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【人民日報】《自然》收錄王中林院士論文 藍色能源開發或將引發技術革命
發表日期: 2017-02-10 文章來源: 人民日報客戶端
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藍色能源夢想是網狀聯結數以百萬計的可捕獲低頻海波能量的摩擦納米發電機。插圖是網絡狀虛擬結構圖。右上角是設計的球形納米發電機。

  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研究所的王中林院士團隊正在致力于研究一種基于摩擦納米發電技術的穩定實用的波浪能發電網絡裝置,該技術難題一旦攻破,將引發一場海浪發電技術革命,加快我國海洋新能源開發速度,對保障能源安全、環境?;ず涂沙中⒄褂兄卮罄锍癱怨畢?。這種“藍色能源”技術是王中林院士2014年首次提出。近日,他對國內外已有波浪能發電裝置的發展和特點進行了分析,總結了摩擦納米發電用于波浪能收集的技術和產業優勢,指出了波浪能摩擦發電的關鍵問題和未來發展趨勢,相關研究成果以述評的形式發表于2月9日最新一期的《自然》。(DOI:10.1038/542159a;免費下載//www.nature.com/news/catch-wave-power-in-floating-nets-1.21426)

  藍色能源與傳統綠色能源相比,擁有地理分布上的優勢,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,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,分布面廣等優點,據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。現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,再帶動電磁發電機運轉發電。作為目前世界上發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電裝置,然而普遍存在發電功率小、發電不穩定、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。

  利用海洋能發電這一重要研究領域一直進展緩慢,海洋波力發電開發之艱辛,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電磁發電機,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,故需穩定且較高的工作頻率(>10Hz)才能獲得高效的輸出,但無論是海洋中的波浪、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上,不但影響景觀而且收集效率非常低,并且無法收集深水區的能量,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年王中林首次發明的摩擦納米發電機,在一個較寬的頻率范圍內,輸出電流與機械能頻率成正比,對于頻率低于5Hz海浪波動,摩擦納米發電機的輸出效率遠高于電磁發電機,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定輸出功率。

  王中林院士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電。他領導的納米能源所正在開發這樣的設備,從心跳驅動的醫用傳感器到腳踏式摩擦地毯發電照明,從衛生保健到安全監測,從穿戴式和柔然紡織電子系統到環境的治理,摩擦納米發電的各項創新應用正在越來越多地嵌入我們日常的生產生活之中。摩擦納米發電機轉化效率高,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。制作這種大型網絡的納米發電機由眾多摩擦發電球構成(見圖),采用傳統材料,價格低廉,如聚四氟乙烯、橡膠、聚全氟乙丙烯等,適用于大規模生產和商業化。這種采集波浪能的納米發電球在海水中浮動,其中一種電介質材料制成的球在另一個球體內滾動產生摩擦電荷。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,即可產生大約1到10毫瓦的功率。這種發電網可以分布在遠離海岸和航道的深水區,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電的網格,其發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,世界的能源格局都會發生根本的改變,我們依賴于石油和煤炭的化石能源就會變成歷史,何愁我們的霧霾根治不了。

  當前,藍色能量還處于實驗室早期研發階段,要想實現長時間可靠運行,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、納米發電結構設計等方面要進行大量的工作,并積累實踐經驗。如研究提高納米發電材料的耐久性與抗腐蝕性;研究布線結構和傳輸抵御風暴及惡劣環境。同時要考慮規劃藍色能源發電網位置和大小,盡量減少對航運、海洋生物與生態影響。海洋藍色能源發電是一項系統工程,設立一個致力于藍色能源的研究機構將大大加快發展這種清潔、可持續的能源技術的進程,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,在未實現大規模商業化開發之前,先行開發建設一批小型分布式波浪能發電或海島微電網。

  依托海洋技術,實施“藍色能源”戰略,既可節約常規能源,減輕環境污染,又能改善能源結構,這種“藍色能源”有著巨大的優越性,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、更穩定、不依賴于天氣與晝夜變化的可持續能源,同時可與其它可再生能源發電混合補充,保證入網能源的總量供給。藍色能源和摩擦納米發電機是王中林院士團隊的原創之發現和發明,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,將造福千秋萬代。(王中林)

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