王中林:从0到1,利用蓝色能源实现碳中和

我是科学家iScientist 2021-09-15 20:30

2021年6月26日,“科普中国-我是科学家”第35期“我们的目标:0!”演讲现场,中国科学院外籍院士,中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长、首席科学家,中国科学院大学纳米科学与技术学院院长王中林带来演讲:《迈向碳中和的蓝色能源》。

王中林演讲视频:


以下为王中林演讲实录:

2021.6.26 北京


各位好,很高兴站在这里给大家讲新的能源。能源非常广,非常大,非常重要。在能源领域,我们未来的能源在哪里?我们有没有新的思路?我们有没有新的能源?怎么解决我们可能面临的困难?


我今天的演讲主题是《迈向碳中和的蓝色能源》。能源是我们赖以生存的基础,从第一次工业革命出现以煤为燃料的蒸汽机,到后来有以油为基础的电力系统,到今天的信息时代,每一步发展都和新技术分不开,同时也和新的科学方法分不开。这个时代需求什么?除了所有的基本需求外,我们在推动包括人工智能、物联网、传感网络、医疗健康等很多方面的能源发展。能源的需求发生了变化。


我们过去靠发电厂,发电厂只能在特殊的地方发电,要让三峡大坝发的电输送到北京来,靠的是电网。发电有两步,第一步靠化石能源燃烧驱动涡轮机,水力发电是靠水驱动涡轮机;第二步是靠电磁发电机。这两步第一步是蒸汽机的原理,第二步是电磁发电机原理,把化石能源转为所需要的能源。


北极在消失 | Kerstin Langenberger


但是,化石能源的过分利用改变了环境,1978年的地球和2012年的地球对比,发生了很大的变化,绿地在消失,自然灾害在增多,特别是北极的消失是不可逆的。全球为什么一定会变暖?我们日常通勤坐的车,消耗燃料后释放的热量,不可能全部都散发到外太空去。所以地球整体在变暖,这也是我们面临的挑战。如何减少碳排放,是未来非常重要的战略目标。我们知道减碳的重要性,更重要的是怎么解决这个挑战?国家提出了零到一,我们有多少能称得上零到一的发明?非常少。


我们的能源,已经从“聚集型能源”变化到了“分布式能源”,大家使用的手机就是分布式能源的一种,这种发展是与日俱增的。现实生活中,我们所用的能源是分布式的,不是过去那种靠电网在固定位置传输,分布式能源对物联网的建设带来了挑战,比如低熵能源


什么叫“熵”?“熵”是物理化学的概念,它用来描述系统的有序度。


一滴墨在水中扩散 | giphy.com


一滴墨汁滴入一杯水后会扩散开,总分子数不变,总能量不变,但是墨汁扩散不可逆。这个扩散的过程叫“熵的增加”,这是热力学第二定律决定的。


社会发展、能源发展也是一样。随着物联网时代到来,我们能源需要走向分布化,社会发展的需求也要走向分布化。怎么满足新时代的能源需求?未来的能源在哪里?很大部分在海洋,因为地球的70%的面积是海洋。


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。海上有风机发电,但只能建在浅水区,无法建在深水区。因为海洋所运载的能量非常难收集,波浪有一下没一下、快一下慢一下,是低质量能源,不是煤炭、石油这样可以集中供能的高质量能源。化石能源是目前的主流能源,但资源有限,从长远来讲,如何解决低质量能源利用的问题,是人类面临的重大挑战。


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.


人类探索了海洋能可以用如图这种漂浮的方法来收集,方法千变万化,都是利用1831年法拉第发明的电磁感应定律。发电装置频率一定要高、转得快,因为只有风力达到三四级时才可以发电;但风力大于八级,转得太快时,电机又会被烧坏。物理定律决定了只有在一定风力范围内才能正常发电——这一瓶颈需要解决。


我今天跟大家讲一个从零到一的突破。2011年,我们做微纳能源研究时,发现了摩擦起电效应可以做驱动力,将机械能转为电能。当时利用的只是一个指头运动的机械功,产生几伏的电,而如今微纳能源变成了一个研究领域。


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


利用电磁感应定律做功的发电机,它在转得慢的时候输出电压低,不可用,所以必须转得快。而我们的研究可以在低频下输出电压,把人类微小的活动有效地变为电力,把我们环境中的废能变成有效的能——这就是发明。


电磁发电机它转得快才能够驱动(做功)一点,而摩擦纳米发电机转得慢却能驱动做功很多,所以这对于低质量能源的回收是一个非常有效的方法。从理论上讲,纳米发电机克服了电磁发电机在低频下很难高效做功的致命弱点。所以这是“零”的开始,它们的原理不一样,各自的应用必然是不一样的。2005年我做纳米材料研究时,提出了“纳米发电机”的叫法。


我先讲它的几个基本应用,最后讲怎么解决海洋发电的技术问题。首先要介绍微纳能源——我们的任何活动都是微纳能源,我们无时不刻不在产生肢体运动,怎么把人的活动变成有效的电力,这将会是一个无穷无尽的能源库。


怎么利用雨水发电?| Pixabay


自然环境中也蕴含许多的微纳能源——比如利用雨水发电。一般情况下雨水很难发电,特别是下雨时没有太阳光,晴天的时候没有风,这些天气下都没法发电——这种不稳定性对供能提出挑战。因此,我们也研究如何能把雨水发电和太阳能发电结合在一起,称为“复合型能源”。


在监测环境时,会有很多监测装备。比如有二氧化碳检测器,有水质监测器;这些仪器都需要定期更换电池,否则无法工作。为了解决这一问题,我2006年提出“自驱动系统”的概念——就是利用环境里边的震动能、风能等微纳能源,保证仪器可持续地运转,如今这一理念风靡全球。


我们利用小盒子进行风力发电,发电以后能够探测空气中的一氧化碳的含量,然后把信号无线发射出去,形成一个监测环境的自驱动信号网——这也叫“小风力发电”。


  


同时我们也研发了自驱动传感。比如这个智能键盘——该键盘会把打字产生的电信号全部记录下来,键盘下面装有纳米发电机,这种记录会分析打字的习惯,敲字符的轻重、快慢,从而记住个人的特点。因此,智能键盘不光能识别密码,还能识别输入密码的敲击方式;如果敲击方式与用户本人不符,电脑就无法登录——这是一种双保险,键盘会对人的行为习惯进行分析记录。


很多同学经常打乒乓球,我们做的乒乓球边缘上的传感器就能识别你的球是打到哪个部位,不用通电,只要敲上去就能反映出来,知道球落在了哪个角落,从而界定有效球还是无效球。这个是我们做的体育方面的应用——你可以想象在排球、羽毛球各个方面,包括一些竞技竞赛,都可以运用。


自驱动的智能屏,也可以利用我们的技术实现,只要接触就能产生电信号,并会无线发射出去。


在图书馆,我们把纳米发电机安置在书里边,就能够自动监测,人什么时候翻过那本书,翻动会变成电信号,并无线地发射到接收端去——这对很多做收藏、做文物保护的工作有作用。


中医数值化和脉搏血压的实时监测 | 王中林供图


在医疗健康领域,把纳米发电机装在手臂上,可以实时探测人的血压,这对于很多老年人非常有用。


基于摩擦纳米发电机的自驱动传感:机器人 | 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


也有纸质的纳米发电机,放在耳朵里面像助听器一样,不需要电源,它可以作为一个麦克风来回录制你的声音。


在声音的触发下,纸质做的摩擦纳米发电机发生震动,产生的音频信号变成电信号,返回来放的时候能够保证90%的还原度。它是纸质做成的,不是其他复杂材料,发出的声音可以让机器人去识别,机器人进行判别谁在和它讲话。


讲了这些,大家觉得这和海洋发电有什么关系?好像没有关系,但其实这关系到蓝色能源。我刚开始提到,海洋的能源频率低、分布广、环境恶劣,很不稳定;怎么把这些能源收集起来——这是我们要解决的问题。


网状联结数以百万计的可捕获低频海波能量的摩擦纳米发电机。本图是网络状虚拟结构图,右上角是设计的球形纳米发电机 | 中国科学院北京纳米能源与系统研究所网站


为此,我们就把摩擦纳米发电机做成球形的——这个球形放在水里,它在晃动时内部的结构发生变化,结构变化过程中产生有效的电力。


未来如果我们做出网格式结构,我们就可以有效地把海洋分布广的能量变成有效的电力,也可以把这种结构布置在沙漠里,把风能变为电力。


我们也做很多实验,在模拟场所里面做,也在现实的海里边去做实验。前期发电的频率比较慢,海浪打一下就没了。为了放大它的频率,我们用这种摆锤式结构,可以在受浪冲击后持续摆动80多秒不停下来。每一个摆动它都在持续地发电,这种设计就是把不稳定的、低质量的、低频的能源变成电力。


这种结构使用的寿命也长,浪一打它可以摆很多次,不需要大风大浪。它可以昼夜不停地发电,晚上也发电,有风有浪的时候更好——所以它是一个可持续的能源,也是比较稳定的能源。


想想看——海上放很多这种单元的时候,它的输出是固定的,通过能量管理可以做到高效的利用。


我们实验中,在低频触发下,能量转化效率可以达到28%。过去的发电方式用线圈、磁铁、电磁感应定律,我们现在用的是高分子材料,在频率比较低的情况下,我们能够把低质量能源变成有效的电力,在频率高时可以依旧使用传统的发电方式,形成一种互补。


一个网球大小的球,目前发电能达到4个毫瓦 | Pixabay


把过去用不了的能源高效地利用,这能发多少电,我做了个理论估值——先做一个网球大小的球,这个球目前发电能达到4个毫瓦,如果按未来10个毫瓦估算,我们以后利用山东省大小(15.8万平方公里),一米深的水,发的电量是1.58太瓦——相当于全国总能耗。同时还能不断延伸到更深的水域,而整个发电过程无碳释放,而且是比较稳定的。


这是我们在推进的一个未来解决碳中和问题的根本路径。我们在做前期的开发工作,希望能够为国家,将来甚至为世界做出贡献来,因为海洋的资源是无穷的,它的成本也是偏低的。我相信继续的研发,能够更加大大提高它的效能,也能减少它的成本。


和原来的电磁发电利用传导电流发电不同,我们利用位移电流发电。通过无线发射,从空间传入的能量电流叫“位移电流”——这是我们原创的路线,它对于低频下的能量最有效。


所以什么叫“颠覆传统”?什么叫“从零到一”?不是改一个小东西就行,颠覆传统是“completely different”“Disruptive technology”——即颠覆性技术。这个技术是从根本原理上的不同。它的应用第一个是微纳能源,包括我们分布式能源;第二个是自驱动传感,人工智能依靠大数据的支持,数据需要传感器,怎么使传感器不断地输出信号来,利用的是自驱动传感;第三个是蓝色能源的概念——目前这一概念尚处在实验室的研发阶段,大家可能觉得离应用还为时尚早。


不过,回看过去,1831年法拉第发明电磁感应定律的时候,当时人们还不相信它的应用前景。法拉第那时候跟人做科普,就像我今天给你做科普一样,人们肯定觉得这没有用。


但是,1926年特斯拉预言智能手机面世的时候,别说手机了,连晶态三极管还没有发明。晶态三极管是1948年发明的,集成电路的发明是1956年,大规模集成电路的发明是1970年,很多技术加在一起才有了智能手机。法拉第那个年代,没有人会料想到未来发生的事情。所以对未来、对原创,要有开放的胸怀、有接纳的胸怀,不要一棍子打死。我们一定要对新生的东西给予支持和扶持,否则我们永远没有原创。


我们也办了一个科普园,叫“Maxwell创新科普园”,大家可以可以去参观。


我们在这里普及原创发明的技术,让中小学生能够深入理解它的物理内涵。所以最后,我想说,经常我们在预言未来,你要去创造未来,科普是点亮我们每一个人对科学的认知,同时也是我们进一步开发出新的科学、新的技术,做前人做不到的事情。那么我们相信,我们的未来不是靠预言出来的,我们未来的世界是靠创造出来的。


感谢各位。


演讲嘉宾王中林:《迈向碳中和的蓝色能源》 | 拍摄:Vphoto


作者:王中林

监制&策划:吴欧

编辑:李霄 蔡祎

排版:尹宁流

校对:蔡祎


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