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

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

　　說到壓電發(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，其表面會產(chǎn)生電荷；反之，當(dāng)外加電場于晶體時，晶體會產(chǎn)生形變。前者被命名為正壓電效應(yīng)，后者則被稱之為逆壓電效應(yīng)。

　　100多年過去，壓電學(xué)和壓電材料經(jīng)過了石英晶體、鈦酸鋇陶瓷、鋯鈦酸鉛陶瓷、弛豫鐵電單晶等幾個里程碑的發(fā)展，各種壓電傳感器、換能器和驅(qū)動器在水聲、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，工業(yè)化社會對能源需求猛增與化石能源供給有限的矛盾日益突出，各國大力發(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)械振動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瑥亩鴮⑷缛梭w走路的踩踏、機(jī)械振動，甚至噪音等形式的振動能量收集起來，經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換——整流——存儲——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，車站、公路、軌道以及日用的墊子、地毯、地板、書包、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)簡單、不發(fā)熱、無電磁干擾、無污染和易于實(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)國家對于壓電發(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社在東京火車站進(jìn)行過三次“發(fā)電地板”試驗(yàn)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)乘客通過自動檢票口時產(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。

　　另據(jù)報道，日本的NEC等公司聯(lián)合開發(fā)了新型發(fā)光道路標(biāo)識，在公路下埋有壓電發(fā)電裝置，使其驅(qū)動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，通過汽車駛過時的壓電轉(zhuǎn)換來發(fā)電。據(jù)測算，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)計時將壓電、熱電、光伏等多種能量同時收集利用。如美國軍方正在開發(fā)一種士兵邊行軍邊發(fā)電的裝置。士兵們可對所攜帶的電子設(shè)備進(jìn)行自助供電，從而不必攜帶重達(dá)10公斤的儲能電池，大幅度減少行軍負(fù)重。

　　最近還有報道，美國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，稱每年發(fā)電足以供3萬多戶家庭使用。他的提議能否可行并取得成效還有待進(jìn)一步觀察。

　　我國有關(guān)的研究機(jī)構(gòu)也在積極開展能量回收的研究工作。在上海即將舉行的全國科技活動周上，中科院上海硅酸鹽所計劃在南京路上向大眾演示自己開發(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。單個壓電發(fā)電單元一般可輸出電壓5～20伏，電流為毫安級，功率達(dá)到幾十毫瓦級，能滿足網(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，必須采用多個元件并聯(lián)方式，以提高裝置的輸出電流。

　　只要動就能發(fā)電的納米發(fā)電機(jī)

　　近年來，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，從而有望開發(fā)出新型的壓電場效應(yīng)晶體管、自供電納米發(fā)電機(jī)、無線納米醫(yī)學(xué)和生物器件。

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

　　納米線的直徑一般小于100 納米，但其長度可以達(dá)到數(shù)微米，如此大的長徑比使得很小的力便可將納米線彎曲而產(chǎn)生電勢差。這意味著只要動就能發(fā)電，無須行走，微弱的肌肉運(yùn)動也可以帶動納米發(fā)電機(jī)。

　　據(jù)報道，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)動進(jìn)行活體體內(nèi)發(fā)電開辟了技術(shù)路線。

　　此外，2009年，韓國三星綜合技術(shù)研究院的科學(xué)家在《先進(jìn)材料》上報道說，他們在柔性襯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，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、振動、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>

　　解決成本和效益問題是關(guān)鍵

　　目前，外部的振動機(jī)械能通過能量收集裝置產(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)生的電能儲存起來，經(jīng)一定時間的充電，達(dá)到足夠的量時方可供應(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)計和外部振動頻率接近的壓電振子及支撐方式、設(shè)計高效的電能收集和儲存電路系統(tǒng)等。

　　目前的驗(yàn)證性演示主要是驅(qū)動一些照明或顯示器。要有大的發(fā)電量，在技術(shù)上應(yīng)該沒有太大的障礙，主要還是成本和效益問題。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，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。