海洋波浪能發(fā)電技術(shù)

海洋是巨大的能源寶庫。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，因此海洋能也被譽(yù)為“藍(lán)色能源”。藍(lán)色能源與傳統(tǒng)綠色能源相比，擁有地理分布上的優(yōu)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150km的范圍內(nèi)，人類向大海索取資源已成為必然的趨勢。海洋可再生能源包括離岸風(fēng)能和其它海洋能源，比如波浪能、潮汐能、海洋熱能轉(zhuǎn)換等。海洋能源的利用有助于國家發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，減少對礦物燃料的依賴，提高能源安全，實現(xiàn)與其他可再生能源比如風(fēng)能和太陽能的平衡，確保穩(wěn)定的可再生能源供應(yīng)。

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(fēng)浪、涌浪和近岸浪三種，具有能量密度高，分布面廣等優(yōu)點，據(jù)估計地球上海浪中蘊(yùn)藏著的能量相當(dāng)于90萬億kw·h時的電能?，F(xiàn)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(zhuǎn)換成機(jī)械能，再帶動電磁發(fā)電機(jī)運轉(zhuǎn)發(fā)電。作為目前世界上發(fā)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(fā)電裝置，然而普遍存在發(fā)電功率小、發(fā)電不穩(wěn)定、轉(zhuǎn)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(fā)電這一重要研究領(lǐng)域一直進(jìn)展緩慢，海洋波力發(fā)電開發(fā)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(yīng)定律的傳統(tǒng)電磁發(fā)電機(jī)，其輸出電壓、電流都與機(jī)械能頻率成正比，進(jìn)而輸出功率與機(jī)械能頻率的平方成正比，故需穩(wěn)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(guī)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(qū)的能量，極大地制約了它的實際應(yīng)用價值。同時，這種龐大而沉重的設(shè)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。

針對上述問題，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所首席科學(xué)家、佐治亞理工學(xué)院董事教授王中林院士團(tuán)隊專業(yè)研究一種基于摩擦納米發(fā)電技術(shù)的穩(wěn)定實用的波浪能發(fā)電網(wǎng)絡(luò)裝置，可以在一個較寬的頻率范圍內(nèi)，輸出電流與機(jī)械能頻率成正比，而輸出電壓保持相對穩(wěn)定，對于頻率低于5Hz海浪波動，摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出效率遠(yuǎn)高于電磁發(fā)電機(jī)，非常適用于收集藍(lán)色能源，在緩慢流動和隨機(jī)方向的波流條件下能夠穩(wěn)定輸出功率。這是一種基于摩擦納米發(fā)電機(jī)和電磁發(fā)電機(jī)的復(fù)合系統(tǒng)，利用磁鐵之間的吸引力作為非接觸牽引力，將摩擦納米發(fā)電機(jī)封裝防水，同時磁鐵之間嵌入銅線圈，構(gòu)成簡易的電磁發(fā)電機(jī)，該復(fù)合系統(tǒng)可以收集海洋的波浪和洋流等運動能量，并可通過電路控制使其輸出使其阻抗匹配，如圖（a）所示。后續(xù)，該團(tuán)隊基于相同原理，設(shè)計了一種同心筒狀器件結(jié)構(gòu)，不僅可以在水下工作，且可同時收集海洋波浪振動和洋流流動的能量，如圖（b）所示。值得注意的是，因為摩擦納米發(fā)電機(jī)在低頻條件下可以穩(wěn)定工作，故該器件可以在任意時刻收集藍(lán)色能源，當(dāng)海洋運動頻率加快時，電磁發(fā)電機(jī)除了提供非接觸牽引力外，自身也可以輸出電能，從而使該器件可以在一個非常寬的頻率范圍內(nèi)持續(xù)工作，收集任何一種頻率的藍(lán)色能源。

藍(lán)色能源和摩擦納米發(fā)電機(jī)是王中林院士團(tuán)隊的原創(chuàng)之發(fā)現(xiàn)和發(fā)明，十五年來一直致力于微納系統(tǒng)研究，并對國內(nèi)外已有波浪能發(fā)電裝置的發(fā)展和特點進(jìn)行分析研究，總結(jié)摩擦納米發(fā)電用于波浪能收集的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，指出波浪能摩擦發(fā)電的關(guān)鍵問題和未來發(fā)展趨勢。王中林院士從新興的利用人體運動攝取能量的技術(shù)中汲取靈感，使之應(yīng)用于海洋水波發(fā)電。他領(lǐng)導(dǎo)的納米能源所正在開發(fā)這樣的設(shè)備，從心跳驅(qū)動的醫(yī)用傳感器到腳踏式摩擦地毯發(fā)電照明，從衛(wèi)生保健到安全監(jiān)測，從穿戴式和柔然紡織電子系統(tǒng)到環(huán)境的治理，摩擦納米發(fā)電的各項創(chuàng)新應(yīng)用正在越來越多地嵌入我們?nèi)粘５纳a(chǎn)生活之中。摩擦納米發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化效率高，可將50%的能量從動能轉(zhuǎn)化成電能，它是利用兩種不同材料接觸所產(chǎn)生的表面靜電荷導(dǎo)致的隨時間變化的電場來驅(qū)動電子的流動。制作這種大型網(wǎng)絡(luò)的納米發(fā)電機(jī)由眾多摩擦發(fā)電球構(gòu)成（見文章底部圖），采用傳統(tǒng)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(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)化。這種采集波浪能的納米發(fā)電球在海水中浮動，其中一種電介質(zhì)材料制成的球在另一個球體內(nèi)滾動產(chǎn)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(dāng)海波帶動其中的小球每秒晃動2～3次，即可產(chǎn)生大約1～10mw的功率。這種發(fā)電網(wǎng)可以分布在遠(yuǎn)離海岸和航道的深水區(qū)，不會影響近海的人類活動。理論測算，對于像山東省面積大小的這樣一片海域，如果在10m深的水中布滿這種發(fā)電的網(wǎng)格，其發(fā)出的電量可滿足全世界的能源需求。

當(dāng)前，藍(lán)色能量還處于實驗室早期研發(fā)階段，要想實現(xiàn)長時間可靠運行，還有許多關(guān)鍵技術(shù)問題有待解決，在水動力性能理論研究、模型試驗、納米發(fā)電結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面要進(jìn)行大量的工作，并積累實踐經(jīng)驗。如研究提高納米發(fā)電材料的耐久性與抗腐蝕性：研究布線結(jié)構(gòu)和傳輸?shù)钟L(fēng)暴及惡劣環(huán)境。同時要考慮規(guī)劃藍(lán)色能源發(fā)電網(wǎng)位置和大小，盡量減少對航運、海洋生物與生態(tài)影響。海洋藍(lán)色能源發(fā)電是一項系統(tǒng)工程，設(shè)立一個致力于藍(lán)色能源的研究機(jī)構(gòu)將大大加快發(fā)展這種清潔、可持續(xù)的能源技術(shù)的進(jìn)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(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)之前，先行開發(fā)建設(shè)一批小型分布式波浪能發(fā)電或海島微電網(wǎng)。

該技術(shù)難題一旦攻破，將引發(fā)一場海浪發(fā)電技術(shù)革命，加快我國海洋新能源開發(fā)速度，對保障能源安全、環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展有重大里程碑性貢獻(xiàn)。依托海洋技術(shù)，實施“藍(lán)色能源”戰(zhàn)略，改善能源結(jié)構(gòu)，“藍(lán)色能源”有著巨大的優(yōu)越性，終將超越“綠色能源”，成為比太陽能板和風(fēng)力渦輪機(jī)更便宜、更可靠、更穩(wěn)定、不依賴于天氣與晝夜變化的可持續(xù)能源，同時可與其它可再生能源發(fā)電混合補(bǔ)充，保證入網(wǎng)能源的總量供給。