渐行渐近的压电发电技术

渐行渐近的压电发电技术李永祥习惯了每天消费能源的你，有没有想过变身为一个可持续提供能源的自动发电机呢？这不是玩笑。科研人员利用压电发电技术，正在力图使它成为现实。将无处不在的机械振动能转变为电能其实，能量无处不在。我们每天跑步、跳跃、行走、活动，不断产生机械振动能。压电发电技术瞄准的正是这些不起眼的能量，将其收集起来有效利用。当然，“让人类自己发电”还远不能涵盖压电发电技术的全部。说到压电发电技术，我们先要回溯到1880年。当年居里兄弟在石英晶体中发现：晶体受到机械应力的作用时，其表面会产生电荷；反之，当外加电场于晶体时，晶体会产生形变。前者被命名为正压电效应，后者则被称之为逆压电效应。100多年过去，压电学和压电材料经过了石英晶体、钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅陶瓷、弛豫铁电单晶等几个里程碑的发展，各种压电传感器、换能器和驱动器在水声、超声、激光、红外、电光等技术领域中成为不可替代的重要器件。这些年来，工业化社会对能源需求猛增与化石能源供给有限的矛盾日益突出，各国大力发展各种可再生能源，能量回收技术成为研发热点。压电发电正是这样一种技术——利用压电材料的正压电效应将机械振动能转变为电能，从而将如人体走路的踩踏、机械振动，甚至噪音等形式的振动能量收集起来，经过能量转换——整流——存储——供电等诸多环节，应用于生活。这种能量收集系统帮助我们利用曾被白白耗费的能源。不久的将来，车站、公路、轨道以及日用的垫子、地毯、地板、书包、鞋、衣服等，都可能成为发电装置，作为众多其他能源的补充。压电发电具有结构简单、不发热、无电磁干扰、无污染和易于实现小型化和集成化等优点，并因能满足低耗能产品的电能需求而成为目前研究的热点之一。发电地板、发电公路、发电行囊和其他日、美、欧等发达国家对于压电发电自助供电系统进行了多年研究，取得了良好进展，尤其是日本在应用方面走在世界前列。2006年至2009年期间，东日本旅客铁道株式会社在东京火车站进行过三次“发电地板”试验，目标是实现乘客通过自动检票口时产生可使100瓦的灯泡发光0.1秒的电力。2010年上海世博会上，日本馆展示了压电发电地板，参观者轻轻几步就可将电灯点亮，这让很多人惊喜不已。另据报道，日本的NEC等公司联合开发了新型发光道路标识，在公路下埋有压电发电装置，使其驱动LED发光指示牌，基本达到可自供电的实用水平。同样，以色列技术研究院也在普通路面的沥青中植入大量的压电晶体，通过汽车驶过时的压电转换来发电。据测算，1公里的路面能产生约100～400千瓦的电力。理论上，这些植入沥青的压电材料能使用至少30年，可用于任何大流量的道路，包括铁路和公路。目前以色列对这种技术仅进行了小规模的试验，今后将进行大范围的试验。此外，为了提高能量获得效率，研发人员一般在设计时将压电、热电、光伏等多种能量同时收集利用。如美国军方正在开发一种士兵边行军边发电的装置。士兵们可对所携带的电子设备进行自助供电，从而不必携带重达10公斤的储能电池，大幅度减少行军负重。最近还有报道，美国加州一位众议员提出新法案，建议将压电发电技术用于道路上，称每年发电足以供3万多户家庭使用。他的提议能否可行并取得成效还有待进一步观察。我国有关的研究机构也在积极开展能量回收的研究工作。在上海即将举行的全国科技活动周上，中科院上海硅酸盐所计划在南京路上向大众演示自己开发的压电发电装置。上述不同的研发工作，其基本原理没有本质差别，主要的不同在于压电材料的工作模式不同，系统和应用场合的结构不同。目前压电换能器大多采用PZT-5H型压电陶瓷，结构形状有陶瓷片、陶瓷悬臂梁、压电鼓、压电铙钹以及多层陶瓷结构等。单个压电发电单元一般可输出电压5～20伏，电流为毫安级，功率达到几十毫瓦级，能满足网络传感器等低耗能电子产品的供能需求。为了增大发电功率，必须采用多个元件并联方式，以提高装置的输出电流。只要动就能发电的纳米发电机近年来，压电材料也在向更微观的尺度发展。纳米压电电子学将半导体和压电学结合起来，从而有望开发出新型的压电场效应晶体管、自供电纳米发电机、无线纳米医学和生物器件。美国和我国的科学家合作研究并报道了一种压电纳米发电机，以氧化锌纳米线为基础，实现了在纳米尺度上把机械能转化为电能。纳米线的直径一般小于100纳米，但其长度可以达到数微米，如此大的长径比使得很小的力便可将纳米线弯曲而产生电势差。这意味着只要动就能发电，无须行走，微弱的肌肉运动也可以带动纳米发电机。据报道，该纳米发电机的理论发电效率可达到17%～30%，具有较高的能量密度和转换效率，易于实现真正的微型化，这为利用人体运动进行活体体内发电开辟了技术路线。此外，2009年，韩国三星综合技术研究院的科学家在《先进材料》上报道说，他们在柔性衬底上制备了氧化锌阵列，大量的氧化锌纳米棒并联，获得了1毫安/平方厘米的电流密度,可以用于力传感器、触摸屏以及人工皮肤敏感器等。不过，虽然目前人们已经能够大量合成出纯度、尺寸、形貌以及晶体结构可控的氧化锌纳米棒阵列，但如何将运动、振动、流体等自然存在的机械能转化为电能，从而实现无须外接电源的纳米器件，仍然存在许多挑战。解决成本和效益问题是关键目前，外部的振动机械能通过能量收集装置产生的电流为交流电，其缺点是不连续、不规则。在工程应用中，必须设计相应的匹配电路，采用桥式整流电路，将交流电转换为直流电，将产生的电能储存起来，经一定时间的充电，达到足够的量时方可供应外部负载使用。能量回收系统的关键技术，主要包括选择压电材料、设计和外部振动频率接近的压电振子及支撑方式、设计高效的电能收集和储存电路系统等。目前的验证性演示主要是驱动一些照明或显示器。要有大的发电量，在技术上应该没有太大的障碍，主要还是成本和效益问题。如何进一步提高发电效率，大幅度降低成本，提高系统的可靠性和耐用性，这些都是十分重要的难题。笔者预计，如果科研单位、企业和政府协同努力，压电发电技术有望在10年内逐步得到推广和应用。《科学时报》(2011-05-12A3技术·经济)