王中林：從0到1，利用藍色能源實現(xiàn)碳中和

　　2021年6月26日，“科普中國-我是科學(xué)家”第35期“我們的目標：0！”演講現(xiàn)場，中國科學(xué)院外籍院士，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，中國科學(xué)院大學(xué)納米科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長王中林帶來演講：《邁向碳中和的藍色能源》。

　　以下為王中林演講實錄：

　　2021.6.26 北京

　　各位好，很高興站在這里給大家講新的能源。能源非常廣，非常大，非常重要。在能源領(lǐng)域，我們未來的能源在哪里？我們有沒有新的思路？我們有沒有新的能源？怎么解決我們可能面臨的困難？

　　我今天的演講主題是《邁向碳中和的藍色能源》。能源是我們賴以生存的基礎(chǔ)，從第一次工業(yè)革命出現(xiàn)以煤為燃料的蒸汽機，到后來有以油為基礎(chǔ)的電力系統(tǒng)，到今天的信息時代，每一步發(fā)展都和新技術(shù)分不開，同時也和新的科學(xué)方法分不開。這個時代需求什么？除了所有的基本需求外，我們在推動包括人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療健康等很多方面的能源發(fā)展。能源的需求發(fā)生了變化。

　　我們過去靠發(fā)電廠，發(fā)電廠只能在特殊的地方發(fā)電，要讓三峽大壩發(fā)的電輸送到北京來，靠的是電網(wǎng)。發(fā)電有兩步，第一步靠化石能源燃燒驅(qū)動渦輪機，水力發(fā)電是靠水驅(qū)動渦輪機；第二步是靠電磁發(fā)電機。這兩步第一步是蒸汽機的原理，第二步是電磁發(fā)電機原理，把化石能源轉(zhuǎn)為所需要的能源。

　　北極在消失 | Kerstin Langenberger

　　但是，化石能源的過分利用改變了環(huán)境，1978年的地球和2012年的地球?qū)Ρ?，發(fā)生了很大的變化，綠地在消失，自然災(zāi)害在增多，特別是北極的消失是不可逆的。全球為什么一定會變暖？我們?nèi)粘Ｍㄇ谧能?，消耗燃料后釋放的熱量，不可能全部都散發(fā)到外太空去。所以地球整體在變暖，這也是我們面臨的挑戰(zhàn)。如何減少碳排放，是未來非常重要的戰(zhàn)略目標。我們知道減碳的重要性，更重要的是怎么解決這個挑戰(zhàn)？國家提出了零到一，我們有多少能稱得上零到一的發(fā)明？非常少。

　　我們的能源，已經(jīng)從“聚集型能源”變化到了“分布式能源”，大家使用的手機就是分布式能源的一種，這種發(fā)展是與日俱增的?，F(xiàn)實生活中，我們所用的能源是分布式的，不是過去那種靠電網(wǎng)在固定位置傳輸，分布式能源對物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)帶來了挑戰(zhàn)，比如低熵能源。

　　什么叫“熵”？“熵”是物理化學(xué)的概念，它用來描述系統(tǒng)的有序度。

　　一滴墨汁滴入一杯水后會擴散開，總分子數(shù)不變，總能量不變，但是墨汁擴散不可逆。這個擴散的過程叫“熵的增加”，這是熱力學(xué)第二定律決定的。

　　社會發(fā)展、能源發(fā)展也是一樣。隨著物聯(lián)網(wǎng)時代到來，我們能源需要走向分布化，社會發(fā)展的需求也要走向分布化。怎么滿足新時代的能源需求？未來的能源在哪里？很大部分在海洋，因為地球的70%的面積是海洋。

　　海浪 | Pixabay

　　海洋的能量是巨大的，包括潮汐能、波浪能等等，但是收集到的海洋能非常有限。海上有風(fēng)機發(fā)電，但只能建在淺水區(qū)，無法建在深水區(qū)。因為海洋所運載的能量非常難收集，波浪有一下沒一下、快一下慢一下，是低質(zhì)量能源，不是煤炭、石油這樣可以集中供能的高質(zhì)量能源?；茉词悄壳暗闹髁髂茉?，但資源有限，從長遠來講，如何解決低質(zhì)量能源利用的問題，是人類面臨的重大挑戰(zhàn)。

　　高性能TENG海洋能收集器件 | Tao Jiang#, Hao Pang#, Jie An#, Pinjing Lu, Yawei Feng, Xi Liang, Wei Zhong, Zhong Lin Wang*. Robust Swing-Structured Triboelectric Nanogenerator for Efficient Blue Energy Harvesting. Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2000064.

　　人類探索了海洋能可以用如圖這種漂浮的方法來收集，方法千變?nèi)f化，都是利用1831年法拉第發(fā)明的電磁感應(yīng)定律。發(fā)電裝置頻率一定要高、轉(zhuǎn)得快，因為只有風(fēng)力達到三四級時才可以發(fā)電；但風(fēng)力大于八級，轉(zhuǎn)得太快時，電機又會被燒壞。物理定律決定了只有在一定風(fēng)力范圍內(nèi)才能正常發(fā)電——這一瓶頸需要解決。

　　我今天跟大家講一個從零到一的突破。2011年，我們做微納能源研究時，發(fā)現(xiàn)了摩擦起電效應(yīng)可以做驅(qū)動力，將機械能轉(zhuǎn)為電能。當時利用的只是一個指頭運動的機械功，產(chǎn)生幾伏的電，而如今微納能源變成了一個研究領(lǐng)域。

　　摩擦起電 | Wikimedia Commons, Sean McGrath / CC BY 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0)

　　利用電磁感應(yīng)定律做功的發(fā)電機，它在轉(zhuǎn)得慢的時候輸出電壓低，不可用，所以必須轉(zhuǎn)得快。而我們的研究可以在低頻下輸出電壓，把人類微小的活動有效地變?yōu)殡娏Γ盐覀儹h(huán)境中的廢能變成有效的能——這就是發(fā)明。

　　電磁發(fā)電機它轉(zhuǎn)得快才能夠驅(qū)動（做功）一點，而摩擦納米發(fā)電機轉(zhuǎn)得慢卻能驅(qū)動做功很多，所以這對于低質(zhì)量能源的回收是一個非常有效的方法。從理論上講，納米發(fā)電機克服了電磁發(fā)電機在低頻下很難高效做功的致命弱點。所以這是“零”的開始，它們的原理不一樣，各自的應(yīng)用必然是不一樣的。2005年我做納米材料研究時，提出了“納米發(fā)電機”的叫法。

　　我先講它的幾個基本應(yīng)用，最后講怎么解決海洋發(fā)電的技術(shù)問題。首先要介紹微納能源——我們的任何活動都是微納能源，我們無時不刻不在產(chǎn)生肢體運動，怎么把人的活動變成有效的電力，這將會是一個無窮無盡的能源庫。

　　怎么利用雨水發(fā)電？| Pixabay

　　自然環(huán)境中也蘊含許多的微納能源——比如利用雨水發(fā)電。一般情況下雨水很難發(fā)電，特別是下雨時沒有太陽光，晴天的時候沒有風(fēng)，這些天氣下都沒法發(fā)電——這種不穩(wěn)定性對供能提出挑戰(zhàn)。因此，我們也研究如何能把雨水發(fā)電和太陽能發(fā)電結(jié)合在一起，稱為“復(fù)合型能源”。

　　在監(jiān)測環(huán)境時，會有很多監(jiān)測裝備。比如有二氧化碳檢測器，有水質(zhì)監(jiān)測器；這些儀器都需要定期更換電池，否則無法工作。為了解決這一問題，我2006年提出“自驅(qū)動系統(tǒng)”的概念——就是利用環(huán)境里邊的震動能、風(fēng)能等微納能源，保證儀器可持續(xù)地運轉(zhuǎn)，如今這一理念風(fēng)靡全球。

　　我們利用小盒子進行風(fēng)力發(fā)電，發(fā)電以后能夠探測空氣中的一氧化碳的含量，然后把信號無線發(fā)射出去，形成一個監(jiān)測環(huán)境的自驅(qū)動信號網(wǎng)——這也叫“小風(fēng)力發(fā)電”。

　　同時我們也研發(fā)了自驅(qū)動傳感。比如這個智能鍵盤——該鍵盤會把打字產(chǎn)生的電信號全部記錄下來，鍵盤下面裝有納米發(fā)電機，這種記錄會分析打字的習(xí)慣，敲字符的輕重、快慢，從而記住個人的特點。因此，智能鍵盤不光能識別密碼，還能識別輸入密碼的敲擊方式；如果敲擊方式與用戶本人不符，電腦就無法登錄——這是一種雙保險，鍵盤會對人的行為習(xí)慣進行分析記錄。

　　很多同學(xué)經(jīng)常打乒乓球，我們做的乒乓球邊緣上的傳感器就能識別你的球是打到哪個部位，不用通電，只要敲上去就能反映出來，知道球落在了哪個角落，從而界定有效球還是無效球。這個是我們做的體育方面的應(yīng)用——你可以想象在排球、羽毛球各個方面，包括一些競技競賽，都可以運用。

　　自驅(qū)動的智能屏，也可以利用我們的技術(shù)實現(xiàn)，只要接觸就能產(chǎn)生電信號，并會無線發(fā)射出去。

　　在圖書館，我們把納米發(fā)電機安置在書里邊，就能夠自動監(jiān)測，人什么時候翻過那本書，翻動會變成電信號，并無線地發(fā)射到接收端去——這對很多做收藏、做文物保護的工作有作用。

　　中醫(yī)數(shù)值化和脈搏血壓的實時監(jiān)測 | 王中林供圖

　　在醫(yī)療健康領(lǐng)域，把納米發(fā)電機裝在手臂上，可以實時探測人的血壓，這對于很多老年人非常有用。

　　基于摩擦納米發(fā)電機的自驅(qū)動傳感：機器人 | Hengyu Guo?, Xianjie Pu?, Jie Chen?, Yan Meng, Min-Hsin Yeh, Guanlin Liu, Qian Tang, Baodong Chen, Di Liu, Song Qi, Changsheng Wu Chenguo Hu*, Jie Wang* and Zhong Lin Wang*, A highly sensitive, self-powered triboelectric auditory sensor for social robotics and hearing aids, Science Robotics, 2018, 3, eaat2516

　　也有紙質(zhì)的納米發(fā)電機，放在耳朵里面像助聽器一樣，不需要電源，它可以作為一個麥克風(fēng)來回錄制你的聲音。

　　在聲音的觸發(fā)下，紙質(zhì)做的摩擦納米發(fā)電機發(fā)生震動，產(chǎn)生的音頻信號變成電信號，返回來放的時候能夠保證90%的還原度。它是紙質(zhì)做成的，不是其他復(fù)雜材料，發(fā)出的聲音可以讓機器人去識別，機器人進行判別誰在和它講話。

　　講了這些，大家覺得這和海洋發(fā)電有什么關(guān)系？好像沒有關(guān)系，但其實這關(guān)系到藍色能源。我剛開始提到，海洋的能源頻率低、分布廣、環(huán)境惡劣，很不穩(wěn)定；怎么把這些能源收集起來——這是我們要解決的問題。

　　網(wǎng)狀聯(lián)結(jié)數(shù)以百萬計的可捕獲低頻海波能量的摩擦納米發(fā)電機。本圖是網(wǎng)絡(luò)狀虛擬結(jié)構(gòu)圖，右上角是設(shè)計的球形納米發(fā)電機 | 中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所網(wǎng)站

　　為此，我們就把摩擦納米發(fā)電機做成球形的——這個球形放在水里，它在晃動時內(nèi)部的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)變化過程中產(chǎn)生有效的電力。

　　未來如果我們做出網(wǎng)格式結(jié)構(gòu)，我們就可以有效地把海洋分布廣的能量變成有效的電力，也可以把這種結(jié)構(gòu)布置在沙漠里，把風(fēng)能變?yōu)殡娏Α?/p>

　　我們也做很多實驗，在模擬場所里面做，也在現(xiàn)實的海里邊去做實驗。前期發(fā)電的頻率比較慢，海浪打一下就沒了。為了放大它的頻率，我們用這種擺錘式結(jié)構(gòu)，可以在受浪沖擊后持續(xù)擺動80多秒不停下來。每一個擺動它都在持續(xù)地發(fā)電，這種設(shè)計就是把不穩(wěn)定的、低質(zhì)量的、低頻的能源變成電力。

　　這種結(jié)構(gòu)使用的壽命也長，浪一打它可以擺很多次，不需要大風(fēng)大浪。它可以晝夜不停地發(fā)電，晚上也發(fā)電，有風(fēng)有浪的時候更好——所以它是一個可持續(xù)的能源，也是比較穩(wěn)定的能源。

　　想想看——海上放很多這種單元的時候，它的輸出是固定的，通過能量管理可以做到高效的利用。

　　我們實驗中，在低頻觸發(fā)下，能量轉(zhuǎn)化效率可以達到28%。過去的發(fā)電方式用線圈、磁鐵、電磁感應(yīng)定律，我們現(xiàn)在用的是高分子材料，在頻率比較低的情況下，我們能夠把低質(zhì)量能源變成有效的電力，在頻率高時可以依舊使用傳統(tǒng)的發(fā)電方式，形成一種互補。

　　一個網(wǎng)球大小的球，目前發(fā)電能達到4個毫瓦 | Pixabay

　　把過去用不了的能源高效地利用，這能發(fā)多少電，我做了個理論估值——先做一個網(wǎng)球大小的球，這個球目前發(fā)電能達到4個毫瓦，如果按未來10個毫瓦估算，我們以后利用山東省大?。?5.8萬平方公里），一米深的水，發(fā)的電量是1.58太瓦——相當于全國總能耗。同時還能不斷延伸到更深的水域，而整個發(fā)電過程無碳釋放，而且是比較穩(wěn)定的。

　　這是我們在推進的一個未來解決碳中和問題的根本路徑。我們在做前期的開發(fā)工作，希望能夠為國家，將來甚至為世界做出貢獻來，因為海洋的資源是無窮的，它的成本也是偏低的。我相信繼續(xù)的研發(fā)，能夠更加大大提高它的效能，也能減少它的成本。

　　和原來的電磁發(fā)電利用傳導(dǎo)電流發(fā)電不同，我們利用位移電流發(fā)電。通過無線發(fā)射，從空間傳入的能量電流叫“位移電流”——這是我們原創(chuàng)的路線，它對于低頻下的能量最有效。

　　所以什么叫“顛覆傳統(tǒng)”？什么叫“從零到一”？不是改一個小東西就行，顛覆傳統(tǒng)是“completely different”“Disruptive technology”——即顛覆性技術(shù)。這個技術(shù)是從根本原理上的不同。它的應(yīng)用第一個是微納能源，包括我們分布式能源；第二個是自驅(qū)動傳感，人工智能依靠大數(shù)據(jù)的支持，數(shù)據(jù)需要傳感器，怎么使傳感器不斷地輸出信號來，利用的是自驅(qū)動傳感；第三個是藍色能源的概念——目前這一概念尚處在實驗室的研發(fā)階段，大家可能覺得離應(yīng)用還為時尚早。

　　不過，回看過去，1831年法拉第發(fā)明電磁感應(yīng)定律的時候，當時人們還不相信它的應(yīng)用前景。法拉第那時候跟人做科普，就像我今天給你做科普一樣，人們肯定覺得這沒有用。

　　但是，1926年特斯拉預(yù)言智能手機面世的時候，別說手機了，連晶態(tài)三極管還沒有發(fā)明。晶態(tài)三極管是1948年發(fā)明的，集成電路的發(fā)明是1956年，大規(guī)模集成電路的發(fā)明是1970年，很多技術(shù)加在一起才有了智能手機。法拉第那個年代，沒有人會料想到未來發(fā)生的事情。所以對未來、對原創(chuàng)，要有開放的胸懷、有接納的胸懷，不要一棍子打死。我們一定要對新生的東西給予支持和扶持，否則我們永遠沒有原創(chuàng)。

　　我們也辦了一個科普園，叫“Maxwell創(chuàng)新科普園”，大家可以可以去參觀。

　　我們在這里普及原創(chuàng)發(fā)明的技術(shù)，讓中小學(xué)生能夠深入理解它的物理內(nèi)涵。所以最后，我想說，經(jīng)常我們在預(yù)言未來，你要去創(chuàng)造未來，科普是點亮我們每一個人對科學(xué)的認知，同時也是我們進一步開發(fā)出新的科學(xué)、新的技術(shù)，做前人做不到的事情。那么我們相信，我們的未來不是靠預(yù)言出來的，我們未來的世界是靠創(chuàng)造出來的。

　　感謝各位。

　　演講嘉賓王中林：《邁向碳中和的藍色能源》 | 拍攝：Vphoto