环发电技术发展与应用 http://drfd.hbddrn.com/a/fdjs/1249.html
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20190626原回答:

看了一圈,好像没有提到浓差发电的,其实有点类似于高赞提到的温差发电,就是两边的东西哪怕一模一样,但是只要有能量差,比如温度,比如浓度……就都可以用来发电~

生活中特别常见的浓差电池场景就是铁丝网的锈蚀,由于网结处氧气浓度比其他部位低,所以会造成网结处吸氧腐蚀加速,也就是我们常看到铁丝网最先被腐蚀的一般都是网结处~

这个东西有一类叫盐差电池,很多人设想过这样的场景,海水盐浓度高,淡水盐浓度低,所以河流在入海口建一个电站,一边电极戳河里,一边电极戳海里,就可以直接发电了,具体的内容回头用电脑补上,手机打字不太方便~有兴趣的同学可以先搜索引擎搜搜“盐差发电


20190626晚:

沃德玛雅,真的是受宠若惊,第一次涨赞这么快,首先谢谢大家~~~

实话说,我也好几年没接触电化学的知识了,以前的书和课件都不在身边,晚上翻了半天,翻到一个研一的课件,先传上来吧~

评论区有位朋友关于我前面举的铁丝网腐蚀的例子和我争论了很久 @雨过添清 ,或许这个例子举得不是很恰当吧,不过我想表达的意思就是常理下,根据能斯特方程,应该是氧浓度越高,吸氧腐蚀越快,但是当存在氧浓度梯度的时候,各点电极电势存在差异,就会在氧浓度低的地方优先腐蚀。

然后刚又琢磨了一下,似乎氧浓差腐蚀这个和浓差电池也不太一样,浓差电池这个某度百科上面能看到,放个链接吧,我就不复制粘贴了,意义也不大~

简单来说,就是只通过电池两侧某种气体、某种溶质等等的浓度不同,就能造成不同的电极电势,连接起来就又电势差(电压),能当电池用,也就是能发出电来。而不需要两个半反应像我们平时看到的那种,是由一个完整化学反应方程拆开实现的,比如锌和铜放在硫酸里面,Zn + 2H(+)=Zn(2+) + H2,这个原电池分别是由锌单质被氧化成锌离子和氢离子被还原成氢气两个半反应组成。

当时我学这块的时候也是逐渐懵逼的状态,开头跟我说,必须氧化还原反应才能做成原电池,后来发现,随便一个什么反应就能做成原电池,后来又告诉我,没有化学反应也能做成电池……

具体到盐差发电这个,大家随便一查,应该就能查到很多信息,我也是随便一搜就看到了不少,同样,也不复制粘贴了,直接给大家放链接吧~随手bing看到的一个某度文库,大概看了一下,ppt好像还可以,没有什么硬伤~

确实是受限于精力有限,能力有限,可能就不能给这个回答贡献太多有价值的东西了,之前回答过一个关于基础物理化学的知识,后来被人啪啪打脸,搞的非常尴尬,最后为了避免误导大家,直接删了答案……感觉愧对还没得到的物理化学博士学位(难过.jpg),所以这次我就不对自己不是非常懂的东西说太多了~不过欢迎大家交流~

哦,对,突然想起来一个,算是为自己挖个坑吧,还有一个奇葩的发电方式,叫废热发电技术,大家也可以了解一下,我刚随手又搜了一下,ok,就先这样吧……


20190627晚:

调整了一下顺序,还是按时间顺序来吧~~看起来舒服点~

真心好激动,感觉自己要成知乎网红了!

20190629晚:

沃德玛雅!!!我居然被圆桌收录了,最近实在是有点忙,回头搜集点资料,再补充点吧~混迹知乎这么多年,一直都透明,第一次有了存在感

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