中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：能源是人類(lèi)賴以生存的根本，也是一個(gè)國(guó)家安全的保障。
文 ｜ 王中林（中國(guó)科學(xué)院外籍院士、中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長(zhǎng)）
與其他國(guó)家相比，中國(guó)的能源現(xiàn)狀是富煤、少油、缺氣，盡管煤炭?jī)?chǔ)量較為豐富，但也并非取之不盡。尋找新型可持續(xù)的能源，迫在眉睫。
當(dāng)前，隨著化石能源的過(guò)度使用，二氧化碳排放達(dá)到新高度，給生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害。近年來(lái)，自然災(zāi)害整體發(fā)生的頻率比以往更高，這可能與化石能源的過(guò)度使用不無(wú)關(guān)系。
國(guó)家提出將“雙碳”作為重大戰(zhàn)略目標(biāo)，能源轉(zhuǎn)型是必然趨勢(shì)。一方面，我們要大力發(fā)展綠色可再生能源，包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等；另一方面，散落在地球上的分布式能源也不可忽視。
能源從產(chǎn)生、利用到回收是一個(gè)系統(tǒng)性過(guò)程。過(guò)去，化石能源燃燒被用于發(fā)電后，都以其他形式散落在環(huán)境中，例如熱能、機(jī)械能等。這些大面積分布、碎片化的能源，可回收率很低，造成了能源不可再利用。
如何把環(huán)境中散落的“分布式能源”重新變成電力，輸送至千家萬(wàn)戶，是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。
20年前，隨著分布式傳感裝置和物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，信息通信技術(shù)的發(fā)展從有線走向無(wú)線，從有序走向分布。我們由此意識(shí)到，在能源領(lǐng)域也將可能面臨同樣的趨勢(shì)，即從一元變成多元，從集中走向分布。而這其中的關(guān)鍵問(wèn)題之一，是如何使分布式傳感器件能夠可持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、回收能量、提供數(shù)據(jù)信息?；诖?，我們繼而開(kāi)始研究微納能源。
微納能源即除傳統(tǒng)可再生能源、化石能源等“大能源”之外的“小能源”。
海洋中蘊(yùn)藏著巨大能量。前不久，中國(guó)科學(xué)院聯(lián)合歐洲科學(xué)院發(fā)布了基于海洋的氣候行動(dòng)，其中提到，海洋能源是未來(lái)替代化石能源的出路之一。
海洋中包括熱能、風(fēng)能、潮汐能、波浪能、生物質(zhì)能等能源，它們分布廣、能量大，我們必須向海洋要資源。匯聚各種各樣的海洋能量可極大滿足人類(lèi)的能源需求、降低二氧化碳排放。
然而，與歐洲國(guó)家海岸線上的“大風(fēng)大浪”相比，我國(guó)海岸線上的風(fēng)浪比較平靜，平均浪高僅有0.3~0.8米，收集起來(lái)非常困難，且能量較低很難進(jìn)行發(fā)電，這就需要顛覆性原創(chuàng)技術(shù)。為此，2012年，我們發(fā)明了納米發(fā)電機(jī)（TENG），它可以將廣泛分布的能量收集起來(lái)，將微小的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。
與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的原理不同，納米發(fā)電機(jī)是基于兩種材料的接觸起電，產(chǎn)生靜電感應(yīng)并對(duì)外輸出電流，具有高電壓低電流、在低頻下具有高效率的特點(diǎn)。每臺(tái)納米發(fā)電機(jī)并不大，但把它們結(jié)成網(wǎng)狀放置到海洋中，就可以將海水無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，且能夠穩(wěn)定輸出。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作理論測(cè)算，1平方公里的海面面積、1米深的水，用球形納米發(fā)電機(jī)連成三維網(wǎng)格，理論上可以產(chǎn)生10兆瓦級(jí)的電能輸出，可以點(diǎn)亮100萬(wàn)盞電燈。海洋藍(lán)色能源前景廣闊。
經(jīng)過(guò)成本核算，海洋能源形成規(guī)模化后，其成本低于風(fēng)能和太陽(yáng)能，且因?yàn)楹＠耸菚円共煌５模竺娣e所發(fā)的電應(yīng)該是持續(xù)、穩(wěn)定的，因此可以并網(wǎng)。我們?cè)诤Ｉ?、海下做的試?yàn)也取得了顯著成效，證明了我們的想法是正確的。
納米發(fā)電機(jī)的發(fā)明為實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的微型化帶來(lái)了可能，這是突破了1831年法拉第發(fā)明的電磁感應(yīng)定理后的第二個(gè)重大發(fā)明，也是在科學(xué)原理從0到1的顛覆性原創(chuàng)思想。
自從20年前納米發(fā)電機(jī)首次發(fā)明以來(lái)，迄今整整10年，我們已經(jīng)建立了基本理論框架、技術(shù)方法，在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面也邁出了重要步伐。納米發(fā)電機(jī)作為一個(gè)把機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)的傳感裝置，目前在安全防護(hù)、人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)安全、空氣凈化、健康維護(hù)等領(lǐng)域有潛在應(yīng)用。在拓展應(yīng)用的過(guò)程中，我們不斷完善技術(shù)理論，不斷學(xué)習(xí)提高，為在海洋能源領(lǐng)域真正規(guī)?；瘧?yīng)用奠定基礎(chǔ)。
實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)是一項(xiàng)宏大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在能源轉(zhuǎn)型過(guò)程中仍需要很多技術(shù)創(chuàng)新，包括發(fā)電方式、電網(wǎng)運(yùn)輸和儲(chǔ)能等。這十分重要但又十分艱難，需要多方配合、系統(tǒng)協(xié)作，相信未來(lái)一定能找出解決方案。
未來(lái)，一方面我們應(yīng)該大力推動(dòng)現(xiàn)有技術(shù)，保證化石能源作為能源安全保障的基礎(chǔ)；另一方面應(yīng)大力培育原創(chuàng)性、顛覆性技術(shù)，發(fā)展分布式能源，顛覆性技術(shù)有可能成為未來(lái)能源革命性轉(zhuǎn)變的保證。
從0到1的原創(chuàng)突破是非常困難的工作。比如，你有了世界首次的原創(chuàng)思想，能否變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)？能否得到行業(yè)認(rèn)可和社會(huì)接納？成本高的時(shí)候如何降成本……這需要長(zhǎng)期穩(wěn)定堅(jiān)持、久久為功。
因此，這需要國(guó)家頂層設(shè)計(jì)和政府專(zhuān)項(xiàng)資金的支持，同時(shí)帶動(dòng)社會(huì)資本投入。新能源領(lǐng)域需要科學(xué)突破，但也蘊(yùn)藏著巨大商機(jī)。此外，還需要人才培養(yǎng)和學(xué)科建設(shè)，使得該領(lǐng)域在發(fā)展中后繼有人。
重視基礎(chǔ)研究、原創(chuàng)思想和科學(xué)，只有這樣，我們才不會(huì)跟著別人跑、不會(huì)在核心技術(shù)方面被“卡脖子”，才能夠在科學(xué)發(fā)展史上留下印跡，也才能夠產(chǎn)生真正的顛覆性技術(shù)。
（《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者韓揚(yáng)眉采訪整理）
