壓電現(xiàn)象是100多年前居里兄弟研究石英時(shí)發(fā)現(xiàn)的。壓電效應(yīng)的原理是，如果對(duì)壓電材料施加壓力，它便會(huì)產(chǎn)生電位差，稱之為正壓電效應(yīng)；反之施加電壓，則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，稱為逆壓電效應(yīng)。在現(xiàn)實(shí)生活中，壓電材料具有機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換的功能，因此在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。近，有研究人員嘗試?yán)萌诵凶邔?duì)地板的壓力生成可利用的電能，還有研究人員將壓電材料用于背包，可以邊走邊提供能量。
“人群農(nóng)場(chǎng)”為火車站供電
兩名波士頓的研究生正在歐洲進(jìn)行一項(xiàng)火車站設(shè)計(jì)工程，他們近有了個(gè)奇怪的想法——把人的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能。他們的“人群農(nóng)場(chǎng)”將會(huì)利用人們走動(dòng)時(shí)地板的滑動(dòng)來(lái)產(chǎn)生電。
這兩名年輕人是美國(guó)麻省理工學(xué)院建筑和規(guī)劃系的James Graham和Thaddeus Jusczyk。他們正在意大利都靈進(jìn)行一項(xiàng)火車站的模型設(shè)計(jì)。Graham說(shuō)：“在設(shè)計(jì)時(shí)，我們?cè)噲D就近尋找資源，就產(chǎn)生了這個(gè)想法。這是一個(gè)振動(dòng)的空間，有很多人，所以我們想捕獲所有的運(yùn)動(dòng)，把它們轉(zhuǎn)化成能量。”
據(jù)ENR網(wǎng)報(bào)道，他們初的想法比較簡(jiǎn)單，后來(lái)決定用人的腳步。Graham介紹說(shuō)，歐洲曾有一家建筑公司為一家舞蹈俱樂(lè)部設(shè)計(jì)的地板就是利用壓電（機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能）技術(shù)產(chǎn)生能量給電燈供電。“我們的這個(gè)火車站有3/4英里乘1/4英里大小，但是能用于發(fā)電的部分很集中，很適合這種工程。”
大廳和斜坡使用的動(dòng)力地板系統(tǒng)有很大的節(jié)能潛力。Graham和Jusczyk估計(jì)，理想狀況下人的一步能使兩盞60瓦的燈泡亮一秒鐘。而一群人的腳步，或者拖行李的壓力能讓人的行動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)能量成為一種新的、便宜又干凈的能源。“我們并不僅僅是想發(fā)明一種可以用在某些地方的高科技?jí)|子，我們是想真正把它結(jié)合到建筑系統(tǒng)中。”
發(fā)電地板10月有望面世
Graham和Jusczyk的想法還停留在理論階段，但已經(jīng)有人把理論付諸于現(xiàn)實(shí)了。這個(gè)人就是美國(guó)芝加哥的自由設(shè)計(jì)師Elizabeth Redmond。
Redmond在負(fù)責(zé)一項(xiàng)名為“能源飛躍”的工程。在這項(xiàng)工程中，地板磚就是用可以發(fā)電的材料制成的。“我的設(shè)計(jì)是使用2英寸乘1英寸由鋯酸鉛制成的壓電陶瓷板，上面裝有黃銅覆蓋的鎳電極，這樣電流滲漏很低。”Redmond介紹說(shuō)，每1英尺乘1英尺的地面上有這么一塊板，當(dāng)有人踩過(guò)一塊板，可以產(chǎn)生5.5瓦的電能。
Redmond去年在美國(guó)密歇根州Ann Arbor鬧市區(qū)的人行道上試驗(yàn)了她的設(shè)計(jì)。工作裝置是4塊2英尺乘4英尺的壓電板，周圍是普通的水泥板。這些壓電板內(nèi)部安裝了4個(gè)發(fā)光二極管，只要有人踩上就會(huì)被點(diǎn)亮。這樣參與者就可以看見(jiàn)他們的運(yùn)動(dòng)確實(shí)產(chǎn)生了電。這個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ突ㄙM(fèi)了1000美元，不包括人力。Redmond表示大的花費(fèi)在于壓電材料，但如果壓電板能大量生產(chǎn)，只要有人在內(nèi)部或者附近走動(dòng)，它們就可以用于建筑物、街道和霓虹燈的照明。
Redmond現(xiàn)在正在進(jìn)行她的下一代設(shè)計(jì)，她從Mohawk Industries—— 一家專營(yíng)家用和商業(yè)地板的大型公司那里獲得了1萬(wàn)美元的資助，用來(lái)研究瓷磚、材料和優(yōu)的安裝尺寸之間的關(guān)聯(lián)。Redmond表示這代產(chǎn)品可能今年10月就會(huì)面世。
發(fā)電背包為便攜式電子設(shè)備供電
Redmond的想法來(lái)源于密歇根大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院一名本科生的畢業(yè)論文。而密歇根理工大學(xué)的研究人員近發(fā)明了可以提供電能的背包。
密歇根理工大學(xué)機(jī)械工程師Jonathan Granstrom和Joel Feenstra、亞利桑那州立大學(xué)的Henry Sodano和NanoSonic公司的Kevin Farinholt在近一期的《巧妙材料和結(jié)構(gòu)》雜志上發(fā)表了文章，介紹了他們?cè)谀芰揩@得方面的新創(chuàng)新成果—— 一款利用壓電材料制成的通過(guò)背帶產(chǎn)生能量，為便攜式的電子設(shè)備充電的背包。
研究組設(shè)計(jì)這種背包的目的是想讓電子設(shè)備的使用者可以保持其行動(dòng)的靈活性，同時(shí)讓便攜式電子設(shè)備的用戶不需要再背著沉重的電池。
PhysOrg網(wǎng)采訪了Sodano。他表示：“這種系統(tǒng)的好處就是可以無(wú)縫取代現(xiàn)有材料。背帶在使用上和傳統(tǒng)材料毫無(wú)差別。”據(jù)介紹，這種背包的背帶是用聚偏氟乙烯(PVDF)制成的。這種材料很強(qiáng)韌，感覺(jué)和尼龍很像。但不同于尼龍的是，PVDF是一種壓電材料，可以把壓力轉(zhuǎn)化為電力。
當(dāng)負(fù)重100磅——士兵背包的通常重量，以2~3公里的時(shí)速行走時(shí)，模擬數(shù)據(jù)顯示，背帶可以產(chǎn)生45.6毫瓦的能量。研究人員表示，這個(gè)能量輸出可以為小型電子設(shè)備提供電能，又能在長(zhǎng)時(shí)間行路中成為沉重電池的替代品。
據(jù)Sodano介紹，可以使用的電子設(shè)備包括礦工帽子上的小型照明燈（約38毫瓦）、蘋果iPod nanoMP3播放器（約46毫瓦）和摩托羅拉Razr手機(jī)——待機(jī)時(shí)需要9毫瓦的持續(xù)電能，通話中需要360毫瓦。Sodano表示，用之前要積累能量，因此可以走20分鐘，再通話兩分半鐘，或者可以白天給照明燈充電，晚上使用。將來(lái)，這個(gè)能量還可以用于給手持的GPS系統(tǒng)供電——該系統(tǒng)要求165~200毫瓦的持續(xù)電能。
Sodano表示，設(shè)計(jì)背帶大的挑戰(zhàn)是找到非常強(qiáng)健、持久的電極，因?yàn)橐话愕碾姌O不能忍受背帶的巨大張力。因此，研究人員和NanoSonic公司合作，后者提供了可以做電極的材料。研究人員制作了100納米厚的電極，可以承受1000%的張力，同時(shí)保證導(dǎo)電性，釋放之后還可以回到原來(lái)的形狀。
