王中林Nature最新述評：“藍色能源”之夢

自然界為人類提供了三種能量的來源：太陽、空氣和重力。太陽能和風能已經進行了大規模的開發，而重力能就少得多了。水電站需要從流動的河流上收集能量，潮汐能也可以在某些入海口或者海岸進行收集。但是只有極少的地方可以用來修筑水壩或者水閘，而且建造這些也會對環境造成破壞。

相比之下，海洋覆蓋了地球70%的表面。水波能極為豐富，無論何時、無論何種天氣都永不停息，收集這些能量只需要很少的建筑面積并且不用擔心安全問題。然而，對這種“藍色能源”的利用還不夠，目前的水波能發電廠所產生的電能還不足以供給一個小鎮，而且水波能發電廠還沒有進行任何的商業運作。

近日，來自中科院北京納米能源與系統研究所和美國佐治亞理工大學的王中林院士在Nature上發表了題目為“Catch wave power in floating nets”的述評，詳細論述了利用納米發電機收集水波能這種“藍色能源”的研究進展、可行性以及面臨的困難，并對納米發電機的未來發展給予了厚望。

王中林院士團隊一直致力于對納米發電機的研究，這些器件包括從利用心跳驅動的醫學傳感器一直到能夠發電用于照明、健康和安全的墊子。當某些材料進行摩擦的時候，其表面就會產生靜電，收集這些靜電的方式比利用壓電材料進行發電更為有效和經濟。因此，如果能將摩擦納米發電機大規模應用于實際那是極為激動人心的。但是，現在還面臨著以下這些問題需要解決：開發更高效和持久的發電機材料和設計，在開放海域將這些納米發電機連接為網絡，收集能量并將其傳輸到陸地。

對于能源網絡的構建，文中提出了以下三個方面的構想：

第一，構建圓形的浮動裝置浮于海面，利用球內的運動部分在波浪沖擊下在內部摩擦產生電荷。

第二，利用浮動裝置上的懸掛鏈增加單位體積海水所能產生的能量。

第三，可以在浮動裝置上增加太陽能和風能接收裝置增加電能的產出并將其傳輸至陸地上的發電廠或電網中。

詳細的裝置結構及工作原理見下圖：

藍色能源裝置及工作原理圖

雖然初步的構想已經成型，并在小規模的實驗中證實了其可行性，但是大規模的工業應用還是面臨著很多技術問題，其中的核心就是納米發電機的持久性。浮動裝置及發電機本身的材料在海水及陽光下的老化以及浮動球體內的滲水問題都是阻礙納米發電機持續工作的障礙。此外，納米發電機網絡的位置對于漁業、航海、人類生活以及海洋生物的影響也是必須考慮的問題。最后，相比發展成熟的太陽能和風能發電裝置，納米發電機目前還不具備與其競爭的能力。但是其成本低廉、裝置簡單，對于發展中國家來說可以作為其日益增長的電力需求的備選。

當然，實現“藍色能源”之夢還有很長的路要走，需要各個學科的科研工作者的通力合作。據估算，首期的研究預算就高達5千萬到1億美元，這些都離不開政府、私人投資機構和能源企業的大力支持。

雖然前路漫漫，但是只要有足夠的投資和科技支持，“藍色能源”將不僅僅是一個夢想，它會變得比太陽能和風能等傳統能源更廉價，讓我們共同期待那一天的到來吧！

文獻鏈接：Catch wave power in floating nets (Nature, 2017, DOI: 10.1038/542159a)

本文由材料人電子電工學術組大城小愛供稿，材料牛整理編輯。

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