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纳米发电机:将周围低频能量转化为电能

   日期:2018-08-08     来源:中国能源报    浏览:2625    评论:0    
纳米和能源有什么关联?纳米技术可能带动能源新的革命?十一届埃尼“前沿能源奖”对纳米发电机应用于新时代能源的前景给予充分肯定,并将该奖授予中国科学院外籍院士、欧洲科学院院士、中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长王中林,这也是对其“纳米发电机之父”地位的认可。


埃尼奖(Eni Award)被誉为世界能源领域的“诺贝尔奖”, 与计算机界图灵奖、数学界的菲尔兹奖及沃尔夫奖等并称为各自领域的最高奖项。王中林院士的获奖成果将会给能源带来怎样的影响?十几年的研发背后又有哪些不易?带着这些问题,《中国能源报》记者专访了这位“纳米帝国”的领军型科学家。

纳米发电机,

将周围低频能量转化为电能

中国能源报:埃尼奖组委会于7月23日将埃尼“前沿能源奖”授予您,表彰的是哪方面的研究成果?

王中林:这次埃尼奖主要表彰我基于纳米发电机的理论和技术的一些前沿科研成果,是对我发明纳米发电机和开创自驱动系统与蓝色能源两个原创领域的肯定,以及对纳米发电机应用于物联网、传感网络、环境保护、人工智能等能源和传感领域的肯定。

中国能源报:什么是纳米发电机?您带领团队研发的纳米发电机有哪些原创性优势?解决了哪些难题?

王中林:纳米发电机,是基于规则的氧化锌纳米线的纳米发电机,可在纳米范围内将机械能转化成电能,是世界上最小的发电机。我们的纳米发电机成果是原创。首先,纳米发电机理论是完全原创的,不同于传统电磁发电所利用的是传导电流,纳米发电机用的是麦克斯韦提出的位移电流。前者是我们现在大能源的基石,后者则应用于分布式能源,它是继法拉第电磁感应定律后180年来第二个把机械功转为电工的有效方法。此外,我们还有原创的学科——压电电子学和压电光电子学;原创的技术——摩擦纳米发电机和自驱动系统;原创的概念——我们将纳米发电机统称为“新时代能源”,即应用于物联网和传感网络时代的分布式、移动式、功率小但数量多的小电源网。这些理论、学科、技术和概念,都是我们首次提出,在这个领域我们引领世界。

这些理论和技术解决的最大难题,就是有效利用环境中低频能量,并将其转化为电能,提供了新的途径。传统的电磁发电机需要很高的频率才能发电,将低频能量转化为电能是不可能的。而生活中最广泛最常见的却是小于5-10赫兹的低频能量,其实,我们可以利用周围环境中的一动一静发电。纳米发电机理论的诞生就为人类有效利用这些环境中的低频能量从物理方面打通了途径。

从技术应用的角度来看,我们的理论解决了系统器件严重依赖外接电源或者电池的难题,可以实现自我摄取周围能量并转化为电能,实现自供电、自驱动,这个应用就非常广泛了,可以为物联网、传感网络、大数据时代工业器件提供分布式移动式电源,为物联网时代的到来提供全新的、可能的能源供给方案。

蓝色能源,

从“小能源”到“大能源”的“杀手性”应用


中国能源报:您提出的“蓝色能源”构想是基于怎样的考虑?

王中林:纳米发电机区别于传统的电磁发电机,它的优势就是能够将环境中的低频能量转化为电能,比如人的走路跑步、心脏脉搏的跳动……后来,我看到大海的潮汐波动,对着波浪的无规则晃动,我就想,我们的纳米发电机是不是也可以收集起这些不规则的低频能量,将之转化为电能?

基于此,我在2014年提出了“蓝色能源”的概念。可以说,这个概念的提出是我对纳米发电机理论在技术层面不断思考和研究的结果,它有望解决人类无法大规模利用波浪能的难题,也是将纳米发电机从“小能源”迈向“大能源”的“杀手性”应用。

中国能源报:何谓“杀手性”应用?

王中林:简单来说,“蓝色能源”技术的基本原理就是制作一种由众多摩擦发电球构成的大型网格纳米发电机,分层放置在远离海岸和航道的深水区,不会影响近海的人类活动。理论测算,对于山东省面积大小的一片海域,如果在10米深的水中布满这种发电网格,其发电量可满足全世界的能源需求。

现在我们团队在前期研究的基础上,技术研发取得了更好进展,而且利用的材料价格低廉,适用于大规模生产和商业化。对此,我们充满信心。

中国能源报:在纳米发电机研发过程中,您最大的触动是什么?

王中林:纳米发电机从2006年开始研发,到现在差不多已经12年,在这12年中,我们的科研也面临过很多困难,甚至受到诸多质疑。但我们坚定信念,每一步都留下了坚实的足迹。

印象深刻的事情很多,但感受最深的不是具体事件而是对原创的深刻理解和感悟。我们总是关注和强调原创,那么什么是原创?我想,不一定每个学者都能有这么深刻的领会。我认为,原创就是——别人没想到,你想到了;别人想到了但是没做,你做了;你做后别人认为不对、不正确,你却坚持做下去了;别人说你做的没意义,你还是坚持了;你坚持过程中遇到失败,面对嘲笑和讽刺,还在坚持,并最终取得成功。这个过程一般要10-20年,甚至更长。所以,原创一般来说都是在质疑甚至抨击中做出来的,一开始就被看好的基本上不会出现重大原创。这是我在研发纳米发电机技术的过程中印象最深刻的感受,真是“千里走单骑”。现在,全世界有40多个国家和地区、400多单位、3000多科研人员在从事纳米发电机的研究和应用,走在最前面的是我和我的团队。

前景可期,

有望成就自驱动系统

中国能源报:您的研究成果要实现大规模商业化开发还有哪些问题待解?

王中林:由于纳米发电机对材料要求不高,成本低廉,而且理论和技术日益成熟,因此产业化前景会非常好。我们的科研成果基本都是面向社会应用的,很接地气,已经获得了150余项专利,这些专利基本上都可以很快实现产业化应用。但我们是科学家,科研是我们的专长,搞产品和做市场是我们的短板。即便如此,我们的产业化也取得了初步的成功,比如我们利用摩擦电空气净化技术入股成立的中科纳清科技股份有限公司,生产的全新技术模式的摩擦电口罩和新风系统等,都初步被市场认可。

从产业化实践来看,我们认为科研成果转移转化,一方面需要政府牵线搭桥和必要的政策支持;另一方面也需要给科研人员充分的自主权,激发大家的积极性。

中国能源报:团队今后的研发重点有哪些?

王中林:下一步,我们将重点研发摩擦电空气净化系统在治理汽车尾气污染方面的应用,重点推进蓝色能源技术的开发和应用。还将进一步研发大规模传感阵列、自驱动智能键盘、可穿戴柔性自供能模块、无线自供电监测系统、自驱动医疗器件及柔性电子皮肤等方面的应用。

中国能源报:您的研究成果将为能源领域带来哪些变革?

王中林:我对我们的科研成果在能源方面的应用前景充满自信。

首先,随着人类社会向物联网、传感网络和大数据时代的迈进,不仅需要传统的大能源,也越来越需要基于纳米发电机的小能源,这些小能源将与传统大能源相辅相成,为人类社会带来更全面、更可靠的能源供给途径和方式。

其次,我们的蓝色能源也会为“大能源”开辟新的领域,人类大规模开发利用浩瀚海洋的波浪能和潮汐能,我想已经不是遥不可及的梦想了。

最后,随着纳米发电机技术的成熟和推广,我相信未来的电子器件将会越来越多地摆脱对外接电源的依赖,自驱动系统将为人类电子器件走向分布式、独立式、微小化、多样化开辟广阔的前景。 
 
标签: 纳米

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