全球新一輪科技革命和能源革命發生深度演變。在化石能源日漸衰竭及推動實現“雙碳”目標的大形勢下，新而綠的“小能源”備受關注。
近日，一種基于摩擦起電和靜電感應效應耦合的摩擦納米發電機技術，被國際純粹與應用化學聯合會評定為2024年十大新興化學技術。該技術利用高分子材料的接觸起電效應（靜電），把微小振動中產生的機械能轉為電能，可實現穿戴式電子產品、醫療健康、機器人等設備器材的自供電。在能源領域，該技術可以將潮汐、水波運動等微納“小能源”集聚成為穩定輸出的“大能源”，為海洋能規模化開發利用提供了理論依據。
將靜電直接利用，其技術原理是什么？該項技術已經應用于哪些場景？實現規模化開發利用的制約性因素還有哪些？在近日召開的2024能源綠色低碳與電碳耦合技術創新論壇期間，中國科學院外籍院士、中國科學院北京納米能源與系統研究所所長王中林接受了中能傳媒的獨家專訪。
中能傳媒：您發明摩擦納米發電機的初衷是什么？發電原理是什么？
王中林：海洋能被譽為風能、太陽能等綠色能源之后的藍色能源。世界范圍內海洋中的波浪能達700億千瓦，占全球海洋能量的94%，是各種海洋能量的主體。我國海洋資源豐富，管轄海域約為300萬平方千米，海岸線長18000千米，在我國近岸及其毗鄰海域蘊藏著豐富的海洋能資源，能量密度位于世界前列，具備規模化開發利用的有利條件。海洋能源及其相關產業屬于典型的戰略性新興產業和綠色環保產業，它的深化利用和推廣不僅能優化能源結構，還將成為藍色經濟發展的新增長點。
關于藍色能源的收集方法，人們進行了多種形式的探索，但收效甚微。原因是水波能雖然面積大，但頻次低，非常難收集，對于傳統的技術來說，現有的發電機不能將它有效地轉化為電能。
摩擦納米發電機技術是基于簡單的摩擦起電和靜電感應原理，采集海洋中的波浪甚至是水滴的能量，將環境中的低頻次、低振幅的機械能轉換為電能。我們把摩擦納米發電機連成球狀網格式，類似于漁網，漁網的結點是球，球就相當于發電體，漁網飄在水上或者飄在水中，隨著水波來回蕩漾。這種蕩漾的動作，利用摩擦發電原理就可以變成電力。不管白天黑夜，還是風平浪靜或是大風大雨，都可以把它轉化為有效的電能，這就是摩擦納米發電機獨特的應用原理。
“雙碳”背景下，發展結合大電網、大能源的微區網及分布式能源等顛覆性技術，勢在必行。從熱力學角度講，能源分布將從聚集型變為發散型，從有序變為無序，遵循熵增加的原理，即高熵能源。未來，如何解決和利用數以億計的移動性、變化性、不定性“小能源”，是我們的研究方向。我們將通過摩擦納米發電機技術把海水波動的機械能轉化為電能，通過類似“烽火臺”效應進行集結，進而使其成為一種可穩定輸出的能源供人類使用。
中能傳媒：摩擦納米發電機技術的優勢表現在哪些方面？開發成本如何？
王中林：摩擦納米發電機的抗海水腐蝕性能好，不僅可以對水流的機械能進行回收，還可以漂浮在水面上進行波動能的采集。摩擦納米發電機特殊的結構讓其在收集大風大浪產生的機械能的同時，也能對小波動乃至小水滴的能量進行有效采集。
因為摩擦納米發電機采用的是高分子材料和極少量金屬電極材料的表面電荷效應，所以由這種成千上萬個摩擦發電機組成的網絡結構出現故障的概率非常低。此外，每個摩擦納米發電機之間是獨立的，因此就算其中有一小部分發生故障也不會對整個網絡造成太大影響。
我國海域遼闊，為摩擦納米發電機應用提供了穩定的工作環境。或許有一天，藍色能源能夠依托摩擦納米發電機技術超越綠色能源。以一平方千米、深度一米的海水為例，每隔10厘米放置一臺球形納米發電機，然后連成三維網，理論上相當于1萬千瓦的發電裝機。僅山東省海面面積產生的電能便可滿足目前全國的總能耗需求。
制造摩擦納米發電機所需材料為高端材料，價格較高。同時，由于目前還沒有相應的大規模生產手段，所以每個設備的整體制造成本較高。這些成本問題限制了摩擦納米發電機的推廣，影響了其在市場上的競爭力。
中能傳媒：當前，摩擦納米發電機技術的應用場景有哪些？
王中林：摩擦納米發電機可以將周圍環境中微小的振動機械能轉化為電能，應用場景非常廣泛。比如，心臟起搏器目前還是靠電池來驅動，但電池壽命有限，更換電池需要給患者再次做手術，成本高、風險大。理論上講，摩擦納米發電機可以把心臟跳動這種人體活動的機械能轉化為電能，因為心跳可以促使發電機的電極不斷摩擦、分開，從而產生電流，并進一步被收集儲存起來，驅動心臟起搏器工作。
目前，摩擦納米發電機最核心的用途是在能源與傳感領域。市場上的傳感器都需要連接電源，而摩擦納米發電機則可以實現無源傳感，在野外探險、火災救援等特殊場景中優勢突出。
此外，摩擦納米發電機還可以應用于虛擬現實技術和數字孿生技術，為這些領域提供新的能源解決方案。
下一步，摩擦納米發電機技術還可以廣泛應用于能源互聯網、智能電網、物聯網、互聯網、生物醫學、無線通信和無線傳感等多個領域。隨著人工智能技術的興起，該項技術與人工智能技術耦合，將會為更多的領域帶來巨大的創新和變革。
中能傳媒：影響海洋藍色能源技術的制約性因素包含哪些？
王中林：在理論技術層面，我國海洋能源基礎研究相對薄弱，目前尚未形成龐大的海洋能研究開發利用科研隊伍。
在政策指引層面，多數海洋能研發項目設備制造投入巨大且缺乏穩定持續的資金，導致發電成本相對過高。由于缺乏激勵政策和中長期規劃目標，企業吸引力不足，難以實現海洋能開發利用的商業化運行。
在產業層面，由于海洋能資源不穩定、能量密度較低且具有風險性，我國海洋能技術大多停留在科研院所和高校層面，未經過市場商業化檢驗。這也成為制約我國海洋能產業規模化發展的瓶頸。
“從0到1”，是一個漫長的過程，不僅要有長期厚重的知識積累，還要有瞬間的靈感；既要長期穩定堅持基礎研究，久久為功，又要聚焦比較優勢領域，突出重點；既要自由探索，也要從源頭或頂層為長遠戰略目標提供支撐。
相信，隨著國家對海洋藍色能源開發利用的重視程度持續加強，相關技術路線進一步成熟，其開發利用成本會逐步降低，海洋藍色能源開發也將迎來強勁的發展勢頭和機遇，成為支撐“雙碳”目標實現的重要“藍色途徑”。
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