利用浮動網(wǎng)采集波浪能

許林玉/編譯

利用浮動網(wǎng)采集波浪能

許林玉/編譯

波浪蘊(yùn)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(fā)電機(jī)網(wǎng)絡(luò)從海洋中采集可再生能源。

大自然提供了3種免費(fèi)的能源：陽光、空氣和引力。人類對太陽能和風(fēng)電的利用越來越多，但對引力的利用卻相對較少。水力發(fā)電廠從流動的河流中采集能量，而一些水灣和海岸則可以采集潮汐能，但適合建造大壩或攔河壩的地方并不多，而且它們還有可能會破壞環(huán)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。采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(lán)色能源”利用起來。目前波浪發(fā)電場一次發(fā)出的電力在1～10兆瓦，只夠?yàn)橐粋€小鎮(zhèn)供電。商業(yè)性的波浪發(fā)電場尚不存在。

這主要受制于技術(shù)方面的原因。當(dāng)前的波浪能采集器以大型和重型電磁發(fā)電機(jī)為基礎(chǔ)，這種發(fā)電機(jī)由推進(jìn)器、磁體和金屬線圈組成。要在海底建造支撐電磁體的塔臺或?qū)㈦姶朋w固定在海床上，不僅費(fèi)用高昂，技術(shù)上也有難度。岸上的發(fā)電機(jī)可以通過將水面浮子和海底泵體拴在一起進(jìn)行驅(qū)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(jī)方向振蕩，電磁發(fā)電機(jī)在這類條件下發(fā)電效果不佳。

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

我們的研究小組正在開發(fā)這類設(shè)備，包括心跳驅(qū)動的醫(yī)用傳感器以及可以發(fā)電用于照明、醫(yī)療保健和安全監(jiān)測的腳踏式摩擦地毯等等。它們利用的是一些材料相互摩擦?xí)r產(chǎn)生的靜電荷，比如塑料梳子劃過羊毛時產(chǎn)生的靜電荷。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，采集摩擦產(chǎn)生的電流比利用其他方法（比如受壓時產(chǎn)生電流的壓電材料）更高效、更經(jīng)濟(jì)。

我認(rèn)為，擴(kuò)大并增加類似的基于運(yùn)動的設(shè)備規(guī)模，就能夠在10年內(nèi)改變波浪能的采集狀況。我的藍(lán)色能源夢想才剛剛起步。在提出這一設(shè)想時，我就知道還有許多技術(shù)障礙需要克服，其中包括：提升發(fā)電機(jī)材料和發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的效率與耐用性、將發(fā)電機(jī)連接到可在公海中運(yùn)行的大型網(wǎng)絡(luò)以采集電力并將其輸送至陸地。

能源網(wǎng)

當(dāng)導(dǎo)電性能差的材料——紙、玻璃和塑料——相互摩擦?xí)r，它們的表面會產(chǎn)生靜電荷，這種“摩擦電”可利用電極實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移。來回摩擦兩塊電介質(zhì)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制造“摩擦電納米發(fā)電機(jī)”，大小從數(shù)毫米到數(shù)米不等，可用于照明和手機(jī)充電等一系列用途。它們和電磁發(fā)電機(jī)一樣高效，能夠?qū)⑦\(yùn)動產(chǎn)生的機(jī)械能中的50%轉(zhuǎn)化為電能，而壓電方法的轉(zhuǎn)化率僅為10%左右。

要采集波浪能，必須將納米發(fā)電機(jī)與水密浮子整合在一起。我們制作了橙子大小的摩擦發(fā)電球，用兩種不同類型的電介質(zhì)材料制成了一個球體和一個空心球，球體在空心球里滾動，并產(chǎn)生摩擦電荷（參見“藍(lán)色能源夢”），球體部分充氣，可以確保它能浮起來。

納米發(fā)電機(jī)的制造方法十分簡單。它們使用的是價格低廉的傳統(tǒng)材料，如聚四氟乙烯、橡膠、聚二甲硅氧烷、硅、氟化乙烯丙烯、聚酰亞胺薄膜和金屬箔（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(dá)10年之久，但之后必須將其回收并循環(huán)利用，以避免增加海洋污染。

發(fā)電取決于納米發(fā)電機(jī)隨波浪運(yùn)動的速度，但與方向無關(guān)。如果每秒振動2～3次，每個單元可以產(chǎn)生1～10毫瓦左右的少量電力。許多設(shè)備都可以與電纜連接，從而增加發(fā)電量。迄今為止，我們已經(jīng)在超過4平方米的范圍內(nèi)連接了400個納米發(fā)電機(jī)，證明了這一概念的可行性。如今，我們正在進(jìn)一步發(fā)展這一概念。

我相信，即使規(guī)模較小，摩擦電納米發(fā)電機(jī)網(wǎng)絡(luò)也能夠?yàn)楸镜匕l(fā)電廠或電網(wǎng)貢獻(xiàn)數(shù)量可觀的電力。從理論上說，在1立方米的空間內(nèi)，以10厘米為間隔分布的1 000個設(shè)備能點(diǎn)亮一個燈泡，所以1平方千米將可以為一座小鎮(zhèn)供應(yīng)足夠的電力。在面積相當(dāng)于美國佐治亞州大小的范圍內(nèi)，每隔10厘米放置一個3D納米發(fā)電機(jī)網(wǎng)絡(luò)，并將其延伸至水下10米，就有望滿足全球能源消費(fèi)需求。

通過這種方式發(fā)出的電需要通過電纜傳輸至陸地，或者在浮式平臺上就地利用。這種電力或可用于裂解水分子生產(chǎn)氫燃料，或用于淡化海水和清除污染物，也可用于照明或?yàn)閷?dǎo)航系統(tǒng)供電。在可再生能源聯(lián)合發(fā)電廠中，納米發(fā)電機(jī)網(wǎng)絡(luò)可與太陽能板和風(fēng)力渦輪機(jī)安裝在一起。

技術(shù)挑戰(zhàn)

要大規(guī)模應(yīng)用這種技術(shù)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(fā)電機(jī)的耐用性。制造納米發(fā)電機(jī)所采用的有機(jī)材料會在咸水和陽光的作用下降解。如果球體進(jìn)水，設(shè)備就會停止運(yùn)轉(zhuǎn)，因此可能需要新型的防水材料（比如用于制造水下電纜的高粘物料）來填充縫隙和連接處。布線結(jié)構(gòu)必須足夠強(qiáng)韌方能抵御風(fēng)暴侵襲。

藍(lán)色能源網(wǎng)的位置和大小也要謹(jǐn)慎考慮，這樣才能最大限度地減少對公眾、海洋生物和航運(yùn)的破壞。將電網(wǎng)設(shè)立于遠(yuǎn)離航線和海岸的深海區(qū)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(yuǎn)的位置傳輸至陸地就變得困難了。這些能源網(wǎng)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(fā)電機(jī)網(wǎng)絡(luò)在實(shí)踐中是否具有可行性仍未可知。它們能與現(xiàn)有的發(fā)電廠和發(fā)展了幾十年的太陽能技術(shù)和風(fēng)電技術(shù)一較高下嗎？太陽能發(fā)電廠和風(fēng)電場的發(fā)電量會因晝夜和天氣變化而產(chǎn)生波動，因此我認(rèn)為人類在未來將會需要多種能源生產(chǎn)方式。發(fā)展中國家也需要滿足他們?nèi)找嬖鲩L的能源需求，便宜持久的藍(lán)色能源或可成為一個有價值的選擇。

夢想成真

開發(fā)納米發(fā)電機(jī)需要來自眾多學(xué)科的工業(yè)和學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室共同開展研究。我們需要材料科學(xué)家研發(fā)出強(qiáng)韌的材料，包括能夠有效產(chǎn)生電荷的材料。機(jī)械工程師需要為藍(lán)色能源網(wǎng)在海洋中的行為建模和優(yōu)化，電力工程師則需要開發(fā)管理和運(yùn)輸電力的最佳方式，環(huán)境科學(xué)家和海洋生物學(xué)家需要評估這些能源網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境影響。成立一個致力于藍(lán)色能源的研究機(jī)構(gòu)能夠加速這種清潔可持續(xù)技術(shù)的發(fā)展。

在技術(shù)開發(fā)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(fā)小型試點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)不可或缺，或許可以將分布式波浪能電網(wǎng)作為島嶼、小型發(fā)電廠或村莊的電力來源。這其中蘊(yùn)含著豐富的商機(jī)，包括材料供應(yīng)、電力管理技術(shù)以及終點(diǎn)的污染物清理或水裂解等等。依托充足的投資和技術(shù)支持，我相信藍(lán)色能源網(wǎng)終有一天能比太陽能板或風(fēng)力渦輪機(jī)更便宜。

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：絲 絲]

本文作者王中林是中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長、首席科學(xué)家，美國佐治亞州亞特蘭大佐治亞理工學(xué)院教授。