利用浮動網採集波浪能

波浪蘊含的能量足以滿足全球的電力需求

● 王中林提出了一種截然不同的方法，即利用納米發電機網路從海洋中採集可再生能源。

大自然提供了3種免費的能源：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。水力發電廠從流動的河流中採集能量，而一些水灣和海岸則可以採集潮汐能，但適合建造大壩或攔河壩的地方並不多，而且它們還有可能會破壞環境。

相比之下，海洋覆蓋了地球表面的70%。無論白天還是黑夜，也無論天氣狀況如何，波浪能都充盈豐富。採集波浪能所需空間較小，而且安全或保障方面的隱患也較少。然而，人們目前幾乎沒有將這種「藍色能源」利用起來。目前波浪發電場一次發出的電力在1～10兆瓦，只夠為一個小鎮供電。商業性的波浪發電場尚不存在。

這主要受制於技術方面的原因。當前的波浪能採集器以大型和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，技術上也有難度。岸上的發電機可以通過將水面浮子和海底泵體拴在一起進行驅動，但在深水或公海中無法使用這種方法。更為重要的是，波浪中不僅存在慢流，還會在隨機方向振蕩，電磁發電機在這類條件下發電效果不佳。

我們必須用截然不同的方式採集波浪能。我相信我們應該從新興的利用人體運動攝取能量的技術中汲取靈感：波浪和人體運動相似，速度都相對較慢。

我們的研究小組正在開發這類設備，包括心跳驅動的醫用感測器以及可以發電用於照明、醫療保健和安全監測的腳踏式摩擦地毯等。它們利用的是一些材料相互摩擦時產生的靜電荷，比如塑料梳子划過羊毛時產生的靜電荷。我們已經發現，採集摩擦產生的電流比利用其他方法（比如受壓時產生電流的壓電材料）更高效、更經濟。

我認為，擴大並增加類似的基於運動的設備規模，就能夠在10年內改變波浪能的採集狀況。我的藍色能源夢想才剛剛起步。在提出這一設想時，我就知道還有許多技術障礙需要克服，其中包括：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公海中運行的大型網路以採集電力並將其輸送至陸地。

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」，大小從數毫米到數米不等，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高效，能夠將運動產生的機械能中的50%轉化為電能，而壓電方法的轉化率僅為10%左右。

要採集波浪能，必須將納米發電機與水密浮子整合在一起。我們製作了橙子大小的摩擦發電球，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，併產生摩擦電荷（參見上圖「藍色能源夢」），球體部分充氣，可以確保它能浮起來。

納米發電機的製造方法十分簡單。它們使用的是價格低廉的傳統材料，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）。這些材料被放置在海上的密封裝置單元中，使用壽命達10年之久，但之後必須將其回收並循環利用，以避免增加海洋污染。

發電取決於納米發電機隨波浪運動的速度，但與方向無關。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。許多設備都可以與電纜連接，從而增加發電量。迄今為止，我們已經在超過4平方米的範圍內連接了400個納米發電機，證明了這一概念的可行性。如今，我們正在進一步發展這一概念。

我相信，即使規模較小，摩擦電納米發電機網路也能夠為本地發電廠或電網貢獻數量可觀的電力。從理論上說，在1立方米的空間內，以10厘米為間隔分布的1 000個設備能點亮一個燈泡，所以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，每隔10厘米放置一個3D納米發電機網路，並將其延伸至水下10米，就有望滿足全球能源消費需求。

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，也可用於照明或為導航系統供電。在可再生能源聯合發電廠中，納米發電機網路可與太陽能板和風力渦輪機安裝在一起。

技術挑戰

要大規模應用這種技術還存在困難，但我相信大部分困難都是可以克服的。

主要的限制或許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。布線結構必須足夠強韌方能抵禦風暴侵襲。

藍色能源網的位置和大小也要謹慎考慮，這樣才能最大限度地減少對公眾、海洋生物和航運的破壞。將電網設立於遠離航線和海岸的深海區域能防止它們干擾人們的生活和休閑活動。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與島嶼或海底山脈固定在一起，以避免被沖走或吹走，而且還不能困住魚類或其他海洋生物。

這種大型納米發電機網路在實踐中是否具有可行性仍未可知。它們能與現有的發電廠和發展了幾十年的太陽能技術和風電技術一較高下嗎？太陽能發電廠和風電場的發電量會因晝夜和天氣變化而產生波動，因此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有價值的選擇。

夢想成真

開發納米發電機需要來自眾多學科的工業和學術實驗室共同開展研究。我們需要材料科學家研發出強韌的材料，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路的環境影響。成立一個致力於藍色能源的研究機構能夠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5 000萬至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。開發小型試點網路不可或缺，或許可以將分布式波浪能電網作為島嶼、小型發電廠或村莊的電力來源。這其中蘊含著豐富的商機，包括材料供應、電力管理技術以及終點的污染物清理或水裂解等等。依託充足的投資和技術支持，我相信藍色能源網終有一天能比太陽能板或風力渦輪機更便宜。

許林玉/編譯 世界科學（World-Science）

原文作者王中林是中國科學院北京納米能源與系統研究所所長、首席科學家，美國喬治亞州亞特蘭大喬治亞理工學院教授。