聚合“静电” 推动蓝色能源走向“蓝海”
——访中国科学院外籍院士、中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长 王中林
中国能源新闻网记者 李东海
全球新一轮科技革命和能源革命发生深度演变。在化石能源日渐衰竭及“双碳”目标的大形势下，新而绿的“小能源”备受关注。
一种基于摩擦起电和静电感应效应耦合的摩擦纳米发电机技术近日被国际纯粹与应用化学联合会评定为2024年十大新兴化学技术。该技术利用高分子材料的接触起电效应（静电），把微小振动中的机械能转为电能，可实现穿戴式电子产品、医疗健康、机器人等设备器材的自供电。在能源领域，该技术可以将潮汐、水波运动等微纳“小能源”集聚成为稳定输出的“大能源”，为海洋能规模化开发利用提供了理论依据。
将“静电”直接利用，其技术原理是什么？该项技术已经应用于哪些场景？实现规模化开发利用的制约性因素还有哪些？在近日召开的2024能源绿色低碳与电碳耦合技术创新论坛期间，中国科学院外籍院士、中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长王中林接受了中能传媒的独家专访。
中能传媒：您发明摩擦纳米发电机的初衷是什么？发电原理是什么？
王中林：海洋能被誉为风能、太阳能等绿色能源之后的“蓝色能源”。世界范围内海洋中的波浪能达700亿千瓦，占全球海洋能量的94%，是各种海洋能量的主体。我国海洋资源丰富，管辖海域约为300万平方公里，海岸线长18000千米，在我国近岸及其毗邻海域蕴藏着丰富的海洋能资源，能量密度位于世界前列，具备规模化开发利用的有利条件。海洋能源及其相关产业属于典型的战略性新兴产业和绿色环保产业，它的深化利用和推广不仅能优化能源结构，还将成为蓝色经济发展的新增长点。
关于蓝色能源的收集方法，人们进行了多种形式的探索，但收效甚微。原因是水波能虽然面积大，但频次低，所以非常难收集，对于传统的技术来说，现有的发电机不能将它有效地变为电力。
摩擦纳米发电机技术是基于简单的摩擦起电和静电感应原理，能够采集海洋中的波浪甚至是水滴的能量，将环境中的低频次、低振幅的机械能量转换为电能。我们把摩擦纳米发电机连成球状网格式，类似于渔网，渔网的结点是个球，球是个发电体，渔网飘在水上或者飘在水中，随着水波来回荡漾，这种荡漾的动作，利用摩擦发电原理就可以变成电力。不管是白天黑夜，不管是风平浪静还是有大风大雨，都可以把它变为有效的电力，这也是我们摩擦纳米发电机独特的应用。
“双碳”背景下，发展结合大电网、大能源的微区网，分布式能源等颠覆性技术势在必行。从热力学角度讲，能源分布将从聚集型变为发散型，从有序变为无序，遵循熵增加的原理，即高熵能源。未来，如何解决和利用数以亿计的移动性、变化性、不定性“小能源”，这将是我们一直研究的方向。我们将通过摩擦纳米发电机技术把海水的波动的机械能转变为电能，通过类似“烽火台”效应进行集结，进而成为一种可稳定输出的能源供人类使用。
中能传媒：摩擦纳米发电机技术的技术优势表现在哪些方面？开发成本如何？
王中林：摩擦纳米发电机的抗海水腐蚀性能好，不仅可以对水流的机械能进行回收，还可以漂浮在水面上进行波动能的采集。摩擦纳米发电机特殊的结构让其在收集大风大浪机械能的同时，也能对小波动乃至小水滴的能量进行有效采集。
由于摩擦纳米发电机采用的是高分子材料和极少量的金属电极材料的表面电荷效应，所以这种成千上万个摩擦发电机组成的网络结构出现故障的概率非常低。再加上每个摩擦纳米发电机间是独立的，因此就算其中有一小部分发生故障也不会对整个网络造成太大的影响。
我国海域辽阔，这给摩擦纳米发电机提供了稳定的工作环境，或许有一天，“蓝色能源”能够依托摩擦发电机技术超越“绿色能源”。以一平方千米、深度一米的海水为例，每隔10厘米放置一台球形纳米发电机，然后连成三维网，理论上相当于10000千瓦的电力装机。仅山东省海面面积产生的电能便可满足目前全中国的总能耗，而千分之四(0.4%)的海平面面积发的电就能满足全世界用。
制造摩擦纳米发电机所需材料为高端材料，这些材料的价格较高。同时，由于目前还没有相应的大规模生产手段，所以每个设备的整体制造成本较高。这些成本问题限制了摩擦纳米发电机的推广，阻碍了其在市场上的竞争力。
中能传媒：当前，摩擦纳米发电机技术的应用场景有哪些？
王中林：鉴于摩擦纳米发电机可以将周围环境中微小的震动机械能转变为电能，应用场景非常广泛。比如，心脏起搏器目前还是靠电池来驱动，但电池寿命有限，更换电池需要给患者再次做手术，成本高、风险大。理论上讲，摩擦纳米发电机可以把心脏跳动这种人体活动的机械能转变为电能，因为心跳可以促使发电机的电极不断摩擦、分开，从而产生电流，并进一步被收集储存起来，驱动心脏起搏器工作。
目前，摩擦纳米发电机最核心的用途是能源与传感，市场上的传感器都需要连接电源，而摩擦纳米发电机则可以实现无源传感，在野外探险、火灾救援等特殊场景中优势突出。
此外，该项还可以应用于虚拟现实技术和数字孪生技术，为这些领域提供新的能源解决方案。
下一步，摩擦纳米发电机技术还可广泛应用于能源互联网、智能电网、物联网、互联网、生物医学、无线通信和无线传感等各个领域。随着人工智能技术的兴起，该项技术与人工智能技术耦合，将会为更多的领域带来巨大的创新和变革。
中能传媒：影响海洋蓝色能源技术的制约性因素包含哪些？
王中林：首先，在理论技术层面，我国对海洋能源基础研究相对薄弱，目前尚未形成一个庞大海洋能研究开发利用科研队伍。
其次，在政策指引层面，多数海洋能研发项目设备制造投入巨大且缺乏稳定持续的资金，导致发电成本相对过高。由于缺乏激励政策和中长期规划目标，企业吸引力不足，难以实现海洋能开发利用的商业化运行。
再次，在产业层面，由于海洋能资源不稳定、能量密度较低且具有多风险性，我国海洋能技术大多停留在科研院所和高校，没有经过市场商业化检验，这也成为制约我国海洋能产业规模化发展的一个瓶颈。
“从0到1”，是一个漫长的过程，不仅要有长期厚重的知识积累，还要有瞬间的灵感；既需要长期稳定坚持做基础研究，久久为功，又需要聚焦比较优势领域，突出重点；既需要自由探索，也需要从源头或顶层为长远战略目标提供支撑。
我相信，随着国家对海洋蓝色能源开发利用的重视程度持续加强，相关技术路线进一步成熟，其开发利用成本会逐步降低，海洋蓝色能源开发也将迎来强劲的发展势头和机遇，成为支撑“双碳”目标实现的重要“蓝色途径”。
责任编辑：王萍
来源：中国能源新闻网
