向海洋要能源不再是梦

海洋能是被誉为风能、太阳能等绿色能源之后的“蓝色能源”。作为一种可能替代化石能源的新能源，海洋能一直被世人所关注。然而，海浪发电转换率不高的问题一直困扰着科学家。

目前，发电模式的创新和发电效率的提高以及安装方式的改革是制约海浪发电的关键技术和瓶颈，是实现海洋“蓝色能源”的最大挑战。日前，中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长、首席科学家王中林带领他的团队，首次提出了基于摩擦发电机网络结构的海洋能采集方式，颠覆了从前以电磁感应收集海洋能的方式，并有望在五年内实现产业化。

“蓝色能源”潜力无穷

地球的表面，70%被海水覆盖，海洋贮存了140亿亿吨海水，蕴藏着大量的潜在海洋能源，这种来自大海的能源，亦被称为“蓝色能源”。

在陆地矿物燃料日趋枯竭和污染已趋严重的情况下，世界上一些主要的海洋国家纷纷把目光转向海洋。

加大海洋能投入，加快开发利用海洋的步伐已经成为人类的共识。

“很多能量隐藏在海洋里，这样一个庞大的能源库值得人类深入探究，蓝色能源将大有作为。”王中林表示。

据了解，风能、太阳能等绿色能源发展迅猛。然而除成本较高之外，风能和太阳能最大的限制因素是不稳定、受自然环境限制较大。这种不可改变的现实情况限制了绿色能源的发展。

再者，风能、太阳能的利用往往需要占用很多陆地面积，虽然可以利用宽广的沙漠，但沙漠位置一般都较为偏远，能源的输运比较困难。

全球海岸线附近可被转换的波浪能源保守估计可以为人类提供25亿kw的电力。我国整个海岸线波浪能源十分丰富，总量约有5亿kw，可开发利用的约7000万～1.7亿kw，具有广阔的开发利用前景。

“所以，我觉得未来应该走发展蓝色能源的道路，这种能源是昼夜存在的，还没有被开发，一旦开发出来，我们有可能为国家的大能源发展开辟新的道路。”王中林说。

据悉，国家《“十二五“战略发展规划》、《可再生能源中长期发展规划》、《海洋工程装备制造业中长期发展规划》等都明确地将海洋能的开发利用作为国家重点研发任务。

在专家看来，被称为“蓝色能源”的海洋能源的开发为利用可再生能源，解决当前能源危机，减少污染和二氧化碳排放，提高人民生活水平都具有重大战略意义和巨大的经济价值。

海浪发电遭遇瓶颈

目前，因为海洋能90%以上是海浪能，所以海浪能的开发利用成了世界各国竞相发展的关键技术。在海浪能发电方面，英国、瑞典、葡萄牙、美国、日本等国处于领先地位。

我国海浪发电虽起步较晚，不过发展迅速。目前微型海浪发电技术已经成熟，小型岸式海浪发电技术已进入世界先进行列，但大容量并网型波浪发电技术与国外差距较大，海浪能开发的规模远小于挪威、英国等欧洲国家。

最近，由中科院广州能源研究所研制的“鹰式一号”漂浮式波浪能发电装置，包括一套装机容量10kW的液压发电系统，一套10kw直驱电机发电系统，在珠江口正式投放，并成功发电，这标志着我国海洋能发电技术取得了新突破。

然而，尽管海浪发电研究已经开展近半个世纪，其商用化方面的进程落后于风能和潮汐能，由于缺少有效的能量采集技术，海洋能开发远远落后于风能和太阳能等绿色能源的采集。

主要原因在于各类海浪发电技术都存在这样或那样的缺陷，由此带来的成本、效率、可靠性问题还没有完全解决，这些关键技术问题是目前学界和业界关注的焦点。

目前，海浪发电主要是电磁发电。当前海洋能的采集，主要基于电磁感应的原理，利用海面运动产生的机械能带动磁铁和线圈间相对运动，形成电磁感应机产生电能。在由海浪机械能向电能转化过程中，皆通过一次或者二次机械转化后再驱动发电机。这使得这类发电机的结构复杂，体积笨重，不但难以提高发电效率，而且制备安装困难，并给漂浮固定带来了很大难度。

“构成传统电磁感应机的是磁铁和线圈，放到水里后会往下沉，不能自然地浮在水体表面，除非从海底建立支撑塔架。这样大大加大了工程的难度和成本。再加上波浪的不规则运动，使得传统的电磁发电机难以收集海浪能。”王中林说，“但海洋能的大部分机械能都是蕴含在海水表面的波动能。”

美国佐治亚理工学院博士生陈俊也指出，这些磁铁和线圈只能采集水流的能量，方向性比较单一，而且很难经受海水腐蚀，极大地制约了长期使用的可能性。

另外一种压电式发电机，可以将机械能直接转化成电能，转化效率高，但是压电发电适于高频振动，必须将海浪的低频转化成高频振动，给发电机的实施造成了巨大的困难。

在科学家们看来，这些弊端降低了海洋能采集装置的能量效率，加之制造成本偏高，难以大面积应用。

因此，目前发电模式的创新和发电效率的提高及安装方式的改革是制约海浪发电的关键技术和瓶颈，是实现海洋“蓝色能源”的最大挑战。

颠覆海浪发电模式

近年来，摩擦纳米发电机的出现，为高性能海浪发电提供了完全创新的关键技术。

2012年，国家“千人计划”顶尖人才、中国科学院院士王中林教授带领研究小组提出了“摩擦纳米发电机”的概念。

这是一种基于摩擦起电现象的全新的发电模式,其能量转换效率高达50%~80%。

摩擦纳米发电机是利用高分子材料通过摩擦起电和静电感应的耦合而实现的。两种材料接触时，电子转移，这是摩擦起电。把两种材料拉开一个小距离，材料两端的电极层会产生电位差(电压降)，这是静电感应。为了屏蔽这个电压降，电子从外电路流动，产生电流。两种材料不断地拉开再合上，合上再拉开，就产生交变电流信号。这种发电机质量轻，密度小，能漂浮在水面上。

在此基础上，中美两国的研究人员合作发明出由摩擦发电机网络组成的海洋能发电新技术。这种具有特殊结构摩擦发电机组成的网络，实现了高转换率的海浪发电。

“摩擦纳米发电机连成像渔网一样，在海水上下翻腾时可以回收大面积的波浪能。”王中林说。

“结构的巧妙是这项技术的一大特色。”作为研究小组成员之一的研究生陈俊介绍说，每个器件单元中的塑料球，能够很有效、很灵敏地将海水表面的波动转换成自身的动能。滚动的小球，则能撞击以触发每个最小功能单元，使得将海水的波动能转化成电能。

所以，该器件不仅可以对水流的机械能进行回收，还可以对漂浮在水面上进行波动能的采集，不仅可以收集大风大浪的机械能，而且对小波动也能进行有效地采集。

“此外，提出网络这种概念，实际上是一种积少成多的方式。”中国科学院北京纳米能源与系统研究所副研究员张弛表示，这种积少成多的作用可以收集巨大的能量，有助于解困能源危机，真正实现环境友好型供电。

从原理上区别于传统电磁感应的摩擦纳米发电机被科学家们视为“颠覆性的存在”。在能源业内人士看来，这项技术适合大规模生产。

产业化指日可待

目前，实验测试表明一平方公里的海洋能输出，可以有望达到1.15兆瓦，相当于点亮10万支10瓦的灯泡，如果做成100公里×100公里的发电网络，发电量相当于三峡大坝的输出电量。

尽管这项研究仍处于实验室基础研发阶段，“但是，我们应该看到它巨大潜能，根据实验结果推算，真正实现大面积收集海洋能的时候，我们的能源将永远不是问题。”王中林指出。

他同时表示，国家应该加大这方面的重视程度，积极投入资金，融合民间资本，大力鼓励发展海洋能的研发和利用。

据张弛介绍，研究人员下一步工作是提高输出电量的能力，提高设备的可靠性，推进产业化和市场的应用。

“从今年开始，我们已经有了产业化的立项，预计三年时间，能够真正实现从实验室迈向产业化。”王中林表示，这项技术还可以面向生活，将人体的运动和周围环境风吹草动的机械能进行收集和存储，用于便携式电子器件进行供电，也可以满足大能源的供电需求，充分利用潮汐能、海波能等。

据王中林透露，现在已经有企业递出了“橄榄枝”来支持这项技术的成果转化，相信在不久的将来，这取之不尽、用之不竭的蓝色能源能够真正帮助人类实现“蓝色海洋梦”。