專訪丨王中林：聚合“靜電” 積沙成塔 新技術(shù)推動(dòng)藍(lán)色能源走向“藍(lán)海”
來源：中國(guó)能源新聞網(wǎng) 時(shí)間：2024-10-30 17:22
聚合“靜電” 推動(dòng)藍(lán)色能源走向“藍(lán)海”
——訪中國(guó)科學(xué)院外籍院士、中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長(zhǎng) 王中林
中國(guó)能源新聞網(wǎng)記者 李東海
全球新一輪科技革命和能源革命發(fā)生深度演變。在化石能源日漸衰竭及“雙碳”目標(biāo)的大形勢(shì)下，新而綠的“小能源”備受關(guān)注。
一種基于摩擦起電和靜電感應(yīng)效應(yīng)耦合的摩擦納米發(fā)電機(jī)技術(shù)近日被國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)評(píng)定為2024年十大新興化學(xué)技術(shù)。該技術(shù)利用高分子材料的接觸起電效應(yīng)（靜電），把微小振動(dòng)中的機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能，可實(shí)現(xiàn)穿戴式電子產(chǎn)品、醫(yī)療健康、機(jī)器人等設(shè)備器材的自供電。在能源領(lǐng)域，該技術(shù)可以將潮汐、水波運(yùn)動(dòng)等微納“小能源”集聚成為穩(wěn)定輸出的“大能源”，為海洋能規(guī)模化開發(fā)利用提供了理論依據(jù)。
將“靜電”直接利用，其技術(shù)原理是什么？該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于哪些場(chǎng)景？實(shí)現(xiàn)規(guī)模化開發(fā)利用的制約性因素還有哪些？在近日召開的2024能源綠色低碳與電碳耦合技術(shù)創(chuàng)新論壇期間，中國(guó)科學(xué)院外籍院士、中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長(zhǎng)王中林接受了中能傳媒的獨(dú)家專訪。
中能傳媒：您發(fā)明摩擦納米發(fā)電機(jī)的初衷是什么？發(fā)電原理是什么？
王中林：海洋能被譽(yù)為風(fēng)能、太陽能等綠色能源之后的“藍(lán)色能源”。世界范圍內(nèi)海洋中的波浪能達(dá)700億千瓦，占全球海洋能量的94%，是各種海洋能量的主體。我國(guó)海洋資源豐富，管轄海域約為300萬平方公里，海岸線長(zhǎng)18000千米，在我國(guó)近岸及其毗鄰海域蘊(yùn)藏著豐富的海洋能資源，能量密度位于世界前列，具備規(guī)模化開發(fā)利用的有利條件。海洋能源及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)屬于典型的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)，它的深化利用和推廣不僅能優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，還將成為藍(lán)色經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新增長(zhǎng)點(diǎn)。
關(guān)于藍(lán)色能源的收集方法，人們進(jìn)行了多種形式的探索，但收效甚微。原因是水波能雖然面積大，但頻次低，所以非常難收集，對(duì)于傳統(tǒng)的技術(shù)來說，現(xiàn)有的發(fā)電機(jī)不能將它有效地變?yōu)殡娏Α?/span>
摩擦納米發(fā)電機(jī)技術(shù)是基于簡(jiǎn)單的摩擦起電和靜電感應(yīng)原理，能夠采集海洋中的波浪甚至是水滴的能量，將環(huán)境中的低頻次、低振幅的機(jī)械能量轉(zhuǎn)換為電能。我們把摩擦納米發(fā)電機(jī)連成球狀網(wǎng)格式，類似于漁網(wǎng)，漁網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)是個(gè)球，球是個(gè)發(fā)電體，漁網(wǎng)飄在水上或者飄在水中，隨著水波來回蕩漾，這種蕩漾的動(dòng)作，利用摩擦發(fā)電原理就可以變成電力。不管是白天黑夜，不管是風(fēng)平浪靜還是有大風(fēng)大雨，都可以把它變?yōu)橛行У碾娏Γ@也是我們摩擦納米發(fā)電機(jī)獨(dú)特的應(yīng)用。
“雙碳”背景下，發(fā)展結(jié)合大電網(wǎng)、大能源的微區(qū)網(wǎng)，分布式能源等顛覆性技術(shù)勢(shì)在必行。從熱力學(xué)角度講，能源分布將從聚集型變?yōu)榘l(fā)散型，從有序變?yōu)闊o序，遵循熵增加的原理，即高熵能源。未來，如何解決和利用數(shù)以億計(jì)的移動(dòng)性、變化性、不定性“小能源”，這將是我們一直研究的方向。我們將通過摩擦納米發(fā)電機(jī)技術(shù)把海水的波動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽ㄟ^類似“烽火臺(tái)”效應(yīng)進(jìn)行集結(jié)，進(jìn)而成為一種可穩(wěn)定輸出的能源供人類使用。
中能傳媒：摩擦納米發(fā)電機(jī)技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在哪些方面？開發(fā)成本如何？
王中林：摩擦納米發(fā)電機(jī)的抗海水腐蝕性能好，不僅可以對(duì)水流的機(jī)械能進(jìn)行回收，還可以漂浮在水面上進(jìn)行波動(dòng)能的采集。摩擦納米發(fā)電機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)讓其在收集大風(fēng)大浪機(jī)械能的同時(shí)，也能對(duì)小波動(dòng)乃至小水滴的能量進(jìn)行有效采集。
由于摩擦納米發(fā)電機(jī)采用的是高分子材料和極少量的金屬電極材料的表面電荷效應(yīng)，所以這種成千上萬個(gè)摩擦發(fā)電機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)故障的概率非常低。再加上每個(gè)摩擦納米發(fā)電機(jī)間是獨(dú)立的，因此就算其中有一小部分發(fā)生故障也不會(huì)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)造成太大的影響。
我國(guó)海域遼闊，這給摩擦納米發(fā)電機(jī)提供了穩(wěn)定的工作環(huán)境，或許有一天，“藍(lán)色能源”能夠依托摩擦發(fā)電機(jī)技術(shù)超越“綠色能源”。以一平方千米、深度一米的海水為例，每隔10厘米放置一臺(tái)球形納米發(fā)電機(jī)，然后連成三維網(wǎng)，理論上相當(dāng)于10000千瓦的電力裝機(jī)。僅山東省海面面積產(chǎn)生的電能便可滿足目前全中國(guó)的總能耗，而千分之四(0.4%)的海平面面積發(fā)的電就能滿足全世界用。
制造摩擦納米發(fā)電機(jī)所需材料為高端材料，這些材料的價(jià)格較高。同時(shí)，由于目前還沒有相應(yīng)的大規(guī)模生產(chǎn)手段，所以每個(gè)設(shè)備的整體制造成本較高。這些成本問題限制了摩擦納米發(fā)電機(jī)的推廣，阻礙了其在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。
中能傳媒：當(dāng)前，摩擦納米發(fā)電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景有哪些？
王中林：鑒于摩擦納米發(fā)電機(jī)可以將周圍環(huán)境中微小的震動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瑧?yīng)用場(chǎng)景非常廣泛。比如，心臟起搏器目前還是靠電池來驅(qū)動(dòng)，但電池壽命有限，更換電池需要給患者再次做手術(shù)，成本高、風(fēng)險(xiǎn)大。理論上講，摩擦納米發(fā)電機(jī)可以把心臟跳動(dòng)這種人體活動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽驗(yàn)樾奶梢源偈拱l(fā)電機(jī)的電極不斷摩擦、分開，從而產(chǎn)生電流，并進(jìn)一步被收集儲(chǔ)存起來，驅(qū)動(dòng)心臟起搏器工作。
目前，摩擦納米發(fā)電機(jī)最核心的用途是能源與傳感，市場(chǎng)上的傳感器都需要連接電源，而摩擦納米發(fā)電機(jī)則可以實(shí)現(xiàn)無源傳感，在野外探險(xiǎn)、火災(zāi)救援等特殊場(chǎng)景中優(yōu)勢(shì)突出。
此外，該項(xiàng)還可以應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)，為這些領(lǐng)域提供新的能源解決方案。
下一步，摩擦納米發(fā)電機(jī)技術(shù)還可廣泛應(yīng)用于能源互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、生物醫(yī)學(xué)、無線通信和無線傳感等各個(gè)領(lǐng)域。隨著人工智能技術(shù)的興起，該項(xiàng)技術(shù)與人工智能技術(shù)耦合，將會(huì)為更多的領(lǐng)域帶來巨大的創(chuàng)新和變革。
中能傳媒：影響海洋藍(lán)色能源技術(shù)的制約性因素包含哪些？
王中林：首先，在理論技術(shù)層面，我國(guó)對(duì)海洋能源基礎(chǔ)研究相對(duì)薄弱，目前尚未形成一個(gè)龐大海洋能研究開發(fā)利用科研隊(duì)伍。
其次，在政策指引層面，多數(shù)海洋能研發(fā)項(xiàng)目設(shè)備制造投入巨大且缺乏穩(wěn)定持續(xù)的資金，導(dǎo)致發(fā)電成本相對(duì)過高。由于缺乏激勵(lì)政策和中長(zhǎng)期規(guī)劃目標(biāo)，企業(yè)吸引力不足，難以實(shí)現(xiàn)海洋能開發(fā)利用的商業(yè)化運(yùn)行。
再次，在產(chǎn)業(yè)層面，由于海洋能資源不穩(wěn)定、能量密度較低且具有多風(fēng)險(xiǎn)性，我國(guó)海洋能技術(shù)大多停留在科研院所和高校，沒有經(jīng)過市場(chǎng)商業(yè)化檢驗(yàn)，這也成為制約我國(guó)海洋能產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展的一個(gè)瓶頸。
“從0到1”，是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，不僅要有長(zhǎng)期厚重的知識(shí)積累，還要有瞬間的靈感；既需要長(zhǎng)期穩(wěn)定堅(jiān)持做基礎(chǔ)研究，久久為功，又需要聚焦比較優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，突出重點(diǎn)；既需要自由探索，也需要從源頭或頂層為長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)提供支撐。
我相信，隨著國(guó)家對(duì)海洋藍(lán)色能源開發(fā)利用的重視程度持續(xù)加強(qiáng)，相關(guān)技術(shù)路線進(jìn)一步成熟，其開發(fā)利用成本會(huì)逐步降低，海洋藍(lán)色能源開發(fā)也將迎來強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭和機(jī)遇，成為支撐“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要“藍(lán)色途徑”。
責(zé)任編輯：王萍
