海洋能是被譽(yù)為風(fēng)能、太陽能等綠色能源之后的“藍(lán)色能源”。作為一種可能替代化石能源的新能源，海洋能一直被世人所關(guān)注。然而，海浪發(fā)電轉(zhuǎn)換率不高的問題一直困擾著科學(xué)家。

目前，發(fā)電模式的創(chuàng)新和發(fā)電效率的提高以及安裝方式的改革是制約海浪發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)和瓶頸，是實(shí)現(xiàn)海洋“藍(lán)色能源”的最大挑戰(zhàn)。日前，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長、首席科學(xué)家王中林帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)，首次提出了基于摩擦發(fā)電機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的海洋能采集方式，顛覆了從前以電磁感應(yīng)收集海洋能的方式，并有望在五年內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

“藍(lán)色能源”潛力無窮

地球的表面，70%被海水覆蓋，海洋貯存了140億億噸海水，蘊(yùn)藏著大量的潛在海洋能源，這種來自大海的能源，亦被稱為“藍(lán)色能源”。

在陸地礦物燃料日趨枯竭和污染已趨嚴(yán)重的情況下，世界上一些主要的海洋國家紛紛把目光轉(zhuǎn)向海洋。

加大海洋能投入，加快開發(fā)利用海洋的步伐已經(jīng)成為人類的共識。

“很多能量隱藏在海洋里，這樣一個龐大的能源庫值得人類深入探究，藍(lán)色能源將大有作為。”王中林表示。

據(jù)了解，風(fēng)能、太陽能等綠色能源發(fā)展迅猛。然而除成本較高之外，風(fēng)能和太陽能最大的限制因素是不穩(wěn)定、受自然環(huán)境限制較大。這種不可改變的現(xiàn)實(shí)情況限制了綠色能源的發(fā)展。

再者，風(fēng)能、太陽能的利用往往需要占用很多陸地面積，雖然可以利用寬廣的沙漠，但沙漠位置一般都較為偏遠(yuǎn)，能源的輸運(yùn)比較困難。

全球海岸線附近可被轉(zhuǎn)換的波浪能源保守估計(jì)可以為人類提供25億kw的電力。我國整個海岸線波浪能源十分豐富，總量約有5億kw，可開發(fā)利用的約7000萬～1.7億kw，具有廣闊的開發(fā)利用前景。

“所以，我覺得未來應(yīng)該走發(fā)展藍(lán)色能源的道路，這種能源是晝夜存在的，還沒有被開發(fā)，一旦開發(fā)出來，我們有可能為國家的大能源發(fā)展開辟新的道路。”王中林說。

據(jù)悉，國家《“十二五“戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃》、《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》、《海洋工程裝備制造業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》等都明確地將海洋能的開發(fā)利用作為國家重點(diǎn)研發(fā)任務(wù)。

在專家看來，被稱為“藍(lán)色能源”的海洋能源的開發(fā)為利用可再生能源，解決當(dāng)前能源危機(jī)，減少污染和二氧化碳排放，提高人民生活水平都具有重大戰(zhàn)略意義和巨大的經(jīng)濟(jì)價值。

海浪發(fā)電遭遇瓶頸

目前，因?yàn)楹Ｑ竽?0%以上是海浪能，所以海浪能的開發(fā)利用成了世界各國競相發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。在海浪能發(fā)電方面，英國、瑞典、葡萄牙、美國、日本等國處于領(lǐng)先地位。

我國海浪發(fā)電雖起步較晚，不過發(fā)展迅速。目前微型海浪發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成熟，小型岸式海浪發(fā)電技術(shù)已進(jìn)入世界先進(jìn)行列，但大容量并網(wǎng)型波浪發(fā)電技術(shù)與國外差距較大，海浪能開發(fā)的規(guī)模遠(yuǎn)小于挪威、英國等歐洲國家。

最近，由中科院廣州能源研究所研制的“鷹式一號”漂浮式波浪能發(fā)電裝置，包括一套裝機(jī)容量10kW的液壓發(fā)電系統(tǒng)，一套10kw直驅(qū)電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，在珠江口正式投放，并成功發(fā)電，這標(biāo)志著我國海洋能發(fā)電技術(shù)取得了新突破。

然而，盡管海浪發(fā)電研究已經(jīng)開展近半個世紀(jì)，其商用化方面的進(jìn)程落后于風(fēng)能和潮汐能，由于缺少有效的能量采集技術(shù)，海洋能開發(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于風(fēng)能和太陽能等綠色能源的采集。

主要原因在于各類海浪發(fā)電技術(shù)都存在這樣或那樣的缺陷，由此帶來的成本、效率、可靠性問題還沒有完全解決，這些關(guān)鍵技術(shù)問題是目前學(xué)界和業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

目前，海浪發(fā)電主要是電磁發(fā)電。當(dāng)前海洋能的采集，主要基于電磁感應(yīng)的原理，利用海面運(yùn)動產(chǎn)生的機(jī)械能帶動磁鐵和線圈間相對運(yùn)動，形成電磁感應(yīng)機(jī)產(chǎn)生電能。在由海浪機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)化過程中，皆通過一次或者二次機(jī)械轉(zhuǎn)化后再驅(qū)動發(fā)電機(jī)。這使得這類發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積笨重，不但難以提高發(fā)電效率，而且制備安裝困難，并給漂浮固定帶來了很大難度。

“構(gòu)成傳統(tǒng)電磁感應(yīng)機(jī)的是磁鐵和線圈，放到水里后會往下沉，不能自然地浮在水體表面，除非從海底建立支撐塔架。這樣大大加大了工程的難度和成本。再加上波浪的不規(guī)則運(yùn)動，使得傳統(tǒng)的電磁發(fā)電機(jī)難以收集海浪能。”王中林說，“但海洋能的大部分機(jī)械能都是蘊(yùn)含在海水表面的波動能。”

美國佐治亞理工學(xué)院博士生陳俊也指出，這些磁鐵和線圈只能采集水流的能量，方向性比較單一，而且很難經(jīng)受海水腐蝕，極大地制約了長期使用的可能性。

另外一種壓電式發(fā)電機(jī)，可以將機(jī)械能直接轉(zhuǎn)化成電能，轉(zhuǎn)化效率高，但是壓電發(fā)電適于高頻振動，必須將海浪的低頻轉(zhuǎn)化成高頻振動，給發(fā)電機(jī)的實(shí)施造成了巨大的困難。

在科學(xué)家們看來，這些弊端降低了海洋能采集裝置的能量效率，加之制造成本偏高，難以大面積應(yīng)用。

因此，目前發(fā)電模式的創(chuàng)新和發(fā)電效率的提高及安裝方式的改革是制約海浪發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)和瓶頸，是實(shí)現(xiàn)海洋“藍(lán)色能源”的最大挑戰(zhàn)。

顛覆海浪發(fā)電模式

近年來，摩擦納米發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)，為高性能海浪發(fā)電提供了完全創(chuàng)新的關(guān)鍵技術(shù)。

2012年，國家“千人計(jì)劃”頂尖人才、中國科學(xué)院院士王中林教授帶領(lǐng)研究小組提出了“摩擦納米發(fā)電機(jī)”的概念。

這是一種基于摩擦起電現(xiàn)象的全新的發(fā)電模式,其能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)50%~80%。

摩擦納米發(fā)電機(jī)是利用高分子材料通過摩擦起電和靜電感應(yīng)的耦合而實(shí)現(xiàn)的。兩種材料接觸時，電子轉(zhuǎn)移，這是摩擦起電。把兩種材料拉開一個小距離，材料兩端的電極層會產(chǎn)生電位差(電壓降)，這是靜電感應(yīng)。為了屏蔽這個電壓降，電子從外電路流動，產(chǎn)生電流。兩種材料不斷地拉開再合上，合上再拉開，就產(chǎn)生交變電流信號。這種發(fā)電機(jī)質(zhì)量輕，密度小，能漂浮在水面上。

在此基礎(chǔ)上，中美兩國的研究人員合作發(fā)明出由摩擦發(fā)電機(jī)網(wǎng)絡(luò)組成的海洋能發(fā)電新技術(shù)。這種具有特殊結(jié)構(gòu)摩擦發(fā)電機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)換率的海浪發(fā)電。

“摩擦納米發(fā)電機(jī)連成像漁網(wǎng)一樣，在海水上下翻騰時可以回收大面積的波浪能。”王中林說。

“結(jié)構(gòu)的巧妙是這項(xiàng)技術(shù)的一大特色。”作為研究小組成員之一的研究生陳俊介紹說，每個器件單元中的塑料球，能夠很有效、很靈敏地將海水表面的波動轉(zhuǎn)換成自身的動能。滾動的小球，則能撞擊以觸發(fā)每個最小功能單元，使得將海水的波動能轉(zhuǎn)化成電能。

所以，該器件不僅可以對水流的機(jī)械能進(jìn)行回收，還可以對漂浮在水面上進(jìn)行波動能的采集，不僅可以收集大風(fēng)大浪的機(jī)械能，而且對小波動也能進(jìn)行有效地采集。

“此外，提出網(wǎng)絡(luò)這種概念，實(shí)際上是一種積少成多的方式。”中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所副研究員張弛表示，這種積少成多的作用可以收集巨大的能量，有助于解困能源危機(jī)，真正實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好型供電。

從原理上區(qū)別于傳統(tǒng)電磁感應(yīng)的摩擦納米發(fā)電機(jī)被科學(xué)家們視為“顛覆性的存在”。在能源業(yè)內(nèi)人士看來，這項(xiàng)技術(shù)適合大規(guī)模生產(chǎn)。

產(chǎn)業(yè)化指日可待

目前，實(shí)驗(yàn)測試表明一平方公里的海洋能輸出，可以有望達(dá)到1.15兆瓦，相當(dāng)于點(diǎn)亮10萬支10瓦的燈泡，如果做成100公里×100公里的發(fā)電網(wǎng)絡(luò)，發(fā)電量相當(dāng)于三峽大壩的輸出電量。

盡管這項(xiàng)研究仍處于實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研發(fā)階段，“但是，我們應(yīng)該看到它巨大潛能，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推算，真正實(shí)現(xiàn)大面積收集海洋能的時候，我們的能源將永遠(yuǎn)不是問題。”王中林指出。

他同時表示，國家應(yīng)該加大這方面的重視程度，積極投入資金，融合民間資本，大力鼓勵發(fā)展海洋能的研發(fā)和利用。

據(jù)張弛介紹，研究人員下一步工作是提高輸出電量的能力，提高設(shè)備的可靠性，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化和市場的應(yīng)用。

“從今年開始，我們已經(jīng)有了產(chǎn)業(yè)化的立項(xiàng)，預(yù)計(jì)三年時間，能夠真正實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室邁向產(chǎn)業(yè)化。”王中林表示，這項(xiàng)技術(shù)還可以面向生活，將人體的運(yùn)動和周圍環(huán)境風(fēng)吹草動的機(jī)械能進(jìn)行收集和存儲，用于便攜式電子器件進(jìn)行供電，也可以滿足大能源的供電需求，充分利用潮汐能、海波能等。

據(jù)王中林透露，現(xiàn)在已經(jīng)有企業(yè)遞出了“橄欖枝”來支持這項(xiàng)技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化，相信在不久的將來，這取之不盡、用之不竭的藍(lán)色能源能夠真正幫助人類實(shí)現(xiàn)“藍(lán)色海洋夢”。