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专访中科院院士王中林:小能源也可作出大文章

时间:2014-04-03 00:47:50  来源:  作者:

王中林中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长,中国科学院外籍院士和欧洲科学院院士,国家 “顶尖千人计划”首批入选者,长江学者。在电子显微学和纳米科学方面有多项原创性和开创性研究成果,是纳米摩擦发电技术的开创者。
  记者:您认为雾霾形成的主要原因是什么?
  王中林:煤炭燃烧过程中产生大量的颗粒物,是造成空气污染的重要原因。第二个是燃油,以我在美国多年的生活经历来看,国内的汽油没有国外的质量高。咱们国家的车多,美国也不少,但他们那边空气质量就好得多。所以我说雾霾跟燃油肯定有关,但是有多大关系,得需要专家来研究。
  记者:您认为能源生产和消费方式变革有何重大意义?
  王中林:现在我们的能源生产方式以化石能源为主,资源就这么多,开采一点少一点,从长远可持续发展的角度讲,我们还必须要考虑子孙后代的利益,能源生产方式必须变革。我们研发的摩擦发电新能源技术,不敢说它能解决能源问题,但至少在一定程度上开辟了新途径。它的潜力,我们要看到。说到消费方式,我们生活中的浪费现象太普遍,改变需要每个人从自身做起,从细节做起,这一点国民教育很重要。
  记者:以您在美国的工作生活经历,特别是消费方式方面,两个国家有什么不同?
  王中林:能源消费这方面,美国不是节约的典型国家。美国民众家里的空调很多都是24小时开着的,汽车的排量也是最大的,所以美国长期是世界能源生产消费的第一大国。它的模式,不可复制。
  记者:这意味着美国的能源战略与我们截然不同?
  王中林:对。很简单,美国有大量的石油储存,大量的页岩气,人家当然不着急。
  美国煤的储量很丰富,但不开采,发电多是用气电、油电为主,而我们就不行了,我们的一次能源结构是富煤、贫油、少气,人口基数又很庞大。我认为能源生产方式变革就是改变现在化石能源为主的生产结构,大力发展绿色能源、可再生能源,当然我们的摩擦发电技术也是未来绿色能源的新选择。
  记者:提到摩擦发电,请您介绍一下这个领域?
  王中林:摩擦生电是常识,但摩擦只是产生了电压,没有电流,过去人们一直无法利用。我研究这个领域也是一次偶然,我是做材料研发的,但在一次失败的试验中偶然发现,两种高分子材料相接触的过程中可以产生电,于是我们对这个全新的领域进行了研究。
  实验中发现,两个由纳米材料构成的薄片摩擦接触后,再将这两个薄片表面分离,由于物体有保持电中性的倾向,因此通过电极层将这两个薄片与外电路连接,电子就会通过外电路在两个电极层之间流动,从而形成电流。依据这一原理,我们研究出了摩擦发电机。
  记者:传统发电都是动力驱动电磁线圈切割产生电,摩擦发电机真的只需要摩擦就能发电?
  王中林:是的,这与传统电磁感应驱动发电的原理在根本上是不同的。摩擦发电机利用的是摩擦起电和静电感应效应耦合,同时配合薄层式电极的设计,实现电流的有效输出。
  当然,最初摩擦发电机的输出电流和功率并不理想,但我们在反复实验中发现,电极之间的电荷转移量可以通过材料表面有序图案化得到极大提高,并和图案密度呈准线性关系。于是我们设计出一种图案化阵列结构,使摩擦发电机的输出功率产生了质的飞跃。现在的摩擦发电装置由平面化的圆形定子和转子两部分组成,采用表面图案化的摩擦层和电极层,通过旋转式接触的驱动设计实现了高达24%~50%的能量转化效率。
  记者:这样的能量转化率意味着什么?
  王中林:意味着它具备推广使用价值。我们现在已经研制了包括旋转式直流摩擦发电机、潮汐能收集装置、刹车发电模拟装置等在内的20多件摩擦发电装置。而它的动力源既可以是已被人们认识的风力、水力、海浪等大能源,也可以是人的行走、手的触摸、下落的雨滴等很少被人们注意过的随机能源,甚至车轮的转动、机器的轰鸣等也可以转化为电力。
  比如说,我们可以把刹车发电装置应用到汽车上,这时候产生的电能可以提供给车内使用。由于刹车时产生的摩擦力更大,也可以提供给汽车尾灯使用,这将显著降低汽车的油耗水平。
  再比如,我们可以将摩擦发电机安装到鞋子上,在人走动的时候,脚部对鞋底的按压或腿的晃动等动作就会通过摩擦发电机转换成电流,将这些电流收集起来并通过电池进行存储,实现对手机充电。
  记者:您认为推广摩擦发电有什么优势?
  王中林:首先,摩擦发电机由薄膜高分子材料和薄膜电极材料制成,具有极轻的重量和极小的体积,其能量密度较高。因此,它特别适合于为便携式及穿戴式电子设备或无线传感阵列等小型电器提供电能。
  其次,摩擦发电机的制作材料均为大规模工业化原料,加之其结构简单,制作成型简便,使其制作成本降低,为广泛应用提供了极为有利的条件。对于普通人,摩擦发电机带来的最大便利有可能是移动通信。
  第三,摩擦发电机的独特结构为收集两物体间的相互滑动产生的能量提供了可行甚至唯一的方案。不仅如此,摩擦发电机还具有大规模收集和转化自然界中机械能的潜力,有望成为绿色能源供给的全新途径。
  记者:那它有什么劣势?
  王中林:劣势也有。材料方面我们实验做了几千万次,性能还没有递减,但不敢保证说10年没有衰减,这个我们还没有做到。我们还需要继续提高它的效率,提高设计输出功率,以便大规模推广。另外,我觉得人们对于这方面的认识上还不够。
  记者:在您看来摩擦发电的发展方向应该是怎样的?与传统电磁发电的关系又将是怎样的?
  王中林:我认为它主要有两个方向。一是小能源方向。移动型小能源带动物联网,往移动通讯、传感网络方面发展。同时会迈向家庭化、微网。家里自发自用,不需要储存,也不需要上大电网,不用考虑稳定性的技术问题。二是大能源,兆瓦级的。比如潮汐发电,在幅面1平方公里、深5米的海水中,每隔10厘米放置一个球形摩擦发电机。按照每个球形摩擦发电机的输出功率为1毫瓦计算,海水一天24小时昼夜不停地浮动,理论上可持续发出近100万瓦的电,能够点亮10万盏电灯。在小能源方向,摩擦发电机的输出具有高电压低电流的特性,正好可以与传统发电机的低电压高电流形成互补的发电方式。在大能源方向,又可以成为新能源的重要组成部分,共同优化能源结构。
  记者:摩擦发电的大规模推广应用有没有路线图?
  王中林:有。我们期待3~5年内在小型产品领域实现推广应用,比如手机。5~10年内在驱动家庭电器方面实现突破。
  10~15年实现规模化供电,成为新能源发电的重要组成部分。
  记者:世界上关于摩擦发电现在是什么状况?
  王中林:美国等欧美国家对纳米能源十分重视,他们的能源管理部门、国防部都对此类项目有相关支持。但我们组是摩擦发电机的原创者和领先者,在人才和技术方面是全世界最领先的。
  记者:现在你们的产品还都处在实验室阶段,距离技术转化还有多远?
  王中林:现在已经有企业在和我们联系,包括意法半导体、联想、三星、南铁等都与我们有接触,估计产品距离投产并不遥远。

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