利用摩擦生电，中国科学家找到了收集波浪能的全新方法

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利用摩擦生电，中国科学家找到了收集波浪能的全新方法是怎么回事，是真的吗？2017年02月22日是本文发布时间是这个时间。下面一起来看看到底怎么回事吧。
                                利用摩擦生电，中国科学家找到了收集波浪能的全新方法
                               
                                 波浪能取之不尽用之不竭，但我们一直没有很好的手段利用它。
                               
                               




大自然为人类提供了三种免费能源：阳光、空气和重力。人类对太阳能和风能的利用越来越充分，但在重力能方面却踟蹰不前。目前，我们会利用设在河流上的水电站，还有建在河流入海口和海岸上的潮汐发电装置来收集重力能。但只有为数不多的地方适合建水坝，而它们也会对环境造成破坏。

相比之下，海洋覆盖着70%的地球表面。不管天气如何，海面上始终波涛滚滚，昼夜不息。收集波浪的能量不需要占用土地，同时安全顾虑也小很多。但现实上，这种“蓝色能量”却几乎无法为人类所利用。目前，全世界的波浪农场加起来同时发电量不超过1~10兆瓦，能够满足一座城镇的用电需求。商业化的波浪农场尚不存在。

技术是主要问题。目前主流的波浪发电机采用大型而笨重的电磁发电机，后者由转子、磁铁和线圈组成。不管是在海床建塔支撑电磁发电机，还是把发电机固定在海床上都太过昂贵，并且技术上也困难重重。在靠近海岸的地方，可以用海面的浮标连接海底的泵，进而驱动岸上的发电机，但在深海地区以及开阔的洋面上这种方法就不行了。更重要的是，波浪是海水的缓慢运动，方向也不固定，这种情况下电磁发电机的效率很低。

我们需要一些与之截然不同的方法才能收获波浪能量。现在有一些新兴技术可以从人类运动中收集能量，我认为，我们可以从中得到驾驭波浪能量的灵感，因为与人的运动与波浪类似，都是相对来说比较缓慢的。

我们的研究组正在开发收集人体运动能量的装置，包括由心跳驱动的医学传感器，以及为照明、医疗和安全方面的应用提供能量的发电地毯。这些装置都能够收集某些材料相互摩擦时产生的静电，就像一把塑料梳子滑过毛皮时发生的那样。我们发现，通过摩擦获取电能要比其他方式，例如压电材料（被压缩时会产生电流）等效率更高，成本上也更低。

能量网

导电性差的材料，像纸张、玻璃和塑料放在一起摩擦时，表面会产生静电电荷。利用电极可以把摩擦产生的电荷引走。带有相反电荷的两块静电材料相互靠近或远离彼此就会产生电流。基于这个理论，我们的团队在2011年制造出了“微型摩擦发电机”，从几毫米到几米不等，用途包括照明、手机充电等。这种发电装置的效率与电磁感应发电机不相上下，能够将50%的机械能转化为电能。而压电材料的转换效率只有10%。

为了收集波浪能量，我们改造了这种微型发电机，以便整合到防水的浮标中。现在我们已经做出了橘子大小的球形装置。这种装置是一个绝缘材料制成的球壳和里面用另外一种绝缘材料制成的球构成的。球壳中填充的空气可以保证它浮在海面上。




生产这种微型发电机也是很简单的事情。它用的是特氟龙、橡胶、聚二甲基硅氧烷、硅、氟化乙烯丙烯、聚酰亚胺（一种塑料薄膜）、金属线圈（铝、铜或铁）这样的传统且廉价材料。由于是一个封闭系统，整个装置在海面上的设计寿命为十年，之后需要人为收回并回收，避免海洋污染。这种装置产生的电量取决于它随波浪运动的快慢，跟方向无关。如果每秒能放电2~3次，每个装置就能产生大约1~10微瓦的微小电能。要想产生更多的电能，只需把更多这样的装置连接起来。目前，我们已经试验过在4平方米的面积上连接400个这样的微型发电机，而且正在致力于进一步拓展规模。

我认为，即使是小规模的微型摩擦发电机网络，也能够为当地的发电厂或地方电网提供相当可观的能源支持。理论上，1立方米内间隔10厘米的1000个微型发电机足够点亮一只电灯泡。1平方千米的微型发电机网络则能够满足一座城镇的用电需求。要满足目前全世界的电力需求，需要一个面积与美国佐治亚州大小相同，深度为10米，每个发电机间隔10厘米的三维网络。

产生的电能需要通过线缆输送到陆地上，或用于附近的浮动平台。这些电能可用于分解水制造氢气，也可用来淡化海水或去除污染物，还可以用来提供照明或驱动导航系统。另外，也可以在这些微型发电机网络旁边设置太阳能电池板和发电风机组成混合新能源电站。

技术挑战

大规模应用这种技术当然也存在许多障碍，但我们相信大部分挑战都可以克服的。

这个装置最大的短板很可能是它自身的寿命。用于生产它的有机材料在盐水和光照下会不断降解。一旦进水，装置就会失效，所以需要用新型的防水材料，比如用于水下线缆的粘合剂，来填充装置上的缝隙和连接部位。另外，装置之间的连接线缆必须足够坚固以抵抗风暴。

这些蓝色能源网络的选址和大小也需要谨慎考虑，从使把它们对公众生活、海洋生命和海洋运输的影响减小到最低的程度。将它安装在远离航道和海岸线的深海的确不会影响到大众生活和娱乐，但这增加了向陆地输送电力的成本和难度。这些网络或许需要固定在岛屿或水下山峰周围以避免被洋流冲走，同时也不能困住海洋动物。

大型微型发电机网络在实践中的可行性尚有待观察。但同时应该思考的还有，它与现有的发电厂、太阳能和风能发电技术相比，是否有一战之力？我认为，由于太阳能和风能的电力输出受昼夜变化和天气状况的影响而波动很大，未来不同类型的发电方式应当配合使用。另外，发展中国家也需要满足国内日益增长的电力需求。由此可见，持久而可负担的蓝色能源势必会成为未来混合能源的重要成员。

实现梦想

发展微型发电机需要不同领域工业和学术实验室的参与：材料科学家需要设计更可靠的材料，例如可以更加高效地产生电荷的材料；机械工程师需要模拟并优化发电机网络在海洋中的运动；同时电气工程师需要设计管理和传输电力的最佳方式，另外环境科学家和海洋生物学家需要评估发电机网络对周遭环境的影响。建立一个致力于蓝色能源的研究机构将极大地加速这种新型可再生能源科技的发展。

据估计，蓝色能源技术发展的第一阶段需要政府提供5000万美元到1亿美元的资金支持。私营投资者和大型能源公司可以选择在实践和测试阶段介入。必须首先建立小型的试点网络为岛屿、小发电厂或村庄提供电力。与该技术相关的商机非常多，例如上游的材料和电力管理技术，还有下游的水净化和分解水制氢等。我希望，如果有充足的资金和技术投入，蓝色能源将发展成为比太阳能和风能还要廉价的选择。

撰文 王中林
编译 龚聪

原文链接：http://www.nature.com/news/catch-wave-power-in-floating-nets-1.21426