“習慣了每天消費能源的人類，也能變身為可持續提供能源的發電機。”

　　習慣了每天消費能源的你
，有沒有想過變身為一個可持續提供能源的自動發電機呢
？

　　這不是玩笑。科研人員利用壓電發電技術，正在力圖使它成為現實。

　　將無處不在的機械振動能轉變為電能

　　其實，能量無處不在。我們每天跑步、跳躍、行走

、活動，不斷產生機械振動能。壓電發電技術瞄準的正是這些不起眼的能量，將其收集起來有效利用。

　　當然，“讓人類自己發電”還遠不能涵蓋壓電發電技術的全部。

　　說到壓電發電技術，我們先要回溯到1880年。當年居裏兄弟在石英晶體中發現：晶體受到機械應力的作用時，其表麵會產生電荷；反之，當外加電場於晶體時，晶體會產生形變。前者被命名為正壓電效應，後者則被稱之為逆壓電效應。

　　100多年過去，壓電學和壓電材料經過了石英晶體、鈦酸鋇陶瓷、鋯鈦酸鉛陶瓷、弛豫鐵電單晶等幾個裏程碑的發展
，各種壓電傳感器
、換能器和驅動器在水聲、超聲
、激光、紅外、電光等技術領域中成為不可替代的重要器件。

　　這zhe些xie年nian來lai
，工gong業ye化hua社she會hui對dui能neng源yuan需xu求qiu猛meng增zeng與yu化hua石shi能neng源yuan供gong給gei有you限xian的de矛mao盾dun日ri益yi突tu出chu
，各ge國guo大da力li發fa展zhan各ge種zhong可ke再zai生sheng能neng源yuan
，能neng量liang回hui收shou技ji術shu成cheng為wei研yan發fa熱re點dian。壓ya電dian發fa電dian正zheng是shi這zhe樣yang一yi種zhong技ji術shu——利用壓電材料的正壓電效應將機械振動能轉變為電能，從而將如人體走路的踩踏、機械振動，甚至噪音等形式的振動能量收集起來，經過能量轉換——整流——存儲——供電等諸多環節，應用於生活。

　　這種能量收集係統幫助我們利用曾被白白耗費的能源。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，都可能成為發電裝置
，作為眾多其他能源的補充。

　　壓電發電具有結構簡單、不發熱
、無電磁幹擾、無汙染和易於實現小型化和集成化等優點
，並因能滿足低耗能產品的電能需求而成為目前研究的熱點之一。

　　發電地板
、發電公路
、發電行囊和其他

　　日、美、歐等發達國家對於壓電發電自助供電係統進行了多年研究，取得了良好進展，尤其是日本在應用方麵走在世界前列。

　　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行過三次“發電地板”試驗，目標是實現乘客通過自動檢票口時產生可使100瓦的燈泡發光0.1秒的電力。

　　2010年上海世博會上，日本館展示了壓電發電地板
，參觀者輕輕幾步就可將電燈點亮，這讓很多人驚喜不已。

　　另據報道

，日本的NEC等公司聯合開發了新型發光道路標識
，在公路下埋有壓電發電裝置，使其驅動LED發光指示牌，基本達到可自供電的實用水平。

　　同樣，以色列技術研究院也在普通路麵的瀝青中植入大量的壓電晶體，通過汽車駛過時的壓電轉換來發電。據測算，1公裏的路麵能產生約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
，可用於任何大流量的道路，包括鐵路和公路。目前以色列對這種技術僅進行了小規模的試驗，今後將進行大範圍的試驗。

　　此外，為了提高能量獲得效率，研發人員一般在設計時將壓電、熱電
、guangfudengduozhongnengliangtongshishoujiliyong。rumeiguojunfangzhengzaikaifayizhongshibingbianxingjunbianfadiandezhuangzhi。shibingmenkeduisuoxiedaidedianzishebeijinxingzizhugongdian，congerbubixiedaizhongda10公斤的儲能電池，大幅度減少行軍負重。

　　最近還有報道，美國加州一位眾議員提出新法案，建議將壓電發電技術用於道路上
，稱每年發電足以供3萬多戶家庭使用。他的提議能否可行並取得成效還有待進一步觀察。

　　我(wo)國(guo)有(you)關(guan)的(de)研(yan)究(jiu)機(ji)構(gou)也(ye)在(zai)積(ji)極(ji)開(kai)展(zhan)能(neng)量(liang)回(hui)收(shou)的(de)研(yan)究(jiu)工(gong)作(zuo)。在(zai)上(shang)海(hai)即(ji)將(jiang)舉(ju)行(xing)的(de)全(quan)國(guo)科(ke)技(ji)活(huo)動(dong)周(zhou)上(shang)，中(zhong)科(ke)院(yuan)上(shang)海(hai)矽(gui)酸(suan)鹽(yan)所(suo)計(ji)劃(hua)在(zai)南(nan)京(jing)路(lu)上(shang)向(xiang)大(da)眾(zhong)演(yan)示(shi)自(zi)己(ji)開(kai)發(fa)的(de)壓(ya)電(dian)發(fa)電(dian)裝(zhuang)置(zhi)。

　　上述不同的研發工作

，其基本原理沒有本質差別
，主要的不同在於壓電材料的工作模式不同，係統和應用場合的結構不同。

　　目前壓電換能器大多采用PZT-5H型壓電陶瓷
，結構形狀有陶瓷片、陶瓷懸臂梁、壓電鼓、壓電鐃鈸以及多層陶瓷結構等。單個壓電發電單元一般可輸出電壓5～20fu，dianliuweihaoanji

，gonglvdadaojishihaowaji，nengmanzuwangluochuanganqidengdihaonengdianzichanpindegongnengxuqiu。weilezengdafadiangonglv，bixucaiyongduogeyuanjianbinglianfangshi
，yitigaozhuangzhideshuchudianliu。

　　隻要動就能發電的納米發電機

　　近年來
，壓電材料也在向更微觀的尺度發展。納米壓電電子學將半導體和壓電學結合起來
，從而有望開發出新型的壓電場效應晶體管、自供電納米發電機
、無線納米醫學和生物器件。

　　美國和我國的科學家合作研究並報道了一種壓電納米發電機
，以氧化鋅納米線為基礎，實現了在納米尺度上把機械能轉化為電能。

　　納米線的直徑一般小於100 nami，danqichangdukeyidadaoshuweimi，rucidadechangjingbishidehenxiaodelibiankejiangnamixianwanquerchanshengdianshicha。zheyiweizhezhiyaodongjiunengfadian
，wuxuxingzou

，weiruodejirouyundongyekeyidaidongnamifadianji。

　　據報道，該納米發電機的理論發電效率可達到17% ～30%
，具有較高的能量密度和轉換效率
，易於實現真正的微型化，這為利用人體運動進行活體體內發電開辟了技術路線。

　　此外，2009年，韓國三星綜合技術研究院的科學家在《先進材料》上報道說，他們在柔性襯底上製備了氧化鋅陣列，大量的氧化鋅納米棒並聯，獲得了1 毫安/平方厘米的電流密度, 可以用於力傳感器、觸摸屏以及人工皮膚敏感器等。

　　不過
，雖然目前人們已經能夠大量合成出純度
、尺寸、形貌以及晶體結構可控的氧化鋅納米棒陣列，但如何將運動、振動、流體等自然存在的機械能轉化為電能，從而實現無須外接電源的納米器件
，仍然存在許多挑戰。　

　　解決成本和效益問題是關鍵

　　目前
，外部的振動機械能通過能量收集裝置產生的電流為交流電，其缺點是不連續
、buguize。zaigongchengyingyongzhong
，bixushejixiangyingdepipeidianlu
，caiyongqiaoshizhengliudianlu

，jiangjiaoliudianzhuanhuanweizhiliudian

，jiangchanshengdediannengchucunqilai，jingyidingshijiandechongdian，dadaozugoudeliangshifangkegongyingwaibufuzaishiyong。

　　能量回收係統的關鍵技術，主要包括選擇壓電材料、設計和外部振動頻率接近的壓電振子及支撐方式、設計高效的電能收集和儲存電路係統等。

　　muqiandeyanzhengxingyanshizhuyaoshiqudongyixiezhaominghuoxianshiqi。yaoyoudadefadianliang，zaijishushangyinggaimeiyoutaidadezhangai，zhuyaohaishichengbenhexiaoyiwenti。ruhejinyibutigaofadianxiaolv，dafudujiangdichengben，tigaoxitongdekekaoxinghenaiyongxing，zhexiedoushishifenzhongyaodenanti。

　　筆者預計，如果科研單位、企業和政府協同努力
，壓電發電技術有望在10年內逐步得到推廣和應用。