1.6 壓電能量回收技術(shù)

能量無處不在。我們每天都在跑步、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，將其收集起來有效利用。說到壓電技術(shù)，要追溯到1880年。居里在石英晶體中發(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)，后者則被稱為逆壓電效應(yīng)。經(jīng)過100多年，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(gè)里程碑的發(fā)展，各種壓電傳感器、換能器和驅(qū)動(dòng)器在工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域中成為不可替代的重要器件。近些年來，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)殡娔埽瑥亩鴮⑷缛梭w走路的踩踏、機(jī)械振動(dòng)，甚至噪聲等形式的振動(dòng)能量收集起來，經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換-整流-存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)換-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。將來，車站、公路、軌道等，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、無電磁干擾、無污染及易于實(shí)現(xiàn)小型化和集成化等優(yōu)點(diǎn)，并因能滿足產(chǎn)品的電能需求而成為目前研究的熱點(diǎn)之一。上海世博會(huì)上的壓電地板，參觀者輕輕幾步就可將電燈點(diǎn)亮，這讓人驚喜不已。美國(guó)研究機(jī)構(gòu)在公路下埋有壓電能量回收裝置，使其驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車輛，在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段基本達(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(shí)的壓電轉(zhuǎn)換來發(fā)電。據(jù)測(cè)算，1km的路面能產(chǎn)生100～400kW的電力，如圖1-15所示。理論上，這些植入瀝青的壓電材料能使用至少30年，可用于大流量的道路，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。我國(guó)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。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(chǎng)合的結(jié)構(gòu)不同。目前壓電換能器大多采用PZT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。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。

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(chǎng)效應(yīng)晶體管、自供電納米發(fā)電機(jī)。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100nm，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彎曲而產(chǎn)生電勢(shì)差。納米壓電發(fā)電機(jī)的理論發(fā)電效率可達(dá)到17%～30%，模型如圖1-16所示，具有較高的能量密度和轉(zhuǎn)換效率，開辟了新的技術(shù)路線。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(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)無需外接電源的納米器件，仍然存在許多挑戰(zhàn)。解決成本和效益問題是關(guān)鍵。目前，外部的振動(dòng)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(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，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。

圖1-15 壓電能量回收技術(shù)的結(jié)構(gòu)框架示意圖

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)車輛照明或顯示設(shè)備，如圖1-17和圖1-18所示。目前大的發(fā)電量在技術(shù)上沒有太大的障礙，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，這些都是重要的挑戰(zhàn)。如果科研單位和企業(yè)協(xié)同努力，壓電能量回收技術(shù)有望在20年內(nèi)逐步得到推廣和應(yīng)用。

圖1-16 納米壓電發(fā)電機(jī)模型

圖1-17 壓電能量回收技術(shù)驅(qū)動(dòng)照明設(shè)備示意圖（從左至右，壓電能量回收系統(tǒng)分別驅(qū)動(dòng)氙氣前照燈、LED前照燈和激光前照燈的照射距離和效果比較）

圖1-18 壓電能量回收系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)激光燈結(jié)構(gòu)示意圖