如何用波浪發電？中科院院士王中林暢談藍色能源夢

知識 03-07

原文以Catch wave power in floating nets為標題

發布在2017年2月8日的《自然》評論版塊上

原文作者：王中林，中國科學院院士

，中國科學院北京納米能源與系統研究所所長

王中林提出了一種與眾不同的海洋可再生能源採集方法：納米發電機網。

自然提供了三種免費的能量來源：陽光、空氣和引力。人類對太陽能和風電的利用越來越多，但對引力的利用卻相對較少。水電廠從流動的河流中採集能量。一些水灣和海岸可以採集潮汐能。但適合建造大壩的地點並不多，大壩還有可能會破壞環境。

相比較而言，海洋約佔地球表面積的70%。無論天氣如何、是白天還是黑夜，波能都充盈豐富。採集波能不僅佔地小，安全或保障方面的隱患也較少。但人們目前幾乎沒有將這種「藍色能源」利用起來。現在的波浪發電場功率在1-10兆瓦左右，只夠為一個小鎮供電。商業性的波浪發電場尚不存在。

原因主要在技術方面。當前的波能採集器以大重型電磁發電機為基礎，這種發電機由推進器、磁體和金屬線圈組成。要在海底建造支撐電磁體的塔台，或將電磁體固定在海床上，不僅費用高昂，在技術上也有難度。可以將水面浮子和海底的泵體連在一起，驅動岸上的發電機，但深水或大洋中無法使用這種方法。更重要的是，波浪中存在慢流，還會在各個方向上振蕩，電磁發電機在這種條件下表現不佳。

我們需要以截然不同的方式來利用波能發電。我認為，我們應該從採集人體運動所產生的能量的新興技術中汲取靈感：人體運動和波浪類似，速度都相對較慢。

波浪蘊含的能量足以滿足全球的電力需求。

Josh Humbert/NGC

我的研究小組正在開發這樣的設備。它們包括心跳驅動的醫用感測器，以及可以發電用於照明、醫療保健和安防的墊子等等。它們利用的是一些材料相互摩擦時產生的靜電，比如塑料梳子划過羊毛時的靜電。我們已經發現，採集摩擦產生的電流比利用其它方法（比如受壓時產生電流的壓電材料）更有效、更便宜。

我認為，放大並增加類似的基於運動的設備，就能在十年內改變波能的採集狀況。我的藍色能源夢才剛開始；在提出這個設想時，我就知道還有許多技術障礙需要克服。這些障礙包括：提升發電機材料和發電機設計的效率與耐用性；將發電機連接到可在大洋中運行的大型網路；採集電力，並將其輸送到陸地上。

能源網

當導電性能差的材料——紙、玻璃和塑料——相互摩擦時，它們的表面會產生靜電荷。這種「摩擦電」可利用電極實現轉移。來回摩擦兩塊電介質材料（表面可分別攜帶相反的電荷）就能使電流流動。

從2011年開始，我們就在利用這一原理製造「摩擦電納米發電機」，大小從幾毫米到幾米不等，可用於照明和手機充電等一系列用途。它們和電磁發電機一樣有效，能夠將運動產生的50%的機械能轉化為電力。壓電方法的轉化率僅為10%左右。

為了採集波能，納米發電機需要和水密浮子整合在一起。我們製作了橙子大小的球型浮子，用兩種不同類型的電介質材料製成了一個球體和一個空心球，球體在空心球里滾動，併產生電荷（參見「藍色能源夢」）。球體部分充氣，以確保它能浮在水上。

Claire Welsh/Nature

納米發電機的製造方法十分簡單。它們使用的是便宜的傳統材料，如聚四氟乙烯、橡膠、聚二甲硅氧烷、硅、氟化乙烯丙烯、聚醯亞胺薄膜和金屬箔（鋁、銅或鋼鐵）。在海上的密封裝置單元中，這些材料應能維持10年，之後則需要回收循環，以避免增加海洋污染。

發電取決於納米發電機隨波運動的速度快慢，與方向無關。如果每秒振動2-3次，每個單元可以產生1-10毫瓦左右的少量電力，並可通過電纜將許多設備連接起來增加發電量。截至目前，我們已經在逾4平米範圍內連接了400個納米發電機，證明了這一概念的可行性。現在，我們正在努力進一步拓展這一概念。

我認為，即使在小規模上，摩擦電納米發電機網也能為本地發電廠或電網貢獻可觀的電力。理論上，在1立方米的空間內，以10厘米為間隔分布的1000個設備能點亮一個燈泡。1平方千米將可以為一座小鎮供應足夠的電力。在面積相當於美國喬治亞州大小的範圍內，以10厘米為間隔、水下延伸10米布置3D納米發電機網路，就有望滿足當今的全球能源消費需求。

通過這種方式發出的電需要通過電纜傳輸至陸地，或者在浮式平台上就地利用。這種電力或可用於裂解水分子，生產氫燃料，或用於淡化海水和清除污染物，也可用於為照明或導航系統供電。在可再生能源聯合發電廠中，納米發電機網可與太陽能板和風力渦輪機安裝在一起（參見「藍色能源夢」）。

技術挑戰

要大規模應用這種技術還存在困難，但我認為大部分困難都是可以克服的。

主要的限制或許將是納米發電機的耐用性。製造納米發電機所採用的有機材料會在鹹水和陽光的作用下降解。如果球體進水，設備就會停止運轉，因此可能需要新型的防水材料（比如用於製造水下電纜的高粘物料）來填充縫隙和連接處。線纜必須足夠強韌，以抵禦風暴。

另外，還需要對藍色能源網的位置和大小慎加考慮，以最大程度地減少對公眾、海洋生物和航運的干擾。將電網置於遠離航線和海岸的深海區域能防止它們干擾人們的生計和休閑活動。但這樣一來，要將電力從如此遙遠的位置傳輸至陸地就變得困難了。這些能源網可能需要和島嶼或水下山體固定在一起，以避免被沖刷或吹走，而且還不能困住魚類或其它海洋生物。

這種大型納米發電機網在實踐中的可行性尚未可知。它們能與現有的發電廠、以及發展了幾十年的太陽能技術和風電技術一較高下嗎？由於太陽能發電廠和風電場的發電量在晝夜間或不同的天氣條件下會有波動，我認為人類在未來將會需要多種能源生產方式。發展中國家也需要滿足他們日益增長的能源需求。便宜持久的藍色能源或可成為一個卓有價值的選項。

夢想成真

開發納米發電機需要來自不同學科、產學兩界的實驗室共同開展研究。我們需要材料科學家設計強韌的材料，包括能夠有效產生電荷的材料。機械工程師需要為藍色能源網在海洋中的行為展開建模和優化，電力工程師則需要開發管理和運輸電力的最佳方式。環境科學家和海洋生物學家需要評估這些能源網的環境影響。成立一個專註於藍色能源的研究機構能加速這種清潔可持續技術的發展。

在技術開發的第一階段，政府需要提供5000萬-1億美元的支持。私人投資者和大型能源公司可以在展示和測試階段提供資助。開發小型試點網路是不可或缺的，或許可以將波能電網作為島嶼、小型發電廠或村莊的分布式電力來源。這其中蘊含著豐富的商機，包括材料供應、電力管理技術，到末端的污染物清理或水裂解等等。我希望在充分的投資和技術支持下，藍色能源網終有一天能比太陽能板或風力渦輪機更便宜。

Nature|doi

10.1038/542159a

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人們一直在嘗試尋找新的各種規模的電源。瑞士科學家的研究得到了一種納米級的二硫化鉬晶體滲透能發電機。

點擊此處閱讀：Nature16年8月11日刊摘錄：滲透能發電機

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