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　　其實(shí)，能量無(wú)處不在。我們每天跑步、跳躍、行走、活動(dòng)，不斷產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)能。壓電發(fā)電技術(shù)瞄準(zhǔn)的正是這些不起眼的能量，將其收集起來(lái)有效利用。

　　當(dāng)然，“讓人類(lèi)自己發(fā)電”還遠(yuǎn)不能涵蓋壓電發(fā)電技術(shù)的全部。

　　說(shuō)到壓電發(fā)電技術(shù)，我們先要回溯到1880年。當(dāng)年居里兄弟在石英晶體中發(fā)現(xiàn)：晶體受到機(jī)械應(yīng)力的作用時(shí)，其表面會(huì)產(chǎn)生電荷；反之，當(dāng)外加電場(chǎng)于晶體時(shí)，晶體會(huì)產(chǎn)生形變。前者被命名為正壓電效應(yīng)，后者則被稱(chēng)之為逆壓電效應(yīng)。

　　100多年過(guò)去，壓電學(xué)和壓電材料經(jīng)過(guò)了石英晶體、鈦酸鋇陶瓷、鋯鈦酸鉛陶瓷、弛豫鐵電單晶等幾個(gè)里程碑的發(fā)展，各種壓電傳感器、換能器和驅(qū)動(dòng)器在水聲、超聲、激光、紅外、電光等技術(shù)領(lǐng)域中成為不可替代的重要器件。

　　這些年來(lái)，工業(yè)化社會(huì)對(duì)能源需求猛增與化石能源供給有限的矛盾日益突出，各國(guó)大力發(fā)展各種可再生能源，能量回收技術(shù)成為研發(fā)熱點(diǎn)。壓電發(fā)電正是這樣一種技術(shù)——利用壓電材料的正壓電效應(yīng)將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，從而將如人體走路的踩踏、機(jī)械振動(dòng)，甚至噪音等形式的振動(dòng)能量收集起來(lái)，經(jīng)過(guò)能量轉(zhuǎn)換——整流——存儲(chǔ)——供電等諸多環(huán)節(jié)，應(yīng)用于生活。

　　這種能量收集系統(tǒng)幫助我們利用曾被白白耗費(fèi)的能源。不久的將來(lái)，車(chē)站、公路、軌道以及日用的墊子、地毯、地板、書(shū)包、鞋、衣服等，都可能成為發(fā)電裝置，作為眾多其他能源的補(bǔ)充。

　　壓電發(fā)電具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不發(fā)熱、無(wú)電磁干擾、無(wú)污染和易于實(shí)現(xiàn)小型化和集成化等優(yōu)點(diǎn)，并因能滿(mǎn)足低耗能產(chǎn)品的電能需求而成為目前研究的熱點(diǎn)之一。

　　發(fā)電地板、發(fā)電公路、發(fā)電行囊和其他

　　日、美、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于壓電發(fā)電自助供電系統(tǒng)進(jìn)行了多年研究，取得了良好進(jìn)展，尤其是日本在應(yīng)用方面走在世界前列。

　　2006年至2009年期間，東日本旅客鐵道株式會(huì)社在東京火車(chē)站進(jìn)行過(guò)三次“發(fā)電地板”試驗(yàn)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)乘客通過(guò)自動(dòng)檢票口時(shí)產(chǎn)生可使100瓦的燈泡發(fā)光0.1秒的電力。

　　2010年上海世博會(huì)上，日本館展示了壓電發(fā)電地板，參觀者輕輕幾步就可將電燈點(diǎn)亮，這讓很多人驚喜不已。

　　另?yè)?jù)報(bào)道，日本的NEC等公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了新型發(fā)光道路標(biāo)識(shí)，在公路下埋有壓電發(fā)電裝置，使其驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光指示牌，基本達(dá)到可自供電的實(shí)用水平。

　　同樣，以色列技術(shù)研究院也在普通路面的瀝青中植入大量的壓電晶體，通過(guò)汽車(chē)駛過(guò)時(shí)的壓電轉(zhuǎn)換來(lái)發(fā)電。據(jù)測(cè)算，1公里的路面能產(chǎn)生約100～400千瓦的電力。理論上，這些植入瀝青的壓電材料能使用至少30年，可用于任何大流量的道路，包括鐵路和公路。目前以色列對(duì)這種技術(shù)僅進(jìn)行了小規(guī)模的試驗(yàn)，今后將進(jìn)行大范圍的試驗(yàn)。

　　此外，為了提高能量獲得效率，研發(fā)人員一般在設(shè)計(jì)時(shí)將壓電、熱電、光伏等多種能量同時(shí)收集利用。如美國(guó)軍方正在開(kāi)發(fā)一種士兵邊行軍邊發(fā)電的裝置。士兵們可對(duì)所攜帶的電子設(shè)備進(jìn)行自助供電，從而不必?cái)y帶重達(dá)10公斤的儲(chǔ)能電池，大幅度減少行軍負(fù)重。

　　最近還有報(bào)道，美國(guó)加州一位眾議員提出新法案，建議將壓電發(fā)電技術(shù)用于道路上，稱(chēng)每年發(fā)電足以供3萬(wàn)多戶(hù)家庭使用。他的提議能否可行并取得成效還有待進(jìn)一步觀察。

　　我國(guó)有關(guān)的研究機(jī)構(gòu)也在積極開(kāi)展能量回收的研究工作。在上海即將舉行的全國(guó)科技活動(dòng)周上，中科院上海硅酸鹽所計(jì)劃在南京路上向大眾演示自己開(kāi)發(fā)的壓電發(fā)電裝置。

　　上述不同的研發(fā)工作，其基本原理沒(méi)有本質(zhì)差別，主要的不同在于壓電材料的工作模式不同，系統(tǒng)和應(yīng)用場(chǎng)合的結(jié)構(gòu)不同。

　　目前壓電換能器大多采用PZT-5H型壓電陶瓷，結(jié)構(gòu)形狀有陶瓷片、陶瓷懸臂梁、壓電鼓、壓電鐃鈸以及多層陶瓷結(jié)構(gòu)等。單個(gè)壓電發(fā)電單元一般可輸出電壓5～20伏，電流為毫安級(jí)，功率達(dá)到幾十毫瓦級(jí)，能滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)傳感器等低耗能電子產(chǎn)品的供能需求。為了增大發(fā)電功率，必須采用多個(gè)元件并聯(lián)方式，以提高裝置的輸出電流。

　　只要?jiǎng)泳湍馨l(fā)電的納米發(fā)電機(jī)

　　近年來(lái)，壓電材料也在向更微觀的尺度發(fā)展。納米壓電電子學(xué)將半導(dǎo)體和壓電學(xué)結(jié)合起來(lái)，從而有望開(kāi)發(fā)出新型的壓電場(chǎng)效應(yīng)晶體管、自供電納米發(fā)電機(jī)、無(wú)線(xiàn)納米醫(yī)學(xué)和生物器件。

　　美國(guó)和我國(guó)的科學(xué)家合作研究并報(bào)道了一種壓電納米發(fā)電機(jī)，以氧化鋅納米線(xiàn)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了在納米尺度上把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

　　納米線(xiàn)的直徑一般小于100 納米，但其長(zhǎng)度可以達(dá)到數(shù)微米，如此大的長(zhǎng)徑比使得很小的力便可將納米線(xiàn)彎曲而產(chǎn)生電勢(shì)差。這意味著只要?jiǎng)泳湍馨l(fā)電，無(wú)須行走，微弱的肌肉運(yùn)動(dòng)也可以帶動(dòng)納米發(fā)電機(jī)。

　　據(jù)報(bào)道，該納米發(fā)電機(jī)的理論發(fā)電效率可達(dá)到17% ～30%，具有較高的能量密度和轉(zhuǎn)換效率，易于實(shí)現(xiàn)真正的微型化，這為利用人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行活體體內(nèi)發(fā)電開(kāi)辟了技術(shù)路線(xiàn)。

　　此外，2009年，韓國(guó)三星綜合技術(shù)研究院的科學(xué)家在《先進(jìn)材料》上報(bào)道說(shuō)，他們?cè)谌嵝砸r底上制備了氧化鋅陣列，大量的氧化鋅納米棒并聯(lián)，獲得了1 毫安/平方厘米的電流密度, 可以用于力傳感器、觸摸屏以及人工皮膚敏感器等。

　　不過(guò)，雖然目前人們已經(jīng)能夠大量合成出純度、尺寸、形貌以及晶體結(jié)構(gòu)可控的氧化鋅納米棒陣列，但如何將運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)、流體等自然存在的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)須外接電源的納米器件，仍然存在許多挑戰(zhàn)?！?/p>

　　解決成本和效益問(wèn)題是關(guān)鍵

　　目前，外部的振動(dòng)機(jī)械能通過(guò)能量收集裝置產(chǎn)生的電流為交流電，其缺點(diǎn)是不連續(xù)、不規(guī)則。在工程應(yīng)用中，必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的匹配電路，采用橋式整流電路，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，將產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存起來(lái)，經(jīng)一定時(shí)間的充電，達(dá)到足夠的量時(shí)方可供應(yīng)外部負(fù)載使用。

　　能量回收系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括選擇壓電材料、設(shè)計(jì)和外部振動(dòng)頻率接近的壓電振子及支撐方式、設(shè)計(jì)高效的電能收集和儲(chǔ)存電路系統(tǒng)等。

　　目前的驗(yàn)證性演示主要是驅(qū)動(dòng)一些照明或顯示器。要有大的發(fā)電量，在技術(shù)上應(yīng)該沒(méi)有太大的障礙，主要還是成本和效益問(wèn)題。如何進(jìn)一步提高發(fā)電效率，大幅度降低成本，提高系統(tǒng)的可靠性和耐用性，這些都是十分重要的難題。

　　筆者預(yù)計(jì)，如果科研單位、企業(yè)和政府協(xié)同努力，壓電發(fā)電技術(shù)有望在10年內(nèi)逐步得到推廣和應(yīng)用。