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WIM2021丨中科院北京纳米能源与系统研究所所长王中林院士:未来能源在哪里

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作者:WIM2021
2021-12-29 12:01
怎么实现碳中和?一定是利用可再生能源、分布式能源,来中和煤发电而产生的二氧化碳。因此发展新型的能源,特别是颠覆性的能源技术是非常重要的。

12月21-23日,由亿欧EqualOcean主办的WIM2021世界创新者年会在上海成功举办。本届大会以“数字重塑世界”为主题,采用数字化的手段、新科技的方式,邀请来自全球各地的知名学者、投资者、行业领袖一同参与这场“数字盛宴”。

在上海市“数字化转型”建设工作推行一周年之际,作为“2021上海城市数字化转型活动周系列活动”之一,本次大会得到了上海市杨浦区人民政府的大力支持。珍岛集团,marketingforce.com全球领先的智能营销云平台,是本次活动的独家战略合作伙伴。

开幕式上,中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长王中林院士因临时公务原因未能亲自莅临大会现场,但他特意连夜录制了演讲内容,将通过视频形式带来主题演讲《从聚集型化石能源走向分布式高熵能源》。

以下是演讲实录:


在座的各位嘉宾、领导,非常遗憾无法到现场出席2021年世界创新者年会,现在我通过视频给各位领导、嘉宾做一个学术报告,我报告的题目是《从聚集型化石能源走向分布式高熵能源》。

我叫王中林,来自于中国科学院北京纳米能源与系统研究所。我讨论的主题是能源。

能源是人类赖以生存的根本。从最早的化石能源——煤开始,到近代的油和气,这些都是我们化石能源的主流能源,特别是支撑了我们工业、现代文明的重要发展。所以能源是根本。

那么能源的利用,特别是化石能源的利用,对我们的环境造成了很大的影响。

因为我们发电的过程中会向空气中释放二氧化碳。我们现在主要是通过燃煤产生热功,热功利用发电机把机械功转换为电功,所以通过蒸汽机和发电机的结合一起把化石能源转变成电力。我们输电的方式也是一样,是聚集型的,是从发电厂通过高压线把电力输送到千家万户,这是我们现在输电的主流方式。

但是这种对化石能源过度的使用,使我们的环境发生了重大的改变。在过去几十年,全球变暖,包括绿地和冰川的消失,使我们的地球面临很大的压力。所以实现双碳目标是我们非常重要的一个战略目标。

我们考虑长远能源在哪里?我们国家的能源可以用6个字概括——富煤、少油、缺气,所以我们发电的60%靠的是煤,煤发电必然会释放二氧化碳。那怎么实现碳中和呢?一定是利用可再生能源、分布式能源,来中和煤发电而产生的二氧化碳。因此发展新型的能源,特别是颠覆性的能源技术是非常重要的。

什么是颠覆性的技术?我们怎么培养一个新的、颠覆性的技术,能保证我们在后化石能源时期能有比较稳定的能源供给?这就是我今天讲的主题。

我们现在用的能源叫低熵能源,熵是热力学定律的熵。什么叫低熵?有序度高、高密度、高质量的就是低熵的,熵是一个无序度的测量。那么通过发电厂把电输送到千家万户,到分布式、无序性比较高的环境,这些能源一旦散发在环境中,用到我们环境里面就是不可逆、不可回收的。 

为什么呢?因为这是热力学第二定律决定的。什么叫热力学第二定律,就是一杯水上滴一滴墨汁,这个墨汁滴上去后墨汁分子在扩散,但是分子数不变。这种聚集型状态变成发散型状态是不可逆的过程,就是熵增的原理。

所以熵的增长,也是我们的能源变化,同样是一个持续的过程。熵增了以后,我们可利用的能源变得越来越少。所以要回收环境中的高熵能源,必须有新的技术、新的科学,所以我们要逆熵增而行,这是我们研究的主要思路。

怎么逆熵增而行,这就要看看我们的发明。我们发明的叫摩擦纳米发电机,是利用摩擦起电所产生的电荷作为驱动力来驱动电子流动。这种电流叫位移电流,和传统的电磁发电不一样,电磁发电是利用金属棒切割磁力线而把机械功转为电功。

它们两个的区别是什么呢?电磁式发电机输出电压低、电流高,所以特别当频率比较低的时候,它的输出更低很难用上;而我们的纳米发电机不管低频率还是高频率,输出电压是一样的。咱们通过这个视频可以看看它的区别在哪里:左边这个是传统电磁发电,有一个皮带轮带动,通过它的高速转动能够把有效的机械功转为电功;这边是摩擦纳米发电机,转速慢而输出电压高。那么这就是我们讲的一个新的发明,能够把我们的高熵能源有效地利用起来。

这个纳米发电机已经发明了很多年了,那么我们主要在做它的三大应用:微纳能源系统,自驱动传感,以及蓝色能源。

首先我谈一下什么叫微纳能源。我们做这个研究当初的目的,第一个目的就是从医疗健康出发,能不能使心脏起搏器自驱动,那么就是能不能利用小老鼠的呼吸来驱动一个商用的心脏起搏器。

经过十年的努力,前年我们首次达到了应用,利用这个大动物的呼吸,一个非常小的3厘米长、2厘米宽、1毫米厚的薄片,发的电力成功驱动了商用的心脏起搏器。十年的努力使得我们打开了在可植入式器件里微纳能源的一扇门,将给我们的脑科学、医学的研究提供了新的思路。

那么到底能发多少电呢?可以以平时我们一个人的自由行走作为例子。这是一个人自由行走,他发的电能够把这些灯点亮,输出的电压至少有2000多伏,那么它的功率能达到2瓦-3瓦;这个是滑梯板,学生从滑梯上滑下来以后能够产生电。这些都是利用人的动作,我们人的动作是最普遍的。怎么把人的动作变成有效的电力,就是我们研究的高熵能源的一个重要部分。

我们还研究利用液体和固体的接触将机械功转为电功。你看一滴水滴下来以后很多灯在闪烁,这个输出电压至少有200伏,这个就是液固界面起电能把机械功转为电功的方法。我们南方雨特别多,利用雨水发电就是我们研究的一个方向。

我们现在要实现碳达峰,其中很重要的一点就是探测二氧化碳的分布。那么全国范围面积大、分布广,怎么探测二氧化碳的分布呢?需要利用微风来发电。

我们做的微风发电就是这种简单的振动型微风发电,风吹过去之后可以产生电力,然后和一个二氧化碳探测器结合在一起,能够实现自驱动的信号无线发射。这可以分布在全国的各个地方,所以在同一时间我们可以收集来自全国各地的数据。这就是一个自驱动的系统,是我们讲的第一个重要应用——微纳能源。

第二个是自驱动传感。什么叫自驱动传感?就是这个传感器它不需要供电,自己在外界的触发下就可产生电信号提供数据。

这是我们做的一个样机——智能键盘。咱们每天打26个字母,键盘下面植入了我们的发电机,那么发电的时候它不光能识别你的密码,还能识别你打字的姿态,因为你敲键盘的轻重和字母的间距是非常有关系的,所以通过这个我们能研究一个人的打字习惯。

这个就是我们利用纳米发电机做的,能够识别人的打字习惯,特别是过去靠声音识别,现在做的是打字习惯的识别。这个就是我们做的一个面向市场的实验,如果说你输入的这个密码对,但是输入密码的姿态不对,是进不去的。所以对很多的保险系统进行特殊应用,可以提供双保险。

这是我们做的另一个方面——智能体育。因为体育上有很多动作,假如说这个球碰在乒乓球台的左边这个沿上、这个棱上是有效球,然后这个球碰在边沿上是无效球,通过我们把纳米发电机放在不同的位置,就可以判断这是否是有效球,下面这一个是无效球,就打到这边上去了。这个通过录像是很难看到的,因为它速度非常快,所以对于很多的体育运动,智能体育可以通过摩擦纳米发电机来实现。

这个自驱动传感对于文件的追踪也是一样,假如说图书馆有几百万本书,每本书在哪里,什么时候谁动了某本书,一般监测起来非常难。所以我们把摩擦纳米发电机做到书本的表皮上面,一动那本书它就发出一个信号。如果说放一个电池带动,只要几年不动它早就没有电了,而利用摩擦纳米发电机,任何的翻动动作都可以产生信号

还有触感,特别是它的安全保护作用,任何敲击的动作都可以产生信号,这个信号可以达到几伏,所以不需要放大就可以把这个信号发送出去,这也是我们讲的自驱动传感的其中一种。

另外一种我们还发展什么呢?中医平台的数据平台。我们希望的是中医数字化、中医现代化、中医可传承化,把号脉严格地测下来。利用我们高灵敏的传感器,可以把号脉数据或一些相关的其他测试数据全部都提取出来,使得我们的中医实现更稳定的数字化、可传承化,这对我们发展祖国的医学是非常有用的。

对于这个人机界面,通过做的发电机,在声音驱动下发出一个电信号,这个电信号不需要放大,机器可以直接判断。

所以实现人机界面,第一个是录音机,录音回来播放时保真度可以达到90%;下一个就是和机器交换信息的时候,机器能识别谁在讲话,所以可以用我们的纳米发电机做一个自驱动麦克风,可以做声音的识别,这对于我们发展机器人等方面都有一定的用途。

那么下面我讲一下蓝色能源。

在后化石能源时代,我们的主流能源是什么?尽管现在我们有很多的能源,但是我们地球上的资源是有限的。随着人类文明的推进,特别是我们社会高速的发展,能耗是很大的,所以像我们国家能源储备量还是有限的。

那么未来能源在哪里?海洋是个大的能源。地球上70%的面积被海洋覆盖,海洋中拥有巨大的能量,但是能量的回收是非常困难的,因为海洋环境恶劣、复杂,且造价高。但是未来我们必然是要走向海洋的,那么怎么实现这个海洋能的高效利用,是我们一直在研究的一个课题。

现在我们在海边做这种打击式的电磁发电机,打击式地收集波浪能只能在海边上做,而且只能收集一小部分的能源,大部分是不行的。所以这个收集方式只有在特殊的区域才能够实现,收集的量也很少很少。

那么要怎么收集能量呢?因为海洋本身区域广、频幅低,收集它的能量就比较困难。所以我们就做那种球形的摩擦纳米发电机,在这个波浪里边可以随波飘动,飘动的时候里边的球在里边滚动的时候就可以把机械功转为电功,我们也做了相关的实验。理论上我们能不能做成一个网格式结构,能做成的话能发多少电,这是我们问自己的问题。

首先我们这个发电是怎么发电的、能产生多少功率、发电是靠什么来发电的?球套球、球在里边滚动,你看这是一个波动,不需要它朝一个方向流,只要动就行,所以只要水在动的时候,一行四个球就会发出几百伏的电压来,这个相当高了。所以使得用球形的结构来回收能源变成了可能,特别是对这种无规则的、不规则的、活动频幅低、幅度小的能源,这就是高熵能源的特点,所以回收高熵能源利用这个发电机是很好的方法。

接下来看怎么能延长它的寿命,所以我们需要做成这种摆钟式结构。这个摆锤在波浪里被触发以后,可以沿着中心位置摆动88秒,每一秒、每一个来回它都在发电,这就是我们做的利用摆锤式结构可以把有效的水波能和微风能用于发电。一般的风力发电机对微风是没有办法的,一般低于三级以下风是不可发电的,是其原理所限制的。

那么怎么提高发电的效率呢?如果说这个摆锤结构经过浪打以后,摆锤这边摆80多秒,每一秒都可以发电的话,机械能转为电能的效率是28%。大家不要认为这个好像不高,但是放在海里边,这么高熵的能源、无序的能源能够收集28%,这个效率相当可以了。

这是我们做的单个器件,在海里边还有浮标,那么能不能使海里的浮标自驱动呢?假如说这个浮标可以自驱动,那么就可以不需要换电池来实现连续的工作。这个是海洋里面的自驱动传感。

理论上讲它能产生多少电力呢?如果说我们做计算模拟,这种网格式结构现在能实现每立方米30瓦的输出,保守算每立方米10瓦输出,那么山东省大小的面积就是400公里乘400公里的面积、一米深的水,做的这个球型发电网络可以做成多层的,产生的功率输出是1.58太瓦。这是理论预估值,它是全国的总能耗。

那么这个发电是不依赖于天气的,因为它用的水波能并不是大风大浪才能用来发电。所以它不分昼夜不分天气好坏,而且很多球的输出总体来说是一个直流输出,是比较稳定的。而且整个发电过程是零碳排放的,所以它对于实现碳达峰和碳中和,提供了一个很好的支撑的技术。

那么这个成本怎么样呢?我们和核能、太阳能、风能做了比较,成本是比较低的,所以它是一个很有发展潜力的技术,对于后化石能源时代能够提供一个新的颠覆性技术。

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我们讲任何一个颠覆的技术,必须是:科学技术是颠覆的、科学路线是颠覆的、科学理论是颠覆的。

电磁发电是低电压、高电流,所以输出的功率正比于频率的平方,是金属棒切割磁力线把机械功有效地变为电功,利用的是线圈、磁铁。而我们这个摩擦纳米发电机,它的特点是低电流、高电压,所以它的输出功率是正比于频率。这个球在里面摆动的时候能够产生电能,它使用的是高分子材料。用材不一样、原理不一样、结构不一样、理论都不一样。

理论怎么不一样呢?我们从根本上分析的话,电磁发电,利用磁场的变化率来发电,而我们的纳米发电机,利用介质的极化的变化率,所以这边走的是位移电流,这边走的是传导电流,两种不同的电流。这个方程组我们把它统一了,做成了扩展性的麦克斯韦方程组,能够把麦克斯韦方程组作为无线传输的光子理论的基础理论,把它和能源结合在一起就变成一个归一化的方程组了。所以它是科学理论的颠覆,不只是一个技术上的颠覆。

技术上的颠覆必须来自于科学上的颠覆,所以我们把这个理论构架已经做好了,以后我们就可以在很多方面可以用,作为一个原创的技术来发明。

像法拉第1831年,也就是190年以前发明法拉第电磁感应定律。当时它是个现象,谁会相信它在后来会成为我们发电的主流,所以当时法拉第给人做科普演讲说服别人这是有用的,但是也经历了漫长的发展。直到1900年也就是70年以后,第一个交流的发电机才出来,到后来就变成我们现在发电的主力了。

所以从0到1的发展是很缓慢的,颠覆性技术的出现往往会被忽略掉,不一定被看好,但是未来就在这。

我们的电力也是一样。现在大电力依赖的是电网,这是一个非常重要的能源手段,但是我们看到社会的发展往往从聚集型向发散型发展。

举一个例子就是我们的计算机,40年以前我们去留学的时候,每一个学校有一台大型计算机,可以从终端上去输入信息,后来等到87年以后就出现了台式计算机,后来出现手提的电脑,现在人人一部手机,也是一个聚集型计算机变成这个分布式计算机,这就是一个主流计算机和小型计算机的结合。

能源也是一样。靠大电网输出大的稳定电流,但是分布式能源特别是微网叫micro-grade,和原来经典电网的结合,将会变成电力在很多方面互补的重要手段。所以我们一定要有开放性的心态。

所以纳米发电机的发展,我简短地讲了它在微纳能源、自驱动传感和蓝色能源方面的应用,特别举了几个例子讲它现在的器件和性能。最后我们要走上产业化的应用,所以这给我们奠定了有可能利用蓝色能源,在后化石能源时代提供可靠的、稳定的能源的基础。

这当然不是一天能实现的,需要很长时间的努力,但是现在不做,到那个时候我们就来不及了。所以我们的基础研究一定要加强,一定要从原理上、科学上分析这种基础研究。未来在哪里?未来不是等来的、更不是预言来的,未来是干出来的、是创造出来的。

最后感谢大会组委会给我的邀请,谢谢各位!

本文来源于亿欧网,原创文章,作者:WIM2021。
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化石能源能源纳米发电机碳中和新型能源
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