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海洋，這片覆蓋地球71%面積的藍(lán)色疆域，蘊(yùn)藏著人類未來能源的無限可能。
在9月9日舉行的“新天工開物——科技成就發(fā)布會(huì)”能源技術(shù)專場(chǎng)上，北京納米能源與系統(tǒng)研究所團(tuán)隊(duì)帶來的“海洋藍(lán)色能源技術(shù)開發(fā)與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用”項(xiàng)目，向公眾展示了相關(guān)技術(shù)的最新突破性成果。
北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長(zhǎng)、首席科學(xué)家王中林院士原創(chuàng)發(fā)明的摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）技術(shù)，為破解低頻、不規(guī)則波浪能高效收集的世界難題提供了中國(guó)方案。
中國(guó)工程院院士張建民在推介中強(qiáng)調(diào)：“該技術(shù)不僅響應(yīng)國(guó)家‘雙碳’戰(zhàn)略，更將重塑海洋能源格局，為全球可持續(xù)發(fā)展注入新動(dòng)能?！?/p>
從“摩擦起電”到“藍(lán)色能源”：一場(chǎng)跨越2600年的科學(xué)接力
摩擦起電，這一人類最早認(rèn)識(shí)的電學(xué)現(xiàn)象，如今正被賦予全新的時(shí)代意義。
人類發(fā)現(xiàn)摩擦起電的歷史可以追溯到2600年前，古希臘哲學(xué)家泰勒斯在公元前600年左右就觀察到琥珀摩擦后能吸引輕小物體的現(xiàn)象。
然而，將摩擦起電轉(zhuǎn)化為實(shí)用發(fā)電技術(shù)，卻是一條漫長(zhǎng)而艱辛的探索之路。這一路上布滿荊棘，但全世界的科學(xué)家們從未放棄，他們不斷尋求將微小摩擦電荷高效收集與轉(zhuǎn)換的方法。2012年，王中林院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)明了摩擦納米發(fā)電機(jī)，終于實(shí)現(xiàn)了從0到1的突破。
“當(dāng)我們的團(tuán)隊(duì)首次在國(guó)際期刊上發(fā)表關(guān)于摩擦納米發(fā)電機(jī)的論文時(shí)，曾遭遇多次拒稿，最終只能發(fā)表在團(tuán)隊(duì)自己創(chuàng)辦的《Nano Energy》創(chuàng)刊號(hào)上?！表?xiàng)目首席科學(xué)家王中林院士介紹道。
如今，這篇開創(chuàng)性論文已被引用超過6500次，成為該領(lǐng)域的奠基之作，打破了“只有電磁感應(yīng)效應(yīng)才能將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能”的傳統(tǒng)認(rèn)知，開辟出一條全新的能量收集路徑。
從實(shí)驗(yàn)室到遠(yuǎn)海深藍(lán)：開啟海洋藍(lán)色能源的創(chuàng)新長(zhǎng)征
與傳統(tǒng)的電磁發(fā)電機(jī)相比，TENG展現(xiàn)出獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)：它能在低頻、微幅、弱力的條件下高效工作，完美契合海洋波浪能量密度低、頻率低的特點(diǎn)。
2014年，王中林院士在國(guó)際上首次提出“藍(lán)色能源”概念：利用成千上萬個(gè)TENG單元組成發(fā)電網(wǎng)絡(luò)，理論預(yù)測(cè)每平方公里海域可產(chǎn)生兆瓦級(jí)功率。
歷經(jīng)十余年的精心研究開發(fā)，團(tuán)隊(duì)將TENG裝置的輸出峰值功率密度從最初的幾瓦每立方米提升到114.8瓦每立方米。這一數(shù)字背后，是無數(shù)次的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料改進(jìn)和工藝創(chuàng)新。
研究團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)上千個(gè)日夜的苦戰(zhàn)，通過不斷改進(jìn)TENG的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化材料組合、提升能量轉(zhuǎn)換效率，終于實(shí)現(xiàn)了從原理到樣機(jī)，從實(shí)驗(yàn)室小試走向海試的跨越。
在研發(fā)過程中，團(tuán)隊(duì)曾面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。海洋環(huán)境復(fù)雜多變，波浪能密度低、波高低，對(duì)發(fā)電裝置的穩(wěn)定性、耐久性提出了極高要求。為解決這一問題，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了多種TENG結(jié)構(gòu)，包括球殼結(jié)構(gòu)、鐘擺結(jié)構(gòu)、振蕩水柱結(jié)構(gòu)等，最終確定了最適合海洋環(huán)境的結(jié)構(gòu)方案。
“我們對(duì)當(dāng)時(shí)的多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)具備一種特殊的結(jié)構(gòu)時(shí)，TENG展示出顯著提升的綜合性能?！蓖踔辛衷菏炕貞浀?。這種“特殊結(jié)構(gòu)”的發(fā)現(xiàn)，也為TENG裝置走出實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)真實(shí)海洋奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。
從“實(shí)驗(yàn)樣機(jī)”到“海試運(yùn)行”：產(chǎn)業(yè)化破冰之旅
科技成果從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化，往往面臨“最后一公里”的挑戰(zhàn)，王中林院士與TENG團(tuán)隊(duì)自然也不會(huì)例外。
王中林院士團(tuán)隊(duì)首先聚焦在海洋物聯(lián)網(wǎng)供電的應(yīng)用場(chǎng)景上，研制出了面向海洋物聯(lián)網(wǎng)供能的TENG集成樣機(jī)。在產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)過程中，團(tuán)隊(duì)與交通運(yùn)輸部東海航海保障中心溫州航標(biāo)處、山東省海洋儀器儀表科技中心有限公司等單位建立了緊密合作關(guān)系，共同推動(dòng)相關(guān)裝置的海試應(yīng)用。
2023年1月，團(tuán)隊(duì)研制的第一代集成TENG樣機(jī)在溫州洞頭海域開始海試；同年8月，第二代樣機(jī)海試。兩代集成TENG樣機(jī)的海試，實(shí)現(xiàn)了航標(biāo)燈的自驅(qū)動(dòng)。樣機(jī)在海上運(yùn)行近一年后，依然完好，能夠繼續(xù)發(fā)電。
2023年10月，團(tuán)隊(duì)在青島藍(lán)谷1號(hào)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行海試，將TENG裝置安裝到浮標(biāo)的浮筒里，對(duì)TENG的發(fā)電性能進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)浮標(biāo)的姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。2024年1月，16個(gè)基于TENG的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)浮標(biāo)組成的網(wǎng)絡(luò)在青島市即墨區(qū)田橫島開始海上示范運(yùn)行，用無人機(jī)拍攝的浮標(biāo)在海面上的狀態(tài)顯示，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。
2025年6月，發(fā)電部分體積達(dá)1立方米的TENG海洋浮標(biāo)樣機(jī)在大連海域初試成功——這是目前國(guó)內(nèi)外最大的波浪能摩擦納米發(fā)電裝置。
這些產(chǎn)業(yè)化嘗試，印證了TENG技術(shù)在海洋物聯(lián)網(wǎng)供電、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的巨大潛力。TENG技術(shù)具有高效率、零碳排放、全天候能量收集、成本低等優(yōu)勢(shì)，其裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作材料均為大規(guī)模工業(yè)化原料，成本低，為廣泛應(yīng)用提供有利條件。
“它為低頻波浪能收集提供了一種高效的技術(shù)路徑，有望以此為基礎(chǔ)構(gòu)建新時(shí)代的智慧海洋物聯(lián)網(wǎng)，高效利用海洋能源、生物、礦場(chǎng)等稀缺資源，以及全方位獲取輻射、污染、洋流和海疆安全等重要信息?！睆埥裨菏繉?duì)該技術(shù)的未來應(yīng)用評(píng)價(jià)道。
藍(lán)色能源的未來：多能互補(bǔ)與零碳愿景
全球波浪能理論儲(chǔ)量達(dá)20-30太瓦，而當(dāng)前人類文明總能耗僅約17太瓦。在國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)引領(lǐng)下，海洋藍(lán)色能源技術(shù)將發(fā)揮越來越重要的作用。藍(lán)色能源技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用，將為緩解世界所面臨的能源短缺、溫室效應(yīng)和環(huán)境污染等問題提供重要解決方案。
“隨著海洋藍(lán)色能源技術(shù)的日漸成熟，海洋能有望替代部分常規(guī)能源，”王中林院士表示，“這不僅將為‘碳達(dá)峰、碳中和’目標(biāo)提供新的技術(shù)范式，還將帶來世界能源格局的巨大變化?！?/p>
面向未來，TENG技術(shù)可與電磁發(fā)電機(jī)結(jié)合，構(gòu)建復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)；也能與海上風(fēng)電、光伏形成多能互補(bǔ)的能源供給平臺(tái)。在海洋裝備供電、海島供電、海洋牧場(chǎng)、智慧海上交通管理等領(lǐng)域，這項(xiàng)中國(guó)原創(chuàng)技術(shù)正描繪出一幅海洋“零碳”發(fā)電的壯麗圖景。
在海洋物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景方面，團(tuán)隊(duì)研制的高性能藍(lán)色能源“發(fā)電-管理-儲(chǔ)能”集成裝置，可給海洋物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定供能，進(jìn)行海洋環(huán)境的立體化監(jiān)測(cè)。
在海洋牧場(chǎng)方面，TENG技術(shù)可為海洋牧場(chǎng)設(shè)備提供持續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)，支持智能監(jiān)測(cè)和管理，提高海洋牧場(chǎng)的生產(chǎn)效率和可持續(xù)性。
在智慧海上交通管理方面，TENG技術(shù)可以為海上交通監(jiān)測(cè)設(shè)備提供能源，提升海上交通安全性和效率。
隨著技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用的不斷拓展，這項(xiàng)中國(guó)原創(chuàng)的能源革命性技術(shù)，必將為全球能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)中國(guó)智慧和中國(guó)方案。
從實(shí)驗(yàn)室的靈光一現(xiàn)，到遠(yuǎn)海的成功實(shí)踐；從單一樣機(jī)的突破，到組網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建——這項(xiàng)源自中國(guó)的原創(chuàng)技術(shù)，正在全球能源變革的浪潮中，書寫著屬于新時(shí)代的“天工開物”。以王中林院士團(tuán)隊(duì)為代表的能源領(lǐng)域科研工作者，正以創(chuàng)新為筆，以海洋為卷，繪制著人類可持續(xù)能源的未來藍(lán)圖。
責(zé)任編輯：張兆都
