王中林：從0到1，利用藍色能源實現碳中和

2021年6月26日，“科普中國-我是科學家”第35期“我們的目標：0！”演講現場，中國科學院外籍院士，中國科學院北京納米能源與系統研究所所長、首席科學家，中國科學院大學納米科學與技術學院院長王中林帶來演講：《邁向碳中和的藍色能源》。

王中林演講視頻：

以下爲王中林演講實錄：

2021.6.26 北京

各位好，很高興站在這裡給大家講新的能源。能源非常廣，非常大，非常重要。在能源領域，我們未來的能源在哪裡？我們有沒有新的思路？我們有沒有新的能源？怎麼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，從第一次工業革命出現以煤爲燃料的蒸汽機，到後來有以油爲基礎的電力系統，到今天的信息時代，每一步發展都和新技術分不開，同時也和新的科學方法分不開。這個時代需求什麼？除了所有的基本需求外，我們在推動包括人工智能、物聯網、傳感網絡、醫療健康等很多方面的能源發展。能源的需求發生了變化。

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

北極在消失 | Kerstin Langenberger

但是，化石能源的過分利用改變了環境，1978年的地球和2012年的地球對比，發生了很大的變化，綠地在消失，自然災害在增多，特別是北極的消失是不可逆的。全球爲什麼一定會變暖？我們日常通勤坐的車，消耗燃料後釋放的熱量，不可能全部都散發到外太空去。所以地球整體在變暖，這也是我們面臨的挑戰。如何減少碳排放，是未來非常重要的戰略目標。我們知道減碳的重要性，更重要的是怎麼解決這個挑戰？國家提出了零到一，我們有多少能稱得上零到一的發明？非常少。

我們的能源，已經從“聚集型能源”變化到了“分佈式能源”，大家使用的手機就是分佈式能源的一種，這種發展是與日俱增的。現實生活中，我們所用的能源是分佈式的，不是過去那種靠電網在固定位置傳輸，分佈式能源對物聯網的建設帶來了挑戰，比如低熵能源。

什麼叫“熵”？“熵”是物理化學的概念，它用來描述系統的有序度。

一滴墨在水中擴散 | giphy.com

一滴墨汁滴入一杯水後會擴散開，總分子數不變，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”，這是熱力學第二定律決定的。

社會發展、能源發展也是一樣。隨着物聯網時代到來，我們能源需要走向分佈化，社會發展的需求也要走向分佈化。怎麼滿足新時代的能源需求？未來的能源在哪裡？很大部分在海洋，因爲地球的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。海上有風機發電，但只能建在淺水區，無法建在深水區。因爲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，是低質量能源，不是煤炭、石油這樣可以集中供能的高質量能源。化石能源是目前的主流能源，但資源有限，從長遠來講，如何解決低質量能源利用的問題，是人類面臨的重大挑戰。

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，方法千變萬化，都是利用1831年法拉第發明的電磁感應定律。發電裝置頻率一定要高、轉得快，因爲只有風力達到三四級時纔可以發電；但風力大於八級，轉得太快時，電機又會被燒壞。物理定律決定了只有在一定風力範圍內才能正常發電——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，發現了摩擦起電效應可以做驅動力，將機械能轉爲電能。當時利用的只是一個指頭運動的機械功，產生幾伏的電，而如今微納能源變成了一個研究領域。

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

利用電磁感應定律做功的發電機，它在轉得慢的時候輸出電壓低，不可用，所以必須轉得快。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爲電力，把我們環境中的廢能變成有效的能——這就是發明。

電磁發電機它轉得快才能夠驅動（做功）一點，而摩擦納米發電機轉得慢卻能驅動做功很多，所以這對於低質量能源的回收是一個非常有效的方法。從理論上講，納米發電機克服了電磁發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“納米發電機”的叫法。

我先講它的幾個基本應用，最後講怎麼解決海洋發電的技術問題。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生肢體運動，怎麼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。

怎麼利用雨水發電？| Pixabay

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

在監測環境時，會有很多監測裝備。比如有二氧化碳檢測器，有水質監測器；這些儀器都需要定期更換電池，否則無法工作。爲了解決這一問題，我2006年提出“自驅動系統”的概念——就是利用環境裡邊的震動能、風能等微納能源，保證儀器可持續地運轉，如今這一理念風靡全球。

我們利用小盒子進行風力發電，發電以後能夠探測空氣中的一氧化碳的含量，然後把信號無線發射出去，形成一個監測環境的自驅動信號網——這也叫“小風力發電”。

同時我們也研發了自驅動傳感。比如這個智能鍵盤——該鍵盤會把打字產生的電信號全部記錄下來，鍵盤下面裝有納米發電機，這種記錄會分析打字的習慣，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，鍵盤會對人的行爲習慣進行分析記錄。

很多同學經常打乒乓球，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。

自驅動的智能屏，也可以利用我們的技術實現，只要接觸就能產生電信號，並會無線發射出去。

在圖書館，我們把納米發電機安置在書裡邊，就能夠自動監測，人什麼時候翻過那本書，翻動會變成電信號，並無線地發射到接收端去——這對很多做收藏、做文物保護的工作有作用。

中醫數值化和脈搏血壓的實時監測 | 王中林供圖

在醫療健康領域，把納米發電機裝在手臂上，可以實時探測人的血壓，這對於很多老年人非常有用。

基於摩擦納米發電機的自驅動傳感：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

也有紙質的納米發電機，放在耳朵裡面像助聽器一樣，不需要電源，它可以作爲一個麥克風來回錄製你的聲音。

在聲音的觸發下，紙質做的摩擦納米發電機發生震動，產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。它是紙質做成的，不是其他複雜材料，發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電有什麼關係？好像沒有關係，但其實這關係到藍色能源。我剛開始提到，海洋的能源頻率低、分佈廣、環境惡劣，很不穩定；怎麼把這些能源收集起來——這是我們要解決的問題。

網狀聯結數以百萬計的可捕獲低頻海波能量的摩擦納米發電機。本圖是網絡狀虛擬結構圖，右上角是設計的球形納米發電機 | 中國科學院北京納米能源與系統研究所網站

爲此，我們就把摩擦納米發電機做成球形的——這個球形放在水裡，它在晃動時內部的結構發生變化，結構變化過程中產生有效的電力。

未來如果我們做出網格式結構，我們就可以有效地把海洋分佈廣的能量變成有效的電力，也可以把這種結構佈置在沙漠裡，把風能變爲電力。

我們也做很多實驗，在模擬場所裡面做，也在現實的海里邊去做實驗。前期發電的頻率比較慢，海浪打一下就沒了。爲了放大它的頻率，我們用這種擺錘式結構，可以在受浪衝擊後持續擺動80多秒不停下來。每一個擺動它都在持續地發電，這種設計就是把不穩定的、低質量的、低頻的能源變成電力。

這種結構使用的壽命也長，浪一打它可以擺很多次，不需要大風大浪。它可以晝夜不停地發電，晚上也發電，有風有浪的時候更好——所以它是一個可持續的能源，也是比較穩定的能源。

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

一個網球大小的球，目前發電能達到4個毫瓦 | Pixabay

把過去用不了的能源高效地利用，這能發多少電，我做了個理論估值——先做一個網球大小的球，這個球目前發電能達到4個毫瓦，如果按未來10個毫瓦估算，我們以後利用山東省大小（15.8萬平方公里），一米深的水，發的電量是1.58太瓦——相當於全國總能耗。同時還能不斷延伸到更深的水域，而整個發電過程無碳釋放，而且是比較穩定的。

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工作，希望能夠爲國家，將來甚至爲世界做出貢獻來，因爲海洋的資源是無窮的，它的成本也是偏低的。我相信繼續的研發，能夠更加大大提高它的效能，也能減少它的成本。

和原來的電磁發電利用傳導電流發電不同，我們利用位移電流發電。通過無線發射，從空間傳入的能量電流叫“位移電流”——這是我們原創的路線，它對於低頻下的能量最有效。

所以什麼叫“顛覆傳統”？什麼叫“從零到一”？不是改一個小東西就行，顛覆傳統是“completely different”“Disruptive technology”——即顛覆性技術。這個技術是從根本原理上的不同。它的應用第一個是微納能源，包括我們分佈式能源；第二個是自驅動傳感，人工智能依靠大數據的支持，數據需要傳感器，怎麼使傳感器不斷地輸出信號來，利用的是自驅動傳感；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階段，大家可能覺得離應用還爲時尚早。

不過，回看過去，1831年法拉第發明電磁感應定律的時候，當時人們還不相信它的應用前景。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年特斯拉預言智能手機面世的時候，別說手機了，連晶態三極管還沒有發明。晶態三極管是1948年發明的，集成電路的發明是1956年，大規模集成電路的發明是1970年，很多技術加在一起纔有了智能手機。法拉第那個年代，沒有人會料想到未來發生的事情。所以對未來、對原創，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。

我們也辦了一個科普園，叫“Maxwell創新科普園”，大家可以可以去參觀。

我們在這裡普及原創發明的技術，讓中小學生能夠深入理解它的物理內涵。所以最後，我想說，經常我們在預言未來，你要去創造未來，科普是點亮我們每一個人對科學的認知，同時也是我們進一步開發出新的科學、新的技術，做前人做不到的事情。那麼我們相信，我們的未來不是靠預言出來的，我們未來的世界是靠創造出來的。

感謝各位。

演講嘉賓王中林：《邁向碳中和的藍色能源》 | 拍攝：Vphoto

作者：王中林

監製&策劃：吳歐

編輯：李霄 蔡禕

排版：尹寧流

校對：蔡禕

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