Podemos gerar eletricidade a partir da chuva?

Existem muitas maneiras únicas pelas quais podemos gerar energia a partir das chuvas. Seja armazenando a água da chuva em alturas para a operação de turbinas ou usando-a diretamente para piezoeletricidade, a tecnologia moderna tornou praticamente possível qualquer coisa.Alguma vez você já olhou para a chuva caindo e se perguntou sobre o potencial inexplorado nessas pequenas gotas de água? Bem, se você tem, então você tem uma boa mente para ciência e física. Pesquisadores em todo o mundo estão atualmente investigando a viabilidade do uso de chuvas como fonte de energia e já fizeram muito progresso nesta área cada vez mais importante.

Quanta energia as gotas de chuva possuem?

A água em uma nuvem possui energia potencial como uma virtude de sua altura. A energia potencial gravitacional de um objeto pode ser medida multiplicando sua altura (em relação à superfície da Terra) por seu peso e a constante gravitacional (9,8 m / s 2 ). Vamos ver isso de uma maneira mais direta.

Suponha que sua cidade receba 100cm de chuva anualmente (a precipitação média anual nos EUA é de cerca de 77 cm – relatório climático ) e sua casa tem um teto de cerca de 200 m 2 (tamanho padrão). Isso equivale a cerca de 20 m 3 ou 20 kg de água. Considerando que as gotas de chuva vêm de nuvens de estratos, a cerca de 2000 m de altitude, isso equivale a cerca de 400 MJ ou 111 kWh de energia potencial perdida. O número parece pequeno, mas quando considerado em uma área de cerca de 1 km 2 , a quantidade de energia “caindo” seria suficiente para alimentar cerca de 1000 casas.

Qual é a fonte suprema dessa energia?

Assim como a maioria das outras fontes de energia em nosso planeta, a chuva deriva sua energia do sol. O Sol é a bomba final que alimenta todas as formas de vida e recursos. Na superfície da Terra, a densidade de energia do Sol é de cerca de 1.000 W / m 2 . Para colocar isso em perspectiva, se toda a energia solar irradiada da superfície da Terra no Texas sozinho poderia ser convertida em eletricidade, a energia gerada seria equivalente a 300 vezes a potência total produzido por todas as usinas do mundo!

Uma parte importante da radiação solar que atinge nosso planeta é usada para evaporar a água dos oceanos, mares e rios. A diferença de temperatura criada na atmosfera, novamente devido a diferentes partes da atmosfera absorvendo diferentes quantidades de calor solar, atua como uma bomba e puxa a água evaporada, enchendo-a de energia potencial no processo.

Energia de armazenamento de chuvas

As usinas hidrelétricas geram cerca de 6,5% da eletricidade consumida nos Estados Unidos. Esse número sobe para 13,5% para a Índia. A hidroeletricidade é a forma mais limpa de energia em torno e produzir é bastante simples. A água caindo de uma altura adequada para uma turbina a movimenta. A turbina é conectada a um dínamo, que converte a energia mecânica em eletricidade.

Usando um método semelhante ao usado em usinas hidrelétricas, cientistas descobriram que um grande reservatório colocado acima do solo poderia usar essa água em queda para alimentar turbinas. Este método seria altamente eficaz em estações chuvosas, quando um fornecimento relativamente contínuo de água está disponível.

Aproveitando a energia cinética da chuva

Qualquer objeto que viaje em alguma velocidade possui energia cinética. O mesmo é verdade para os pingos de chuva. Uma grande gota de chuva, com cerca de um quarto de polegada de diâmetro, tem uma velocidade terminal de queda de cerca de 20 quilômetros por hora ou cerca de 10 metros por segundo. Uma pesquisa recente sugeriu que a energia cinética das gotas de chuva pode ser aproveitada usando certos materiais, como o PVDF (fluoreto de polivinilideno), que possui propriedades piezelétricas .

O que são materiais piezelétricos?

Piezo é grego para ” espremer ou pressionar “. Portanto, os materiais piezoelétricos são aqueles que geram tensão elétrica (ou eletricidade) em resposta ao estresse mecânico aplicado. Materiais demonstrando um efeito piezoelétrico também demonstram o efeito oposto, chamado efeito piezelétrico inverso. Isso significa que, com a aplicação de uma carga elétrica, elas se deformam. Estes materiais podem ser cristalinos, cerâmicos ou mesmo biológicos, como ossos e proteínas.

Piezoelétricos são materiais cristalinos padrão com estruturas assimétricas. Ainda assim, eles são eletricamente neutros, já que as cargas positivas presentes são iguais às cargas negativas, e elas se equilibram mutuamente. No entanto, quando esses materiais são espremidos, sua estrutura é deformada, empurrando alguns átomos para mais perto e outros separados. Isso perturba o equilíbrio de carga positiva e negativa, criando assim um potencial elétrico. O quartzo é um dos materiais piezoelétricos mais comuns em volta, e pequenos cristais de quartzo são usados ​​para manter o tempo em relógios e aparelhos eletrônicos, como laptops.

Como as piezoelétricas convertem as chuvas em eletricidade?

As vibrações causadas por gotículas de água que caem em materiais piezelétricos geram pressão. Essa pressão resultará em um soluço inelástico (diferença de potencial) acima da superfície do material piezelétrico, como o titanato de zirconato de chumbo (PZT), convertendo a energia mecânica das gotas de chuva em energia elétrica.

Os materiais piezoelétricos são especificamente úteis para coletar e armazenar pequenas cargas elétricas, como aquelas produzidas por instrumentos elétricos ou, no nosso caso, gotas de água caindo. Por este ponto, você pode estar se perguntando… se aproveitar a energia das chuvas é fácil, porque não está sendo usada com mais frequência? Bem, aqui está o porquê.

Problemas com a energia da chuva

O primeiro problema é a taxa de conversão. Dispositivos piezoelétricos podem extrair apenas cerca de 12 miliwatts de potência de uma gota de chuva. Isso é menos do que 0,001 kWh por metro quadrado – basicamente o suficiente para alimentar um sensor remoto. Além disso, esses dispositivos são muito caros e exigem manutenção regular.

Os painéis solares são muito mais eficientes do que todos os métodos mencionados acima. Para combinar a eficiência das células solares, precisaríamos construir reservatórios a uma altura de 1 km ou mais! Construir um contêiner que seja alto do chão não é economicamente viável, especialmente quando comparado ao custo de cobrir a mesma área em células fotovoltaicas.

Uma palavra final

Materiais recentemente desenvolvidos, como as células solares de grafeno, capazes de gerar uma corrente elétrica através da quebra de sais na chuva, sugerem que há mais de uma maneira de utilizar o potencial da água da chuva. E com a nova tecnologia se desenvolvendo a cada dia, o uso comercial da energia da chuva não parece muito distante.

Em termos do poder que está sendo produzido, os pingos de chuva provavelmente nunca serão capazes de competir com uma usina hidrelétrica ou células solares. No entanto, eles têm uma grande vantagem – eles são gratuitos. E quem sabe, com a nossa tecnologia em constante evolução, a geração de energia limpa poderá em breve ser tão simples quanto dar um passeio na chuva da primavera!

Referências:

1. ResearchGate
2. Phys.Org
3. Universidade de Stanford
4. O sistema da Universidade do Tennessee