北京納米能源所發(fā)表藍色能源新技術研究述評

　　海洋是孕育人類的搖籃，也蘊藏著巨大的能量，理論上，海洋完全可以滿足地球上所有的能源需求，并且不會對大氣造成任何污染，是一種可持續(xù)永久解決世界能源需求的途徑。目前，中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林團隊正在致力于研究一種基于摩擦納米發(fā)電技術的穩(wěn)定實用的波浪能發(fā)電網(wǎng)絡裝置，該技術難題一旦攻破，將引發(fā)一場海浪發(fā)電技術革命，加快我國海洋新能源開發(fā)速度，對保障能源安全、環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展有重大里程碑性貢獻。這種“藍色能源”技術是王中林2014年首次提出的。近日，他對國內(nèi)外已有波浪能發(fā)電裝置的發(fā)展和特點進行了分析，總結了摩擦納米發(fā)電用于波浪能收集的技術和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，指出了波浪能摩擦發(fā)電的關鍵問題和未來發(fā)展趨勢，相關研究成果以述評的形式發(fā)表于2月9日最新一期的《自然》（DOI:10.1038/542159a）。

　　藍色能源與傳統(tǒng)綠色能源相比，擁有地理分布上的優(yōu)勢，海洋覆蓋了地球70%的表面，全球約44%的人口都居住在距海岸線150千米的范圍內(nèi)，人類向大海索取資源已成為必然的趨勢。海洋波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能，分成風浪、涌浪和近岸浪三種，具有能量密度高、分布面廣等優(yōu)點，據(jù)估計地球上海浪中蘊藏著的能量相當于90萬億千瓦時的電能?，F(xiàn)今波浪能的利用形式是將大面積的波浪能加以吸收，并集中轉換成機械能，再帶動電磁發(fā)電機運轉發(fā)電。作為目前世界上發(fā)展勢頭最快的海洋能源利用形式，美國、日本、英國、西班牙、瑞典、丹麥等海洋大國均十分重視波浪能研究，相繼在海上建立了波浪發(fā)電裝置，然而普遍存在發(fā)電功率小、發(fā)電不穩(wěn)定、轉換效率不高等缺陷，特別是在小浪時，捕獲波浪能效率不高。

　　利用海洋能發(fā)電這一重要研究領域一直進展緩慢，海洋波力發(fā)電開發(fā)之艱辛，困難重重，究其原因主要是已研制的波能量收集器是基于法拉第電磁感應定律的傳統(tǒng)電磁發(fā)電機，其輸出電壓、電流都與機械能頻率成正比，進而輸出功率與機械能頻率的平方成正比，故需穩(wěn)定且較高的工作頻率（>10Hz）才能獲得高效的輸出，但海洋中的波浪、潮汐和洋流等，其運動頻率均較低（0.1~2Hz），且海浪變幻無常，運動無規(guī)律，而這些磁鐵和線圈只能采集水流的能量，方向性比較單一，而且這些裝置必須安裝在海邊，不但影響景觀而且收集效率非常低，并且無法收集深水區(qū)的能量，極大地制約了它的實際應用價值。同時，這種龐大而沉重的設備，制造成本高昂，使海洋能成為地球上最昂貴的一種能源形式。相比之下，2012年王中林首次發(fā)明的摩擦納米發(fā)電機，在一個較寬的頻率范圍內(nèi)，輸出電流與機械能頻率成正比，對于頻率低于5Hz的海浪波動，摩擦納米發(fā)電機的輸出效率遠高于電磁發(fā)電機，非常適用于收集藍色能源，在緩慢流動和隨機方向的波流條件下能夠穩(wěn)定輸出功率。

　　王中林從新興的利用人體運動攝取能量的技術中汲取靈感，使之應用于海洋水波發(fā)電。他領導的北京納米能源所正在開發(fā)這樣的設備，從心跳驅動的醫(yī)用傳感器到腳踏式摩擦地毯發(fā)電照明，從衛(wèi)生保健到安全監(jiān)測，從穿戴式和柔然紡織電子系統(tǒng)到環(huán)境的治理，摩擦納米發(fā)電的各項創(chuàng)新應用正在越來越多地嵌入我們?nèi)粘５纳a(chǎn)生活之中。摩擦納米發(fā)電機轉化效率高，可將50%的能量從動能轉化成電能，它是利用兩種不同材料接觸所產(chǎn)生的表面靜電荷導致的隨時間變化的電場來驅動電子的流動。制作這種大型網(wǎng)絡的納米發(fā)電機由眾多摩擦發(fā)電球構成（見圖），采用傳統(tǒng)材料，價格低廉，如聚四氟乙烯、橡膠、聚全氟乙丙烯等，適用于大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)化。這種采集波浪能的納米發(fā)電球在海水中浮動，其中一種電介質(zhì)材料制成的球在另一個球體內(nèi)滾動產(chǎn)生摩擦電荷。它可以高效靈敏地回收海洋中的動能資源，包括水的上下浮動、海浪、海流、海水的拍打。當海波帶動其中的小球每秒晃動兩至三次，即可產(chǎn)生大約1到10毫瓦的功率。這種發(fā)電網(wǎng)可以分布在遠離海岸和航道的深水區(qū)，不會影響在近海邊人們的生活和享樂等活動。理論測算，對于像山東省面積大小的這樣一片海域，如果在10米深的水中布滿這種發(fā)電的網(wǎng)格，其發(fā)出的電量可滿足全世界的能源需求。如果這個藍色能源夢得以實現(xiàn)，世界的能源格局都會發(fā)生根本的改變，人們依賴于石油和煤炭的化石能源就會變成歷史。

　　當前，藍色能量還處于實驗室早期研發(fā)階段，要想實現(xiàn)長時間可靠運行，還有許多關鍵技術問題有待解決，在水動力性能理論研究、模型試驗、納米發(fā)電結構設計等方面要進行大量的工作，并積累實踐經(jīng)驗。如研究提高納米發(fā)電材料的耐久性與抗腐蝕性；研究布線結構和傳輸?shù)钟L暴及惡劣環(huán)境。同時要考慮規(guī)劃藍色能源發(fā)電網(wǎng)位置和大小，盡量減少對航運、海洋生物與生態(tài)的影響。海洋藍色能源發(fā)電是一項系統(tǒng)工程，設立一個致力于藍色能源的研究機構將大大加快發(fā)展這種清潔、可持續(xù)的能源技術的進程，同時，需要政府專項資金、政策支持和私人投資者、主要能源公司予以前期資金投入，在未實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)之前，先行開發(fā)建設一批小型分布式波浪能發(fā)電或海島微電網(wǎng)。

　　依托海洋技術，實施“藍色能源”戰(zhàn)略，既可節(jié)約常規(guī)能源，減輕環(huán)境污染，又能改善能源結構，這種“藍色能源”有著巨大的優(yōu)越性，終將超越“綠色能源”，成為比太陽能板和風力渦輪機更便宜、更可靠、更穩(wěn)定、不依賴于天氣與晝夜變化的可持續(xù)能源，同時可與其它可再生能源發(fā)電混合補充，保證入網(wǎng)能源的總量供給。藍色能源和摩擦納米發(fā)電機是王中林團隊原創(chuàng)的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明，他們十五年來一直專注于微納能源，這種納米能源也可以影響到大能源。如果藍色能源夢想得以實現(xiàn)，將造福千秋萬代。

　　藍色能源夢想是網(wǎng)狀聯(lián)結數(shù)以百萬計的可捕獲低頻海波能量的摩擦納米發(fā)電機。插圖是網(wǎng)絡狀虛擬結構圖。右上角是設計的球形納米發(fā)電機。