1.6 压电能量回收技术

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。说到压电技术，要追溯到1880年。当年居里在石英晶体中发现：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、换能器和驱动器在工业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，甚至噪声等形式的振动能量收集起来，经过能量转换—整流—存储—传输—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，并因能满足产品的电能需求而成为目前研究的热点之一。2010年上海世博会上的压电地板，参观者轻轻几步就可将电灯点亮，这让人惊喜不已。美国研究机构在公路下埋有压电能量回收装置，使其驱动电动车辆，在实验室研发阶段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，1km的路面能产生约100～400kW的电力，如图1-15所示。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。我国有关的研究机构也在积极开展能量回收的研究工作。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。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。

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。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100nm，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。纳米压电发电机的理论发电效率可达到17%～30%，模型如图1-16所示，具有较高的能量密度和转换效率，开辟了新的技术路线。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，从而实现无需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。

图1-15 压电能量回收技术的结构框架示意图

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车辆照明或显示设备，如图1-17和图1-18所示。要有大的发电量，在技术上没有太大的障碍，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，这些都是重要的挑战。如果科研单位和企业协同努力，压电能量回收技术有望在20年内逐步得到推广和应用。

图1-16 纳米压电发电机模型

图1-17 压电能量回收技术驱动照明设备示意图（从左至右，压电能量回收系统分别驱动氙气前照灯、LED前照灯和激光前照灯的照射距离和效果比较）

图1-18 压电能量回收系统驱动激光灯结构示意图