利用浮动网采集波浪能

许林玉/编译

利用浮动网采集波浪能

许林玉/编译

波浪蕴含的能量足以满足全球的电力需求

● 王中林提出了一种截然不同的方法，即利用纳米发电机网络从海洋中采集可再生能源。

大自然提供了3种免费的能源：阳光、空气和引力。人类对太阳能和风电的利用越来越多，但对引力的利用却相对较少。水力发电厂从流动的河流中采集能量，而一些水湾和海岸则可以采集潮汐能，但适合建造大坝或拦河坝的地方并不多，而且它们还有可能会破坏环境。

相比之下，海洋覆盖了地球表面的70%。无论白天还是黑夜，也无论天气状况如何，波浪能都充盈丰富。采集波浪能所需空间较小，而且安全或保障方面的隐患也较少。然而，人们目前几乎没有将这种“蓝色能源”利用起来。目前波浪发电场一次发出的电力在1～10兆瓦，只够为一个小镇供电。商业性的波浪发电场尚不存在。

这主要受制于技术方面的原因。当前的波浪能采集器以大型和重型电磁发电机为基础，这种发电机由推进器、磁体和金属线圈组成。要在海底建造支撑电磁体的塔台或将电磁体固定在海床上，不仅费用高昂，技术上也有难度。岸上的发电机可以通过将水面浮子和海底泵体拴在一起进行驱动，但在深水或公海中无法使用这种方法。更为重要的是，波浪中不仅存在慢流，还会在随机方向振荡，电磁发电机在这类条件下发电效果不佳。

我们必须用截然不同的方式采集波浪能。我相信我们应该从新兴的利用人体运动摄取能量的技术中汲取灵感：波浪和人体运动相似，速度都相对较慢。

我们的研究小组正在开发这类设备，包括心跳驱动的医用传感器以及可以发电用于照明、医疗保健和安全监测的脚踏式摩擦地毯等等。它们利用的是一些材料相互摩擦时产生的静电荷，比如塑料梳子划过羊毛时产生的静电荷。我们已经发现，采集摩擦产生的电流比利用其他方法（比如受压时产生电流的压电材料）更高效、更经济。

我认为，扩大并增加类似的基于运动的设备规模，就能够在10年内改变波浪能的采集状况。我的蓝色能源梦想才刚刚起步。在提出这一设想时，我就知道还有许多技术障碍需要克服，其中包括：提升发电机材料和发电机设计的效率与耐用性、将发电机连接到可在公海中运行的大型网络以采集电力并将其输送至陆地。

能源网

当导电性能差的材料——纸、玻璃和塑料——相互摩擦时，它们的表面会产生静电荷，这种“摩擦电”可利用电极实现转移。来回摩擦两块电介质材料（表面可分别携带相反的电荷）就能使电流流动。

从2011年开始，我们就在利用这一原理制造“摩擦电纳米发电机”，大小从数毫米到数米不等，可用于照明和手机充电等一系列用途。它们和电磁发电机一样高效，能够将运动产生的机械能中的50%转化为电能，而压电方法的转化率仅为10%左右。

要采集波浪能，必须将纳米发电机与水密浮子整合在一起。我们制作了橙子大小的摩擦发电球，用两种不同类型的电介质材料制成了一个球体和一个空心球，球体在空心球里滚动，并产生摩擦电荷（参见“蓝色能源梦”），球体部分充气，可以确保它能浮起来。

纳米发电机的制造方法十分简单。它们使用的是价格低廉的传统材料，如聚四氟乙烯、橡胶、聚二甲硅氧烷、硅、氟化乙烯丙烯、聚酰亚胺薄膜和金属箔（铝、铜或钢铁）。这些材料被放置在海上的密封装置单元中，使用寿命达10年之久，但之后必须将其回收并循环利用，以避免增加海洋污染。

发电取决于纳米发电机随波浪运动的速度，但与方向无关。如果每秒振动2～3次，每个单元可以产生1～10毫瓦左右的少量电力。许多设备都可以与电缆连接，从而增加发电量。迄今为止，我们已经在超过4平方米的范围内连接了400个纳米发电机，证明了这一概念的可行性。如今，我们正在进一步发展这一概念。

我相信，即使规模较小，摩擦电纳米发电机网络也能够为本地发电厂或电网贡献数量可观的电力。从理论上说，在1立方米的空间内，以10厘米为间隔分布的1 000个设备能点亮一个灯泡，所以1平方千米将可以为一座小镇供应足够的电力。在面积相当于美国佐治亚州大小的范围内，每隔10厘米放置一个3D纳米发电机网络，并将其延伸至水下10米，就有望满足全球能源消费需求。

通过这种方式发出的电需要通过电缆传输至陆地，或者在浮式平台上就地利用。这种电力或可用于裂解水分子生产氢燃料，或用于淡化海水和清除污染物，也可用于照明或为导航系统供电。在可再生能源联合发电厂中，纳米发电机网络可与太阳能板和风力涡轮机安装在一起。

技术挑战

要大规模应用这种技术还存在困难，但我相信大部分困难都是可以克服的。

主要的限制或许是纳米发电机的耐用性。制造纳米发电机所采用的有机材料会在咸水和阳光的作用下降解。如果球体进水，设备就会停止运转，因此可能需要新型的防水材料（比如用于制造水下电缆的高粘物料）来填充缝隙和连接处。布线结构必须足够强韧方能抵御风暴侵袭。

蓝色能源网的位置和大小也要谨慎考虑，这样才能最大限度地减少对公众、海洋生物和航运的破坏。将电网设立于远离航线和海岸的深海区域能防止它们干扰人们的生活和休闲活动。但这样一来，要将电力从如此遥远的位置传输至陆地就变得困难了。这些能源网可能需要与岛屿或海底山脉固定在一起，以避免被冲走或吹走，而且还不能困住鱼类或其他海洋生物。

这种大型纳米发电机网络在实践中是否具有可行性仍未可知。它们能与现有的发电厂和发展了几十年的太阳能技术和风电技术一较高下吗？太阳能发电厂和风电场的发电量会因昼夜和天气变化而产生波动，因此我认为人类在未来将会需要多种能源生产方式。发展中国家也需要满足他们日益增长的能源需求，便宜持久的蓝色能源或可成为一个有价值的选择。

梦想成真

开发纳米发电机需要来自众多学科的工业和学术实验室共同开展研究。我们需要材料科学家研发出强韧的材料，包括能够有效产生电荷的材料。机械工程师需要为蓝色能源网在海洋中的行为建模和优化，电力工程师则需要开发管理和运输电力的最佳方式，环境科学家和海洋生物学家需要评估这些能源网络的环境影响。成立一个致力于蓝色能源的研究机构能够加速这种清洁可持续技术的发展。

在技术开发的第一阶段，政府需要提供5 000万至1亿美元的支持。私人投资者和大型能源公司可以在展示和测试阶段提供资助。开发小型试点网络不可或缺，或许可以将分布式波浪能电网作为岛屿、小型发电厂或村庄的电力来源。这其中蕴含着丰富的商机，包括材料供应、电力管理技术以及终点的污染物清理或水裂解等等。依托充足的投资和技术支持，我相信蓝色能源网终有一天能比太阳能板或风力涡轮机更便宜。

[资料来源：Nature][责任编辑：丝 丝]

本文作者王中林是中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长、首席科学家，美国佐治亚州亚特兰大佐治亚理工学院教授。