使用静电可能是获取海洋清洁能源（至少获取一小部分）的一个关键方法。葡萄牙的一个研究小组现在已经成功地用静电来运行一个导航浮标内的小型发电机，为浮标的传感器和灯具（分别用来收集数据和帮助水手）供电。尽管到目前为止该项目规模较小，但研究人员说它能证明一个重要的技术概念，该技术可以作为对波浪动力及其他自然发生运动现存开发方式的补充。海洋提供可再生能源生产电力，这种吸引力是巨大的。仅海浪每年就能产生32,000太瓦时的自然能源。作为参考，全世界每年使用约23,000太瓦时的能源。此外，海洋还有海流、潮汐和地热的能源。但是几十年来的研究证明海洋的运动是难以利用的。波浪模式不可预测，海水会腐蚀金属发电设备，而且波浪的能量会同时分散在上下、前后和左右三个维度。几个新的大规模波浪发电项目的电力输出已经落后于预测，部分原因就是上述的各种困难。葡萄牙研究人员转而关注更小、更容易管理的东西：为导航浮标供电，这些浮标通常包含引导船只的灯光和监测海洋状况的传感器。该团队转向了所谓的摩擦纳米发电机，或称TENGs，它们利用静电将运动转化为电流，这与在毛衣上摩擦气球产生电荷的原理相同。每个TENG内有两个平面，面积只有几平方厘米，可以很容易地成为正电或负电。在这两个堆叠的表面上，研究人员放置了10个直径约为12毫米的不锈钢球，可以自由移动。当它们的容器倾斜时，这些球就会滚来滚去，使两个表面产生摩擦。这就产生了一个静电荷，它可以转化为电力，为电池供电。葡萄牙波尔图大学的纳米技术博士生Cátia Rodrigues说：我们开发了这些将节奏和机械能转化为电能的新型装置。”她在美国物理联合会（American Institute of Physics）举办的一场线上会议上发表了关于她的团队研究的波浪动力浮标的演讲。“这些设备是低成本的。他们在达到高功率密度的同时也拥有高效率，”Rodrigues说，“TENGs即使在波浪小且不频繁的情况下也能持续保持良好的性能。”TENGs可以从任何形式的运动中产生电力，但Rodrigues和她的合作者们专注于测试各种TENG原型，以便针对波浪运动的特定条件对其进行优化。在最近的测试中，她和她的同事们想看看哪种设置能最稳定地产生最多电力：把所有的球放在一个像浅碗一样的圆形盆里，或者为每个球创造独立的“轨道”，像游泳池里的游泳者都有自己的泳道一样。该团队在波尔图大学的一个水力学实验室工作，他们将TENG安装在一个只有海洋浮标八分之一大小的复制品中进行测试。他们将该模型置于一个波浪池中，并模拟了在葡萄牙菲盖拉-达福什附近的海港中最频繁出现的五种波浪模式。

　　TENGs是由乔治亚理工学院的一名研究人员在2012年发明的。Rodrigues说，这项新研究标志着它们首次在如此真实的波浪条件下进行测试。它是成功的：类似于泳道的TENG设计产生了230微瓦的最大输出功率，足以为医疗植入体等小型设备供电。在不同的波浪条件下，它的能量转换也比碗状设计的更稳定。Rodrigues说，通过整合多个TENG或在金属球下面的表面添加纳米颗粒来增加材料收集电荷的能力，可以提高输出。加州蒙特利湾水族馆研究所工程部主席Andrew Hamilton（并未参与这项新研究）说，TENGs可以为阻碍其他海洋能源技术发展的一个关键问题提供解决方案。他说，海洋是一个强力低速的系统：它包含大量的能量，但这些能量分布广泛。因此，传统的旋转发电机往往需要更多的能量来发电，而这不是一小片海域所能提供的，而且其他开发波浪动力浮标的尝试也有缺陷。蒙特雷湾自己的浮标项目通过利用水面和悬挂在几十到几百米以下的平台之间的运动差异来发电。但是在大深度下工作就需要一条能承受激流和水下暗流破坏的长电缆。2017年，印度的一个导航浮标用一个振荡水柱系统为自己提供动力：波浪交替通过一个部分浸没的室，加速空气进出水柱。接着快速流动的空气转动涡轮机来发电。但是这种方法具有潜在的问题：噪声巨大，而且它只利用了波浪的垂直运动。

　　用来采集波浪能的空气涡轮机 图片来源：unsplashTENG的小尺寸有助于它避免这两种缺陷。Rodrigues说，它的紧凑性是它的优点之一，使研究人员能够轻松地将TENG与其他发电方法相结合，如太阳能电池板或不同种类的波浪能采集器。基于波浪池试验的成功，研究人员计划修改他们的TENG原型，并将其安装在菲盖拉-达福什的一个全尺寸浮标中。Hamilton指出，在开放海域测试可能会带来在波浪池中无法模拟的挑战。他说：设计任何需要在海洋中使用一年的东西时，你都必须把统计学上每100年才可能发生的风暴考虑进去。他还解释说，这种极端的防风雨设计通常会使设备更加笨重，可操作性更差，而且因为表面积增大的同时磨损和撕裂也跟着增多，所以随着时间的推移，其耐用性会越来越差。Rodrigues并不畏惧。她说她正在研究TENGs在海洋中和在其他“恶劣条件”下所展现的性能，比如把它们放入地下水抽取井或缝在鞋垫里。这些广泛的应用就是她期望看到TENGs在未来能“无处不在”的原因。撰文：Maddie Bender翻译：刘禛审校：张乃欣引进来源：科学美国人