海洋能是被譽為風能、太陽能等綠色能源之后的“藍色能源”。作為一種可能替代化石能源的新能源，海洋能一直被世人所關注。然而，海浪發電轉換率不高的問題一直困擾著科學家。

目前，發電模式的創新和發電效率的提高以及安裝方式的改革是制約海浪發電的關鍵技術和瓶頸，是實現海洋“藍色能源”的最大挑戰。日前，中國科學院北京納米能源與系統研究所所長、首席科學家王中林帶領他的團隊，首次提出了基于摩擦發電機網絡結構的海洋能采集方式，顛覆了從前以電磁感應收集海洋能的方式，并有望在五年內實現產業化。

“藍色能源”潛力無窮

地球的表面，70%被海水覆蓋，海洋貯存了140億億噸海水，蘊藏著大量的潛在海洋能源，這種來自大海的能源，亦被稱為“藍色能源”。

在陸地礦物燃料日趨枯竭和污染已趨嚴重的情況下，世界上一些主要的海洋國家紛紛把目光轉向海洋。

加大海洋能投入，加快開發利用海洋的步伐已經成為人類的共識。

“很多能量隱藏在海洋里，這樣一個龐大的能源庫值得人類深入探究，藍色能源將大有作為。”王中林表示。

據了解，風能、太陽能等綠色能源發展迅猛。然而除成本較高之外，風能和太陽能最大的限制因素是不穩定、受自然環境限制較大。這種不可改變的現實情況限制了綠色能源的發展。

再者，風能、太陽能的利用往往需要占用很多陸地面積，雖然可以利用寬廣的沙漠，但沙漠位置一般都較為偏遠，能源的輸運比較困難。

全球海岸線附近可被轉換的波浪能源保守估計可以為人類提供25億kw的電力。我國整個海岸線波浪能源十分豐富，總量約有5億kw，可開發利用的約7000萬～1.7億kw，具有廣闊的開發利用前景。

“所以，我覺得未來應該走發展藍色能源的道路，這種能源是晝夜存在的，還沒有被開發，一旦開發出來，我們有可能為國家的大能源發展開辟新的道路。”王中林說。

據悉，國家《“十二五“戰略發展規劃》、《可再生能源中長期發展規劃》、《海洋工程裝備制造業中長期發展規劃》等都明確地將海洋能的開發利用作為國家重點研發任務。

在專家看來，被稱為“藍色能源”的海洋能源的開發為利用可再生能源，解決當前能源危機，減少污染和二氧化碳排放，提高人民生活水平都具有重大戰略意義和巨大的經濟價值。

海浪發電遭遇瓶頸

目前，因為海洋能90%以上是海浪能，所以海浪能的開發利用成了世界各國競相發展的關鍵技術。在海浪能發電方面，英國、瑞典、葡萄牙、美國、日本等國處于領先地位。

我國海浪發電雖起步較晚，不過發展迅速。目前微型海浪發電技術已經成熟，小型岸式海浪發電技術已進入世界先進行列，但大容量并網型波浪發電技術與國外差距較大，海浪能開發的規模遠小于挪威、英國等歐洲國家。

最近，由中科院廣州能源研究所研制的“鷹式一號”漂浮式波浪能發電裝置，包括一套裝機容量10kW的液壓發電系統，一套10kw直驅電機發電系統，在珠江口正式投放，并成功發電，這標志著我國海洋能發電技術取得了新突破。

然而，盡管海浪發電研究已經開展近半個世紀，其商用化方面的進程落后于風能和潮汐能，由于缺少有效的能量采集技術，海洋能開發遠遠落后于風能和太陽能等綠色能源的采集。

主要原因在于各類海浪發電技術都存在這樣或那樣的缺陷，由此帶來的成本、效率、可靠性問題還沒有完全解決，這些關鍵技術問題是目前學界和業界關注的焦點。

目前，海浪發電主要是電磁發電。當前海洋能的采集，主要基于電磁感應的原理，利用海面運動產生的機械能帶動磁鐵和線圈間相對運動，形成電磁感應機產生電能。在由海浪機械能向電能轉化過程中，皆通過一次或者二次機械轉化后再驅動發電機。這使得這類發電機的結構復雜，體積笨重，不但難以提高發電效率，而且制備安裝困難，并給漂浮固定帶來了很大難度。

“構成傳統電磁感應機的是磁鐵和線圈，放到水里后會往下沉，不能自然地浮在水體表面，除非從海底建立支撐塔架。這樣大大加大了工程的難度和成本。再加上波浪的不規則運動，使得傳統的電磁發電機難以收集海浪能。”王中林說，“但海洋能的大部分機械能都是蘊含在海水表面的波動能。”

美國佐治亞理工學院博士生陳俊也指出，這些磁鐵和線圈只能采集水流的能量，方向性比較單一，而且很難經受海水腐蝕，極大地制約了長期使用的可能性。

另外一種壓電式發電機，可以將機械能直接轉化成電能，轉化效率高，但是壓電發電適于高頻振動，必須將海浪的低頻轉化成高頻振動，給發電機的實施造成了巨大的困難。

在科學家們看來，這些弊端降低了海洋能采集裝置的能量效率，加之制造成本偏高，難以大面積應用。

因此，目前發電模式的創新和發電效率的提高及安裝方式的改革是制約海浪發電的關鍵技術和瓶頸，是實現海洋“藍色能源”的最大挑戰。

顛覆海浪發電模式

近年來，摩擦納米發電機的出現，為高性能海浪發電提供了完全創新的關鍵技術。

2012年，國家“千人計劃”頂尖人才、中國科學院院士王中林教授帶領研究小組提出了“摩擦納米發電機”的概念。

這是一種基于摩擦起電現象的全新的發電模式,其能量轉換效率高達50%~80%。

摩擦納米發電機是利用高分子材料通過摩擦起電和靜電感應的耦合而實現的。兩種材料接觸時，電子轉移，這是摩擦起電。把兩種材料拉開一個小距離，材料兩端的電極層會產生電位差(電壓降)，這是靜電感應。為了屏蔽這個電壓降，電子從外電路流動，產生電流。兩種材料不斷地拉開再合上，合上再拉開，就產生交變電流信號。這種發電機質量輕，密度小，能漂浮在水面上。

在此基礎上，中美兩國的研究人員合作發明出由摩擦發電機網絡組成的海洋能發電新技術。這種具有特殊結構摩擦發電機組成的網絡，實現了高轉換率的海浪發電。

“摩擦納米發電機連成像漁網一樣，在海水上下翻騰時可以回收大面積的波浪能。”王中林說。

“結構的巧妙是這項技術的一大特色。”作為研究小組成員之一的研究生陳俊介紹說，每個器件單元中的塑料球，能夠很有效、很靈敏地將海水表面的波動轉換成自身的動能。滾動的小球，則能撞擊以觸發每個最小功能單元，使得將海水的波動能轉化成電能。

所以，該器件不僅可以對水流的機械能進行回收，還可以對漂浮在水面上進行波動能的采集，不僅可以收集大風大浪的機械能，而且對小波動也能進行有效地采集。

“此外，提出網絡這種概念，實際上是一種積少成多的方式。”中國科學院北京納米能源與系統研究所副研究員張弛表示，這種積少成多的作用可以收集巨大的能量，有助于解困能源危機，真正實現環境友好型供電。

從原理上區別于傳統電磁感應的摩擦納米發電機被科學家們視為“顛覆性的存在”。在能源業內人士看來，這項技術適合大規模生產。

產業化指日可待

目前，實驗測試表明一平方公里的海洋能輸出，可以有望達到1.15兆瓦，相當于點亮10萬支10瓦的燈泡，如果做成100公里×100公里的發電網絡，發電量相當于三峽大壩的輸出電量。

盡管這項研究仍處于實驗室基礎研發階段，“但是，我們應該看到它巨大潛能，根據實驗結果推算，真正實現大面積收集海洋能的時候，我們的能源將永遠不是問題。”王中林指出。

他同時表示，國家應該加大這方面的重視程度，積極投入資金，融合民間資本，大力鼓勵發展海洋能的研發和利用。

據張弛介紹，研究人員下一步工作是提高輸出電量的能力，提高設備的可靠性，推進產業化和市場的應用。

“從今年開始，我們已經有了產業化的立項，預計三年時間，能夠真正實現從實驗室邁向產業化。”王中林表示，這項技術還可以面向生活，將人體的運動和周圍環境風吹草動的機械能進行收集和存儲，用于便攜式電子器件進行供電，也可以滿足大能源的供電需求，充分利用潮汐能、海波能等。

據王中林透露，現在已經有企業遞出了“橄欖枝”來支持這項技術的成果轉化，相信在不久的將來，這取之不盡、用之不竭的藍色能源能夠真正幫助人類實現“藍色海洋夢”。