中科院院士王中林：微纳系统筑梦蓝色能源

　　中国科学院院士王中林：微纳系统筑梦蓝色能源

　　——访中国科学院院士王中林

　　文•本刊记者 王伟 彭慧文

　　编者按：在推进能源革命的进程中，分布式能源的发展逐渐得到各方关注，并不广为人知的微小能源领域，也正在孕育一场颠覆性的突破。本刊日前采访了中国科学院外籍院士、欧洲科学院院士，中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家、所长王中林，他认为，基于摩擦发电的纳米发电技术及微纳能源系统，是我国未来可以在国际领跑的重要领域，有望形成原创性成果和技术应用。建议从国家战略层面高度重视、大力扶持，面向蓝色海洋开发未来可持续能源。

　　微纳能源颠覆传统

　　《能源评论》：美国前国务卿基辛格有一句名言，“如果你控制了石油价格、你就控制了整个世界”。您如何评价能源的重要性，以及经常被提及的能源危机？

　　王中林：当今世界各国尤其是发达国家，对能源和资源的竞争与掠夺，已经到了水火不相容的地步，甚至不惜通过战争来达到目的。我们现在遇到的环境问题、气候变化问题，都和能源分不开。在这一点上，人类对能源的需求就像对健康的需要一样。可以说，能源是永远不灭的话题，是一切的核心，是一个值得永远研究的课题。虽然石油、煤炭等化石能源总有枯竭的时候，但目前人类对能源的需求可能还没达到危机程度。

　　《能源评论》：与传统的大规模能源相比，微小能源的特点就是泛在、收集成本高，您如何看待微小能量的利用价值？能否成为挑大梁的主力？

　　王中林：人类需要的能源有很多种，大能源解决的是大范围的城市、乡村居民的大规模用电问题，微小能源解决的是特定领域相关产品的应用，目前还只是多元化应用格局的一部分，能否挑大梁现在还很难判断。

　　我们的生活环境中充满了各种各样的能量，如机械能，包括人体运动、肌肉收缩；震动能，包括声波、超声波；流体能，包括体液流动，血液流动，动脉收缩。纳米发电机可以将这些微小的运动、振动、流体等自然存在的机械能高效转化为电能，从而实现无需外接电源的纳米器件的自驱动。这有可能是未来物联网、传感网络、环境监测、医疗保健和国防安全等方面的重要技术。

　　《能源评论》：您认为，从技术上来看，现有的技术在满足人类的能源需求方面存在什么问题？

　　王中林：目前人类的能源主要来自于污染严重且不可持续的化石能源，把化石能源转换为电的主要手段是百年不变的电磁发电机，它的根本原理是基于英国科学家法拉第1831年发明的电磁感应定律。在过去的180多年里，这个技术是驱动世界发展的主要动力。而电磁发电机需要有磁铁和线圈，且只能在高频率转速下才能把机械能有效的转化为电力（一般交流电频率为50或60赫兹），但不能把我们日常生活环境中常规的机械能进行有效转化。

　　《能源评论》：从基础理论层面来看，现在有哪些可以颠覆传统电子电磁理论的突破？

　　王中林：现在还不敢说颠覆，只是需要一项新的技术，能够弥补或者填充过去传统技术做不到的事情。这个技术就是纳米发电机技术以及微纳能源理论，它革命性地改变了把机械能转化为电能的原理和设计。这一原创技术发明首次不用磁铁，不用线圈，而是利用质轻、造价极其低廉的高分子塑料材料和一般金属（如铝和铜），利用两种不同材料摩擦起电和静电感应的耦合效应来高效地实现机械能与电能的转化，效率高达50%。

　　与传统的电磁发电机相比，纳米发电机由于采用了材料表面起电的独特机理，具有一系列不可取代的优势。首先，它非常轻且体积非常小，能量密度比电磁发电机有着巨大的优势。其次，纳米发电机的制作材料均为大规模工业化原料，加之结构简单，制作成型简便，使其制作成本远低于其它发电技术，这为其能够广泛应用提供了非常有利的条件。

　　《能源评论》：这一理论的技术和产业突破在哪里？

　　王中林：传统电磁发电的输出电压、电流和频率成正比，在低频时效率很低。而摩擦纳米发电机输出电压是恒定的，和频率没关系，只有电流和频率有关系，在低频下输出很高。而人的活动、海水的流动，都在2、3赫兹，如果可以实现2~10赫兹高效发电，那我们就不用建大坝，人类就可以实现能源无处不在的梦想。

　　这意味着，高频用传统发电技术，低频可以用纳米发电技术。从长远角度来看，低频发电技术将来可能和电磁感应发电具有同等重要地位。基于海洋开发的纳米能源技术，可以称为蓝色能源，可以大大提高海水动能的利用效率，称得上是革命性技术，甚至会超越绿色能源，因为地球表面75%是浩瀚的海洋。

　　面向海洋开发蓝色能源

　　《能源评论》：这是否意味着，您发现了另一个宝藏？目前纳米发电技术以及微纳米能源系统的主要方向在哪里？

　　王中林：微纳米器件和系统对当今经济和社会的发展起着决定性作用，在生物医学、物联网、传感网络和大数据、国防以及日常生活的各个领域中展现出前所未有的广泛应用。例如，随身穿戴的无线定位系统和健康监测系统，体内生物传感器和心脏起搏器系统，自驱动的安全防护系统。“自充电能源包一步实现能量的产生和储存”曾荣获国际知名的英国科学网站《物理世界》2012年度“十大科学突破”。

　　纳米发电技术的快速发展将会带动“自充电能源包”产业的迅速兴起。通过对纳米发电机的标准化、型号化以及与储能器件的系统集成，将为各类需要持续续航的设备提供高效、绿色、可持续的平台型供能解决方案。与此同时，对自充电能源包本身的加工、制造和应用也将形成一个全新的高市场大容量产业。

　　《能源评论》：这一技术在能源领域的规模化应用前景如何，未来能否产生杀手级应用？

　　王中林：我们的战略研究方向就是，微纳能源怎么和传统能源结合，产生杀手级应用。我们的判断是，基于纳米发电机技术的微纳能源理论，使得大面积收集海洋所提供的“蓝色能源”成为可能。

　　据科学估算，中国陆地海岸线长达1万8千多公里、大小岛屿6960多个，其中蕴含着极其丰富的“波浪能”资源，总量约有5亿千瓦，可开发利用的电能约1亿千瓦，这相当于10个三峡大坝所发电的总功率。这些只是海岸线所提供的“潮汐能”，而大面积海洋所能提供的“波动能”潜力更加巨大，但目前尚未正式开发。其原因有三：第一，电磁发电机质量大密度高，除非用塔“顶”起来，否则直接沉入水底，这使得收集能量的成本太高；第二，海洋波动能的频率极低，一般为0.1~5赫兹，由于基本物理原理的限制，电磁发电机不能有效的收集这些低频和不规则的能量； 第三，造价高，不适应于大面积推广。因此，地球和月亮的巨大引力所给予我们人类的海洋波动能几乎没有被利用，白白浪费。

　　《能源评论》：在这方面，纳米发电技术和微纳能源系统如何发挥作用？

　　王中林：基于纳米发电机的单元，我提出了漂浮在水表面的纳米发电机网络式结构来收集海洋蓝色能源的方法，类似于渔网结构一样。每一个节点是一个球形摩擦纳米发电机，用导线连接起来。目前理论预测表明每一平方公里的发电量可以达到1.15兆瓦，1万平方公里的输出电力相当于整个三峡大坝的输出功率。保守的计算表明，用地球0.5%表面水域所发的电有可能满足全世界的总能源需求。

　　由纳米发电机阵列结构所组成的发电网不占用陆地面积，不用移民，不用建大坝，发电不分昼夜，无论天气好坏，没有潜在的战略威胁。该技术造价低廉，成品轻盈，抗海水腐蚀性能好，因此极其适用于大规模生产，不但可以漂浮在水面上进行波动能的采集，也可以对水流的机械能进行回收。它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的采集。最后，因为输出电压高的特性，纳米发电机在收集低频海洋机械能上有传统发电机所不能取代的优势。这个技术的发明有可能解决了电磁发电机百余年来无法解决的问题，我们的“蓝色能源梦”有望实现。这对于国家的海洋经济和战略具有划时代的意义！

　　《能源评论》：纳米发电技术现在处于什么阶段？未来在产业化方面，会面临哪些挑战？

　　王中林：制约海浪发电的关键技术和“瓶颈”是发电模式的创新，发电效率的提高和安装方式的变革。相较于现有昂贵、复杂的海洋能采集与转换装置，基于纳米发电技术的发电网络不仅具有造价低、抗腐蚀、易于安装、输出稳定等优势，更重要的是能够对海洋机械能中占比最高的“波浪能”进行收集，具有非常广阔的应用前景，对国家的能源安全具有重要意义。蓝色能源的构想是我2014年首次提出来的，尽管只有短短的三年时间，我认为蓝色能源将是我国可持续发展、用之不尽、零排放的重大能源技术。利用摩擦纳米发电机的网格结构实现蓝色能源，唯的一劣势就是没有传统电磁发电机耐久，使用寿命还需要提高。但随着新材料的发现和几种模式的耦合，这个问题应该可以解决。

　　《能源评论》：届时对于大规模传输和应用，您有何具体设想？

　　王中林：大规模应用的时候，可以通过海底电缆进行输送，还可以考虑将所发电力通过电解水往陆地上运送氢气，甚至是净化海水后向陆地输送水资源。

　　诺奖级成果亟待突破

　　《能源评论》：有人评价，微纳能源技术是诺奖级别的成果，对于未来您如何规划？

　　王中林：我国有望在这个领域形成原创性成果。对于战略性产业，首先要占领战略制高点，保持先发优势。然后还要奠定原创的基础——制定标准，包括测试方法、材料标准、结构设计。最后要写成软件，放到互联网上供别人免费使用，大家携手共同把这个领域做起来，不能仅仅是星星之火，一定要遍地有“火”，才能遍地开“花”。我们已经开始到海里、河里去做网络测试，并建立了蓝色生态能源实验室，开展相关研究。

　　《能源评论》：从国际层面考量，您如何描述微纳能源研发和产业领域的现状和未来？

　　王中林：微纳能源产业的发展将引发新一轮的国际竞争。微纳能源虽然是新兴产业，但是其作为能源的供应和存储技术，处于整个经济发展链条的基础位置，它的发展将推动电子信息技术发生革命性的变化，并将导致环境的智能化和物联网的普及。因此，各国均将其作为一项重要战略进行布局。如美国能源部2012年已经将发展基于压电的微能源技术列入《支持重点方向指南》。2014年11月，国务院办公厅印发的《能源发展战略行动计划（2014-2020年）》首次将储能与分布式能源、智能电网和先进可再生能源等一起被列为九大重点创新领域，定位为国家战略性前沿技术。

　　目前，国际上有越来越多从事微纳能源研究的团队，如中国的中科院北京纳米能源与系统研究所、中科院物理研究所，日本国立材料科学研究所，韩国成均馆大学、科学技术院、韩国蔚山科学技术大学、三星研究院和现代汽车等，美国威斯康辛大学，意大利罗马大学。可以断定，微纳能源产业的发展将引发新一轮的国际竞争。过去还是星星之火，现在成了遍地开花，未来必将形成燎原之势。

　　《能源评论》：目前我国在基础研究上缺乏研究，从而导致微纳能源器件与下游应用领域的对接尚不通畅，这一问题如何解决？

　　王中林：虽然我国已经将微纳能源作为能源产业结构调整的重中之重，给予了大量的资金和政策支持。但是由于微纳能源器件研究历史短，缺乏对基础理论更深入地研究，特别是在纳米材料与纳米结构的量产化、器件集成与封装等关键技术上缺乏研究，使微纳能源器件与下游应用领域的对接尚不通畅，不能使我国的科研优势迅速转化成产业优势。因此，在前期研究的基础上，加大力量进行基础研究，突破关键技术，实现高性能微纳能源器件的集成化与量产化，解决物联网、数字医疗、环保监测及国家安全等传感技术所急需的长效驱动能源问题，是促进产业升级换代、提升我国经济核心竞争力的重要措施。

　　习主席提出打造具有全球影响力的科技创新中心的号召，对于原创领域的创新，必须给予高度重视。现在中国的微纳能源研究处于国际领先地位，我们有信心将这个领域办成世界的中心。未来，应将微纳能源研究作为重点列入“十三五”计划规划。从研发经费、产业化等方面给予持续的支持，支持基于纳米能源系统和纳米自驱动系统技术，走出一条从基础科学到工程设计再到工业技术“一条龙”的发展路线。

　　文章来源于《能源评论》杂志