李永祥：中科院上海矽酸鹽研究所研究員，專業方向為無機功能材料與器件。
「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。」
□李永祥
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。當年居裡兄弟在石英晶體中發現：晶體受到機械應力的作用時，其表面會產生電荷；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裡程碑的發展，各種壓電傳感器、換能器和驅動器在水聲、超聲、雷射、紅外、電光等技術領域中成為不可替代的重要器件。
這些年來，工業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，各國大力發展各種可再生能源，能量回收技術成為研發熱點。壓電發電正是這樣一種技術——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。
這種能量收集系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系統進行了多年研究，取得了良好進展，尤其是日本在應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。
另據報導，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換來發電。據測算，1公裡的路面能產生約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、光伏等多種能量同時收集利用。如美國軍方正在開發一種士兵邊行軍邊發電的裝置。士兵們可對所攜帶的電子設備進行自助供電，從而不必攜帶重達10公斤的儲能電池，大幅度減少行軍負重。
最近還有報導，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。
我國有關的研究機構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，中科院上海矽酸鹽所計劃在南京路上向大眾演示自己開發的壓電發電裝置。
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，系統和應用場合的結構不同。
目前壓電換能器大多採用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5～20伏，電流為毫安級，功率達到幾十毫瓦級，能滿足網絡傳感器等低耗能電子產品的供能需求。為了增大發電功率，必須採用多個元件並聯方式，以提高裝置的輸出電流。
只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電晶體、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導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 納米，但其長度可以達到數微米，如此大的長徑比使得很小的力便可將納米線彎曲而產生電勢差。這意味著只要動就能發電，無須行走，微弱的肌肉運動也可以帶動納米發電機。
據報導，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闢了技術路線。
此外，2009年，韓國三星綜合技術研究院的科學家在《先進材料》上報導說，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/平方釐米的電流密度, 可以用於力傳感器、觸控螢幕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、不規則。在工程應用中，必須設計相應的匹配電路，採用橋式整流電路，將交流電轉換為直流電，將產生的電能儲存起來，經一定時間的充電，達到足夠的量時方可供應外部負載使用。
能量回收系統的關鍵技術，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系統等。
目前的驗證性演示主要是驅動一些照明或顯示器。要有大的發電量，在技術上應該沒有太大的障礙，主要還是成本和效益問題。如何進一步提高發電效率，大幅度降低成本，提高系統的可靠性和耐用性，這些都是十分重要的難題。
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。
《科學時報》 (2011-05-12 A3 技術·經濟)