覆盖地球表面75%的是浩瀚的海洋。据科学估算，中国陆地海岸线长达1万8千多公里、大小岛屿6960多个，其中蕴含着极其丰富的“波浪能”资源，总量约有5亿千瓦，可开发利用的电能约1亿千瓦，这相当于10个三峡大坝所发电的总功率。这些只是海岸线所提供的“潮汐能”，而大面积海洋所能提供的“波动能”潜力更加巨大。

如果能够开发某种技术高效收割这些蓝色海洋能量，那将是用之不竭的能源，也不会存在能源危机的担忧！

近年来，为实现电子器件的自驱动，能量收集技术已经成为研究热点。在众多可收集的能量中，机械能由于其大量、无处不在的特性已经成为能量收集的一种理想来源。环境中机械能往往具有较低的工作频率（小于10Hz），例如波浪能、潮汐能以及人体运动等等。

众所周知，根据1831年法拉第提出的电磁感应定律设计的电磁发电机是世界一百多年来主导发电的根本技术。通过电磁发电机来收集低频能量已证实具有较低的效率，这是为什么传统电磁发电机往往在50-60Hz的频率下工作。虽然经过近年来不断的优化，在低频工作条件尤其是低于1Hz条件下，如何提高电磁发电机的输出一直是一个难题。这也就是为什么电磁发电机几乎无法用来高效收集海水中的波动能和人体的活动能。

相比传统的电磁发电机，由中国科学院纳米能源与系统所首席科学家、佐治亚理工学院董事教授王中林院士于2012年提出的摩擦纳米发电机已经可以收集较宽频率的机械能，例如震动、行走、人体运动、波浪等等。王中林院士的团队发展的摩擦纳米发电机恰恰在低频下工作效率较高，并远超传统电磁发电机的效率。

因此，对于应用于收集我们环境中的低频能量，例如应用于收集柔性电子学中的人体活动能，海水的波动能等，他们发明的摩擦纳米发电机做到了传统技术没法实现的功能，是对百年来发电技术的颠覆。 

如果能够实现利用摩擦纳米发电机组成的水面网络来收集波动能，那将是用之不尽的无碳能源！超越绿色的蓝色能源！ 

摩擦纳米发电机如何发电？

王中林解释说这种摩擦生电纳米发电机是基于摩擦起电和静电感应的耦合将机械能转换成电能。在内部的发电单元，由于两层薄膜间表现出相反的摩擦电极性电荷转移，造成一个电势差；在外部负载时，电子被驱动在附着于薄膜背侧的两个电极之间流动，以平衡电位差。

TENG有三种基本的操作模式：垂直接触-分离模式、平面滑动模式和单电极模式。自从2012年1月第一份的TENG报告中，其输出功率密度在12个月内提高了5个数量级。该区域的功率密度达到313W/m2，体积密度达到490kW/m3，并被证明转换效率为50％。

将该研究商业化应用的关键是输出上的巨大飞跃和未来在化学上的改进。王中林解释道：“能够产生大量电荷的输出取决于摩擦表面的性质。在聚合物薄膜的表面上采用纳米材料的图案增加了片材的接触面积，产生的电力可以有上千倍的差异。”

摩擦纳米发电机低频优势明显

为了揭示它们合适的工作频率和适用范围，王中林院士团队也对摩擦纳米发电机和传统电磁发电机的低频机械能收集进行了系统的比较性研究。

图：摩擦纳米发电机（TENG）和电磁发电机（EMG）在不同频率下的点亮同一个LED灯泡的电流和亮度，其中蓝色为摩擦纳米发电机能点亮灯泡而电磁发电机则不能（由于输出电压过低）的区域。 

该团队发现，对于传统电磁发电机，其输出电压、电流都与机械能频率成正比，从而输出功率与机械能频率的平方成正比；对于摩擦纳米发电机，输出电流与机械能频率成正比，而输出电压保持相对稳定，从而输出功率与机械能频率成正比。因此，一定存在一个阈值频率，使得低于这个阈值频率时摩擦纳米发电机发电功率大于电磁发电机。该团队还发现，低频下电磁发电机的输出电压过低，难以驱动需要一定开启电压的电子元件，从而大大限制了它的应用。此外摩擦纳米发电机还体现出其它的一些优势，例如质轻、易于进行多种结构优化等等。

因此该研究提出并证实了摩擦纳米发电机在低频工作下不可替代的优势，有望成为收集低频机械能特别是“蓝色能源”（海洋能）的“杀手”应用。 

未来商业前景无法估量

摩擦纳米发电机可应用于收获各种可用的机械能，而且是通常在我们日常生活中浪费掉的，比如人体运动、风震、旋转的轮胎、流水等等。也可将其用作一个自供电传感器，使用其电压和电流输出信号主动检测静态和动态的过程引起的机械搅拌，对于触摸板和智能皮肤技术具有潜在应用。它的输出性能可以通过许多方法增强，包括合理地选择材料、改良物理表面形貌或化学功能化纳米结构。

目前，在大量改进的基础上，王中林研究小组正致力于将其商业化，采用摩擦纳米发动机给手机和其他移动设备充电，也不断扩展摩擦纳米发电机在医疗领域的应用，开发了生物全可降解的摩擦纳米发电机。

未来，这些纳米发电机可以在更大规模上带来深远影响，商业前景更是无法估量。研究人员可以利用这一技术挖掘海浪、雨滴、我们周围风的无尽能量，用小的发电机，而不是高耸的风力发电机，以帮助满足全世界不断增长的能源需求。

无疑，它不仅可作为自我供电的便携式电子产品，同时也为我们在不久的将来提供了一个新的技术以解决世界能源危机这个重大问题。

（本文信息来源：中国科学院北京纳米能源与系统研究所；由e科网整理编辑）

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