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创新中国 透视未来]以纳米之微 取沧海之阔

编辑:能源网小编   发布日期:2018-01-03        

  编者按:十九大报告指出,创新是引领发展的第一动力,是建设现代化经济体系的战略支撑。加快建设创新型国家,要突出关键共性技术、前沿引领技术、现代工程技术、性技术创新,为建设科技强国、质量强国、航天强国、网络强国、交通强国、数字中国、智慧社会提供有力支撑。创新如何驱动中国爬坡过坎?哪些创新可能会改变我们的未来生活?特别策划《创新中国,透视未来》今天推出第二篇:《以纳米之微,取沧海之阔》。

  央广网12月26日消息(记者潘毅)据中国之声《新闻纵横》报道,每当走在柔软的海滩上,当海浪冲刷着你的双脚时,你会想到,这么温柔、一起一伏的海浪其实是可以发电的吗?想象一下,如果人们可以利用覆盖了地球71%表面的海洋来发电,人类的能源生活将会发生多么巨大的变化。让我们一起到中国科学院纳米能源与系统研究所了解一下这项神奇的技术。

  “过去那几种发电都在浅水区,叫潮汐发电,远离海边就不行,但我们这个不限,水底很复杂的地方也可以。所以这种梦想的设计,首先地域不限……”中国科学院纳米能源与系统研究所首席科学家、中科院外籍院士王中林是这项神奇技术的主要发明人。他表示,美国、日本、英国、西班牙等海洋大国都相继在海上建立了波浪发电装置,可是效率并不高。

  王中林介绍:“在这种情况下,传统的电磁发电机输出非常小,我们学习法拉第电磁定律知道,输出的电压,磁通量的变化率和转的速度有关系,传统发电在这种方向基本很难用得上。”

  但是,王中林手中的“王牌”——摩擦纳米发电机,则从原理上彻底了传统海洋发电的模式。利用这项技术“织”成的网格可以直接放在海面上,只是靠海浪的波动,就能源源不断获取能量。这个神奇的装置到底是什么样的?

  中科院纳米能源与系统研究所研究人员许亮首先展示了一个透明的“球”,在这个网球大小的空心小球里,内壁涂满了金属红色的导电涂层,两端接有导线,“这个外壳主要包括一个基本的壳体,内表面我们做了两个半球形的电极,电极表面我们会涂一层采用微纳米颗粒的绝缘材料。”

  轻轻摇一摇这个球,可以听到中间有东西在晃动。掰开这个空心球,里面出现一个尺寸更小的球来回颤动。“里面的球是一个硅胶球,经过特殊处理,晃动的话,这个小球就在里面滚动,使小球的表面和这个壳的内表面发生摩擦,小球表面带电,通过静电会在电极上产生电荷的移动,这个电荷就通过外电来运动,产生电流,把机械能成电能输出。”许亮说。

  千万不要小瞧这个看似不起眼的空心球,这其中可是蕴藏了王中林最重要的研究之一——纳米发电技术,它可以让不规律的、低频的机械能为电能。“就是一个器件,不依赖于我们给它的能源,它自己可以从工作的里边来摄取能量,可持续地连续不断工作。”王中林说。

  在实验室的一个一个蓄水池,就是用来模拟真实波浪的,打开水池边缘的造浪机进行验证。许亮介绍:“我们这里有一个信号发生器,它发出来的信号可以控制里面输出一定频率和一定幅度的波浪,用来模拟真实的波浪。”

  许亮拿出一组16个小球,以4乘4的模式相互连接成网放在水池中翻腾的波浪上,一旁的屏幕上瞬间显示出有电流源源不断地传输出来。“理想状态下,输出的电流大概在10微安左右,10微安是一个什么概念?我们可以用它来点亮大约100个LED灯。”许亮说。

  根据测算,当海波带动其中的小球每秒晃动两至三次,就可以产生大约1到10毫瓦的功率。王中林说,如果在10米深的水中布满这种发电的网格,像面积大小的一片海域,发出的电量甚至可以满足全世界的能源需求。

  在王中林的构想中,未实现大规模商业化开发之前,要先行开发建设一批小型分布式波浪能发电或海岛微电网。用五年时间,使试验范围由小变大,这是他实现“蓝色能源”梦想的“日程表”。

  蓝色能源的前景,不过,目前技术还处于实验室早期研发阶段,设想一下,如果到了真实的海洋中,纳米波浪发电机还能顺利发电吗?

  中国能源网首席信息官韩晓平认为,还有许多关键技术问题有待解决,“对于海洋能的利用这些年来一直在做各种各样的尝试,但是我们知道海洋上风浪十分巨大,而且海洋中还有很多浮游生物,导致发电效益会下降,有很多挑战、难题需要不断去解决。”

  真实的海洋总是充满意外,所以研发团队还需要研究足以抵御风暴及恶劣的布线结构和传输模式。要考虑尽量减少对航运、海洋生物与生态的影响。中科院化学物理研究所研究员爱还提出另外一个问题:生物腐蚀。

  爱认为,“生物污损可能是更严峻的挑战。可能有一些办法,比如防污涂层、或者自供能的防污防腐技术,但是还有待实践的检验。”

  一项技术一旦从“书架”“货架”,涉及到大规模商业化开发,成本永远是一个绕不开的问题。成本会是“蓝色能源”技术的门槛吗?长期研究纳米发电技术的大学教授霞认为,摩擦纳米发电机具有成本优势,“因为摩擦发电机需要的绝大多数都是我们身边已有的材料,而且大批量、大面积生产,能够更进一步来降低它的成本。”

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